基于FPGA的SPWM逆变电源控制器研究文档格式.docx

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该控制器具有输出脉冲精确稳定、频率幅度可在线调节、死区时间可预置、接口简单、动态响应速度快、易修改、易升级、可现场编程等特点。

应用所设计的SPWM逆变控制器，研制了一台全桥拓扑SPWM逆变电源样机，分别设计了其脉冲变压器驱动放大电路、电压采样、过流保护和滤波电路，在闭环条件下对理论分析结果进行了实验验证。

实验结果证明了理论分析的正确性和提出方案的可行性。

关键词：

FPGA；

逆变电源控制器；

SPWM；

功能时序仿真；

直接数字频率合成研究类型：

应用研究Subject:

DesignofaProgrammableSPWMInverterControllerBasedonFPGASpecialtyName:

MicroandSolidElectronices:

ZhangJing（Signature）（Signature）Instructor:

LiuShulinABSTRACTNowadays,DC-ACinverterswithSinusoidPulseWidthModulation（SPWM）techniquesarewidelyusedinelectricpower,postal,telecommunications,aerospaceandotherfields.Alongwiththecontinuousdevelopmentandpopularityofcomputertechnology,SPWMinverterswillbeappliedinmuchmoreoccasions.TheSPWMcontrollers,whichregulatethevoltageandfrequencybyadjustingtheSPWMsignals,arethecoreoftheinverters.Theperformanceofthecontroller,directlydeterminestheperformanceoftheinverter.Thus,thekeytothedesignofthecontrollerishowtogeneratepreciseandprogrammableSPWMsignals.AdesignmethodofFPGA-basedSPWMinvertercontrollerisproposedinthisthesis.DetailedRTL-leveldesignof

thiscontrolleriscarriedoutonAlteraQuartusⅡsoftware,withthetop-to-downapproach.TheSPWMinvertercontrolleriscomprisedofsevenfunctionalmodules,whichareeasytotransplantandupgrade.Thereforethewholecontrolsystemcanbeupgradedeasily.AftertheRTLleveldesigniscompleted,simulationismadeoneverymoduleandthewholecontroller.Finally,thedesignisdownloadedtoEP2C5Q208C8NchipattheFPGAkit,inordertoverifythesystemfunctionofthecontroller.TheSPWMcontrollerdesigedwiththismethodhasadvantagesofoutputpulseispreciseandprogrammable,frequencyandamplitudecanbeadjustedonline,thedead-timecanbepreset,andtheoutputvoltagecanberegulatedinaclosedfeedbackloopandsoon.Aprototypeoffull-bridgestructuredinverterpowersupplyismanufacturedbasedontheaboveSPWMinvertercontroller.Thedriving,sampling,filtingandprotectingcircuitsaredesignedindetail.Experimentsaremadeontheprotypeinconditionsofavoltageclosedloop.Theexperimentalresultsprovethefeasibilityoftheproposedmethod.Keywords:

FieldProgrammableGateArraysWidthModulationFrenqencySynthsisInverterControllerSinusoidPulseDirectDigitalFunctionandTimingSimulationThesis:

ApplicationResearch1绪论1绪论1.1选题背景和研究意义逆变是对电能进行变换和控制的一种基本形式，它完成将直流电变成交流电的功能。

现代逆变技术就是研究现代逆变电源的理论和应用设计方法的学科，是建立在现代控制技术、电力电子技术、半导体变流技术、脉宽调制（PWM）技术、磁性材料等学科基础之上的一门实用技术。

随着对新能源的开发利用以及现代逆变技术的发展，许多行业的用电设备都不是直接使用公用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式[1]。

随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛，对电源性能的要求越来越高。

在电力电子技术的应用及各种电源系统中，逆变电源技术均处于核心地位。

逆变电源是一种采用开关方式的电能变换装置，它从交流或直流输入获得稳压、稳频的交流输出。

SPWM正弦脉宽调制法是调制波为正弦波，载波为三角波或锯齿波的一种脉宽调制法，原理简单，通用性强，控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压的多种作用，是一种比较好的波形改善方法。

