基于FPGA的多路SPWM控制器的研究与设计

论文摘要

单元串联拓扑结构已经成为当前高压变频领域主要的研究方向之一。因此,本课题研究开发了一种应用于此拓扑结构的基于FPGA的多路SPWM控制器。本文对SPWM调制原理进行了分析,在此基础上对多路SPWM控制器的硬件和软件进行了设计,并最终通过了实验验证。首先,本文介绍了实验系统的结构、调制方法及故障诊断。实验系统以单元串联拓扑结构高压变频系统为实验平台。论文中通过对几种调制方法的分析,对比他们优缺点,最终决定采用载波水平移相SPWM调制,并从理论上分析了SPWM脉冲宽度的计算方法。同时给出了系统故障的分类。其次,设计了以FPGA为核心的控制器的硬件电路:分为脉冲扩展板的硬件电路设计和外围硬件电路设计。其中脉冲扩展板的硬件电路设计包括FPGA和CPLD的硬件设计等;外围硬件电路设计包括光纤接口板中针对CPLD的设计、故障判定电路设计和光纤传输等。通过以上电路的设计,从硬件上保证了控制器能够完成脉冲分配及故障诊断的功能。接着,设计了系统软件。在硬件设计的基础上,采用VHDL语言对FPGA及CPLD进行编程,实现了控制器以下功能:接收中心控制板算出的SPWM脉冲宽度数据,产生SPWM脉冲;将产生的SPWM脉冲通过光纤分配给各功率单元;从各功率单元采集故障信号;对故障信号编码并发送至中心控制板。最后,本控制器在6kV/22kW实验平台上完成了调试,通过对实验波形的分析得出,本控制器能够应用于单元串联变频调速系统中,可以产生多路SPWM脉冲,故障诊断安全可靠,系统运行稳定,达到了设计要求。

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摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 本课题的研究背景

1.2 国内外变频调速技术发展现状

1.3 变频调速系统的控制方式

1.4 本论文的研究内容

2 多路SPWM 设计的理论分析及故障诊断

2.1 引言

2.2 功率单元简介

2.2.1 功率单元工作原理

2.3 多路SPWM 产生机理的分配

2.3.1 SPWM 分类

2.3.2 SPWM 的生成方法

2.3.3 载波移相SPWM 调制法

2.3.4 SPWM 数学模型的建立及分析

2.4 系统故障诊断

2.4.1 系统故障分类

2.4.2 系统故障处理原理

2.5 小结

3 硬件设计与实现

3.1 高压变频系统构成

3.2 脉冲扩展板的硬件电路设计

3.2.1 FPGA/CPLD 简介及工作原理

3.2.2 FPGA 工作原理

3.2.3 FPGA 下载端口及配置芯片电路

3.2.4 脉冲扩展板的主体结构及功能实现

3.2.5 脉冲扩展板中FPGA 的硬件设计

3.2.6 脉冲扩展板中CPLD 的硬件设计

3.3 外围硬件电路设计

3.3.1 光纤接口板中针对CPLD 的设计

3.3.2 故障判定电路设计

3.3.3 光纤传输

3.4 小结

4 软件设计与实现

4.1 VHDL 描述

4.2 软件核心描述

4.3 片选芯片的软件描述

4.4 SPWM 的输出

4.5 故障查询

4.6 小结

5 实验结果及分析

5.1 引言

5.2 实验结果及分析

5.3 小结

6 结论

致谢

参考文献

附录

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