将SPWM运用到逆变领域，为中小型逆变电源的发展起到了重要的推动作用。

根据电压调节器的实现方式，可以将逆变电源的控制方式分为模拟控制和数字控制两种形式。

模拟SPWM调制方法就是通常采用等腰三角波作为载波，当调制信

号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。

其实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波。

传统的模拟控制在逆变电源中应用广泛，技术成熟，控制性能优良，成本较低，但模拟控制也存在一些缺陷[2]：

⑴控制电路组件数量众多，型号繁杂，不便大规模生产；

⑵模拟器件的工作特性易随自身老化和环境变化而改变，降低了控制系统的一致性和可靠性；

⑶设计周期长，调试复杂，产品升级换代困难；

⑷模拟控制方式比较单一，较难实现先进的复杂控制算法；

⑸很难实现逆变电源的网络化、智能化管理维护。

模拟控制的以上缺点，决定其必然被数字控制所代替。

然而，以MCU/DSP为核心，以软件实现离散域的运算及控制的方案较大程度上依赖于处理器的性能。

传统的单片机方案由于内部系统体系结构和计算功能等条件限制，在实现各种先进的控制算法时遇到了困难；

使用高性能的DSP来解决控制器不断增加的计算量和速度需求是目前最为普遍的做法。

将一系列外围设备如A/D转换器、脉冲调制发生器和DSP集成在一起组成1西安科技大学硕士学位论文复杂的控制系统[3]-[7]。

随着EDA技术的发展，用基于FPGA的数字电子系统对功率器件组成的电路系统进行控制，为实现电力电子设备的数字控制提供了一种新的有效方法。

其基本设计思想是借助于EDA开发工具，用原理图、状态机、布尔表达式、硬件描述语言等方法进行系统功能及算法描述设计实现并生成编程文件，最后通过编程器或下载电缆用目标器件来实现。

其特点是具有用户可编程的特性。

利用FPGA，电子系统设计工程师可以在实验室中设计出专用IC，实现系统的集成，从而大大缩短了产品开发及上市的时间，降低了开发成本。

此外，FPGA还具有静态可重复编程或在线动态重构的特性，使硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，不仅使设计修改和产品升级变得十分方便，而且极大地提高了电子系统的灵活性和通用能力。

由于它的高集成度，几乎可以将整个系统下载于同一芯片中，实现所谓的片上系统，从而大大缩小产品的体积，提高系统的可靠性。

FPGA应用在数字化电力电子设备中，可以大大简化控制系统的结构，并可实现多种专用高速算法，具有较高的性价比。

同时，借助于硬件描述语言（VHDL或VerilogHDL）来对系统进行设计，摒弃了传统的从门级电路向上直至整体系统的设计方法。

它采用三个层次的硬件描述和自上而下从系统功能描述开

始的设计风格，能对三个层次的描述进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计。

试制成功后，如要大量生产，可以按照FPGA的设计定做全定制ASIC芯片，降低成本。

正因为此，近几年来逆变电源单芯片实现技术的研究越来越受到关注，这种专用控制电路（ASIC）的设计已成为逆变控制器发展的新方向之一[7]-[11]。

1.2逆变电源控制器的现状与发展逆变电源控制器的设计，关键在于如何输出性能优异，控制精确的SPWM信号。

在采样控制理论中有一个重要结论：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。

SPWM波形控制逆变电源中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电源输出电压的频率和幅值[4]-[5]。

目前，产生的正弦脉宽调制SPWM波形的方法主要有以下几种形式。

⑴SPWM的模拟控制方法这种方法的原理是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的SPWM波形。

通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。

其实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点。

在交点时刻给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波，对开关器件的通断进行控制，就可以生21绪论成SPWM波。

但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。

⑵SPWM的软件控制方法[12]软件控制法是由微型计算机来实现SPWM控制的方法，是目前经常采用的一种方法。

根据其软件化方法的不同，有如下几种：

①查表法这种方法是预先将SPWM波的数据计算出来并存入ROM表中，然后根据调频指令再将这些数据顺序取出，由输出口输出来控制逆变电源的开关动作。

表格法的缺点是占用大量的内存，且无实时处理功能。

②随时计算法这种方法的特点是在ROM中预先存储一个单位基准正弦波，运行时，根据指令值的要求，按不同载波比和调幅比的要求，计算出一个周期的开关模式和开关模式保持的时间值，写入RAM1中。

一旦计算结束，就把RAM1的数据输出。

在RAM1的数据输出期间，如指令值发生了新的变化，则开始重新计算，但将计算结果写入RAM2中。

写入RAM2的操作一旦结束，就转为将RAM2的数据输出。

再有新的指令值时，则将计算结果写入RAM1中。

如此轮流地使用两个RAM。

这种方法虽

然不必使用大量的ROM，但也没有实时处理功能，且动态响应时间较慢。

③实时计算法1）自然采样法自然采样法是以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。

其优点是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以进行实时控制。

2）规则采样法规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，一般采用三角波作为载波。

其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM法。

当三角波在其顶点（或底点）位置对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期（即采样周期）内的位置是对称的，这种方法称为对称规则采样。

当三角波既在其顶点又在底点对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期（此时为采样周期的两倍）内的位置一般并不对称，这种方法称为非对称规则采样。

由于功率器件工作在开关状态，因此特别适合于数字控制和驱动。

将数字控制技术应用到功率器件控制具有如下优点：

可严格控制开关管开通和关断时间；

可严格控制死区时间；

有利于消除电路中的毛刺脉冲[7]。

本课题采用低成本的FPGA芯片AlteraCycloneⅡEP2C5Q208C8N，对灵活性强，适用范围广，价格低廉的逆变控制器进行研究。

本课题研究的意义在于与传统控制电路相比，采用FPGA实现逆变器的控制系统具有不可替代的优势：

（1）控制器可以实现精确控制、响应速度快、易修改、可现场编程；

3西安科技大学硕士学位论文

（2）控制器通用性强，性能稳定；

（3）逆变器结构紧凑、可靠，研制周期短。

可应用于逆变器的全数字化控制领域，具有很好的应用价值。

最重要的是，大规模的FPGA让我们可以将微处理器、专用硬件算法单元、专用波形发生单元、信号采集处理单元都集成于单芯片上，使之成为一个完整的电力电子专用控制系统。

这种ASIC方式的设计将进一步推动电力电子设备的发展，为电力电子的产品世界带来一场新的革命。

1.3本文主要内容本文以全桥型SPWM逆变电源为控制对象，采用FPGA实现数字化控制器的方案，主要将进行以下工作：

⑴完成器件选型及相关的开发环境和工具的选取。

简单介绍FPGA器件的特点和优势，针对CycloneⅡ系列FPGA芯片介绍其特性参数，详细阐述基于FPGA的设计流程。

⑵介绍基于FPGA的数字化正弦波逆

变电源的组成和工作原理，分析SPWM调制技术的原理及应用，具体阐述数字化自然采样法的实现过程及减小误差措施，在此基础上分析SPWM调制的调压原理。

⑶对逆变电源的FPGA控制部分进行详细功能划分，分别设计其各个功能模块。

包括：

基于DDS的标准正弦波发生模块（地址累加器模块和正弦波ROM表模块）、三角波发生模块、SPWM波形产生模块、死区补偿模块、反馈模块、A/D转换控制模块、频率/幅值/死区时间输入给定及显示模块等。

形成便于系统设计、移植和升级的专用控制单元。

对各个模块分别进行功能和时序仿真，给出其参数选择过程和时序仿真图。

⑷在QuartusⅡ软件中对各个功能模块进行整合，通过编译、综合、时序仿真、下载配置等步骤的基础上设计出SPWM控制系统，并对其进行开环和闭环反馈下的仿真验证。

并将设计下载到CycloneⅡ系列芯片EP2C5Q208C8N中，通过示波器对输出信号进行观测。

⑸设计一款小功率正弦逆变电源，对该SPWM逆变电源控制器进行实验验证，观察逆变电源样机在开环和闭环条件下的驱动波形、开关管波形和输出电压波形情况，从而验证所设计的逆变电源控制器的性能优劣。

42正弦波逆变电源的组成和原理2正弦波逆变电源的组成和原理2.1正弦波逆变电源的组成正弦波逆变电源一般由以下几个组成部分构成：

主电路，控制电路，驱动电路，滤波电路等，如图2.1所示。

将一定的直流信号输入供给逆变电路，逆变电路在驱动信号作用下将整流滤波后的直流信号变成某一幅值、频率的交流信号，再经滤波后供给负载。

把采样到的输出电压经过转换后送给处理器，对采样信号采取一定的控制算法处理后输出修正的SPWM控制信号，使输出电压稳定在所设定的期望值上。

逆变电源部分直流输入逆变主电路滤波输出电路交流输出驱动控制保护电路采样电路控制面板SPWM模块控制部分保护模块采样处理控制器时序控制图2.1正弦逆变电源原理框图逆变电源将直流电转化为交流，若直流电压较低，则通过交流变压器升压，即得标准交流电压和频率。

对大容量的逆变电源，由于直流母线电压较高，交流输出一般不需要变压器升压即能达到220V，在中、小容量的逆变电源中，由于直流电压较低，如12V、24V，就必须设计升压电路。

中、小容量逆变电源一般有推挽逆变电路、半桥逆变电路、全桥逆变电路等几种拓扑[13]，如图2.2所示。

半桥型逆变拓扑结构中功率开关管的数量少、自平衡能力强，即当两个开关管导通时间不一致时，流过电感的电流大小不一致，致使两电容

上的电压不相等，电感电流越大，则对应的电容器上的电压越小，从而起到自平衡作用。

但是由于它的每个功率开关管上的电压只有电源电压的一半，所以要输出同样的功率，每个功率开关管中流过的电流要比全桥开关逆变器大一倍。

全桥与半桥逆变电路的区别是用两只同样的开关管代替了两只电容，全桥逆变电路工作需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制两对开关管。

调节开关管输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。

在全桥拓扑结构中，钳位二极管能将电感储能返回输入电源，有利于提高效率。

由于开关管的所承受的电压较低，有利于大功率输出，故全5西安科技大学硕士学位论文桥逆变器常用在输出功率较大的应用场合。

全桥逆变器的缺点是要使用四只开关管，需要四组彼此隔离的驱动电路。

推挽电路将升压变压器的中心抽头接于正电源，两路相反的PWM驱动脉冲送至开关管T1，T2的基极，控制两只功率管交替工作，得到方波交流电压经变压器输出。

由于功率晶体管共地，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。

其缺点是很难防止输出变压器的直流饱和，变压器利用率低，带感性负载的能力较差，此外开关管的耐压值要高于直流输入电压两倍以上，和全桥逆变相比它对开关器件的耐压值要高出一倍，只适合于原边电压比较低的功率变换器。

C1T1D1T1D1T2D2VoVoTVdTVoC2T2D2VdT3D3T4D4TViT1T2（a）半桥逆变电路（b）全桥逆变电路图2.2逆变电源主电路拓扑（c）推挽逆变电路逆变电源的数字控制系统主要包括微处理器、接口电路及其外围设备等。

其中，微处理器是控制系统的核心，它通过内部控制程序，对输入接口输入的数据进行处理，完成控制计算等工作，通过输出接口电路向外围设备发出各种控制信号。

目前，适用于逆变电源控制的微处理器主要有单片机、DSP、FPGA和专用控制芯片四种实现方案。

传统的单片机方案只须采用单个单片机，控制灵活，保密性能好，但由于内部系统体系结构和计算功能等条件限制，SPWM信号的产生均需占用CPU大量的工作时间，软件编程开发周期长，通用性差，不利于产品的更新换代。

而且要在限定的时间（开关周期）内实现众多的控制功能，可能需增加较多的外围元器件，必须以多片单片机方案来构成完整的控制系统[14]。

使用高性能的DSP方案解决了控制器不断增加的计算量和速度需求，其内部包含灵活的I/O接口和片内I/O管理，数据处理精度高，可靠性好。

将一系列外围设备如A

/D转换器、脉冲调制发生器和DSP集成在一起组成复杂的控制系统，可以有效的对逆变电源进行驱动控制，但合成频率较低且不可调。

专用控制器芯片（如HEF4752、SLE4520、MA818等）集成有SPWM发生器、A/D转换器、EPROM/EEPROM或快速擦写存储器（FlashMemory）等硬件外围设备，只需用一片芯片就可以实现SPWM波形输出，其缺点是信号输出通道少，载波频率和输出频率低，性价比低。

62正弦波逆变电源的组成和原理随着EDA技术的发展，用基于FPGA的数字电子系统对功率器件组成的电路系统进行控制，为实现电力电子设备的数字控制提供了一种有效的方法。

FPGA器件集成度高、体积小、速度快、以硬件电路实现算法程序，将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了电路可靠性。

将FPGA应用在逆变电源的数字控制系统中，可以大大简化控制系统结构，并可实现多种高速算法，具有较高的性价比。

与由纯软件控制的数字系统相比，它用硬件连线实现其软件算法，加快了运算速度，可以实现真正意义上的并行计算，提高了系统抗干扰性能。

FPGA内部资源丰富，可根据需要配置成锁相环、ROM、RAM、FIFO等各种外围电路，大规模的FPGA让我们可以将微处理器、专用硬件算法单元、专用波形发生单元、信号采集处理单元都集成于单芯片上，使之成为一个完整的电力电子专用控制系统。

所以，利用基于FPGA的控制器设计方案，具有明显的优势。

2.2正弦波逆变电源的SPWM调制技术正弦脉宽调制（SPWM）波，就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。

它的原理是：

把正弦波分成n等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴包围的面积用