CPS-SPWM调制技术研究及其FPGA实现VIP

安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线安徽工业大学毕业设计(论文)任务书课题名称 CPS-SPWM 技术 的研究及其 FPGA 实现学 院 电 气信息学院专业班级 电子信息工程 061 班姓 名 翟威龙学 号 069064205毕业设计（论文）的主要内容:1.学习电力电子技术的主要内容。2.研究 CPS-SPWM 技术的原理。3.设计一种完全基于 FPGA 的 CPS-SPWM 调制波形产生的方案。4.完成对系统的软硬件测试。起止时间：2010 年 3 月 5 日至 2010 年 6 月 1 日共 14 周指 导 教 师签 字系 主 任签 字院 长签 字摘要安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线在分析了多电平逆变原理的基础上，分别对双极性 CPS-SPWM 和单极倍频CPS-SPWM 的调制原理和输出波形进行了严密的公式推导和理论分析。在比较了几种 CPS-SPWM 调制脉冲产生方案后，为了解决一些存在的问题，提出了一种完全由FPGA 产生 CPS-SPWM 调制波的设计方案，并在 EP1C6 上实现了基于该方案的调制波形发生模块。该模块可产生三相共 60 路 CPS-SPWM 调制波形，使用该模块产生的调制波形控制三相五级全桥式逆变器，可产生多达 11 电平的输出正弦波。设计加入了多样化设计，可通过用户接口进行电平数、调制度、载波比等参数设置。通过优化设计，节省了芯片资源，提高了芯片效率。仿真和实验证明了该设计的可行性。关键词：电力电子；多电平变换器；载波移相 SPWM 发生器Abstract 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线After thoroughly analyzing the generation principle of multi-level converter, theortical analysis of modulating principle and output voltage waveform of bipolar CPS-SPWM and single pole double frequency CPS-SPWM is done. There are a few methods now, they have their advantage and disadvantage, in order to solve the drawback, a whole new method to generate multipath SPWM by FPGA completely is proposed, which is realized in Altera FPGA. This generator may produce 60-way SPWM waveform and adjust the amplitude and the frequency of the SPWM waveform. A multi-level inverter with 3 phase can be modulated by these waveform. The very output waveform of this inverter is a 11-level sine wave. By means of the optimum design, the chip resources is saved and the chip efficiency is enhanced. The simulative and experimental results proved the feasibility of the design.Keyword: Power electronics; Multilevel-converter; Carrier phase shifted SPWM generator目录安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线1 绪论11.1 逆变技术概述11.2 多电平逆变技术概述21.2.1 多电平逆变器的结构21.2.2 多电平逆变器的输出21.2.3 多电平逆变器的控制31.3 本课题的意义和任务32 CPS-SPWM 技术研究42.1 CPS-SPWM 技术概述42.2 载波相移 SPWM(CPS-PWM)理论52.2.1 双极性 CPS-安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线SPWM52.2.2 单极倍频 CPS-SPWM102.3 结论153 基于 FPGA 的 CPS-SPWM 脉冲产生设计方案163.1 主控器件的选择163.2 单相脉冲发生模块设计173.3 三相脉冲发生结构设计184 基于 FPGA 的 CPS-SPWM 脉冲发生模块的实现194.1 单相各模块的实现194.1.1 系统复位及时钟分频模块194.1.2 正弦波/三角波 ROM表214.1.3 三角波/正弦波地址累加安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线器234.1.4 正反相调制比较器254.1.5 死区控制模块274.1.6 正弦调制波的幅频控制294.1.6 单相仿真304.2 三相集成314.2.1 B 相、C 相的设计314.2.2 顶层设计324.3 实验调试334.3.1 实验平台334.3.2 调试工具34安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线4.3.3 相关测试355 结论38致谢38参考文献38安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书共 38 页 第 1 页装订线1 绪论1.1 逆变技术概述通 俗 的 说 ， 逆 变 技 术 就 是 把 直 流 电 变 为 交 流 电 的 技 术 。 完 成 这 个 功 能 的 器 件称 之 为 逆 变 器 。 在 电 力 电 子 技 术 中 ， 逆 变 技 术 是 最 主 要 、 最 核 心 的 技 术 ， 它 主 要应 用 于 各 种 逆 变 电 源 、 变 频 电 源 、 开 关 电 源 、 UPS 电 源 、 交 流 稳 压 电 源 、 电 力系 统 的 无 功 补 偿 、 电 力 有 源 滤 波 器 、 变 频 调 整 器 、 电 动 汽 车 、 电 气 火 车 、 燃 料 电池 静 置 式 发 电 站 等 1。逆 变 电 路 种 类 很 多 ， 本 文 涉 及 到 的 即 如 图 1-1 所 示 ， 为 一 种 全 桥 式 逆 变 电 路 。它 共 有 4 个 桥 臂 ， 把 桥 臂 1 和 桥 臂 4 作 为 一 对 ， 桥 臂 2 和 桥 臂 3 作 为 一 对 ， 成对 的 两 个 桥 臂 同 时 通 断 和 关 断 。 开 关 器 件 S1（ S4） 与 S2（ S3） 的 控 制 信 号 是互 补 的 。 图 1-2， 是 这 种 全 桥 逆 变 电 路 的 工 作 原 理 ， 其 中 （ a） ， （ b） 是 控 制 方式 。 图 （ c） 是 感 性 负 载 时 输 出 的 电 压 和 电 流 ， 红 色 的 是 正 向 时 （ 即 图 a 所 示的 通 断 情 况 ） ， 黑 色 是 反 向 （ 即 图 b 所 示 的 通 断 情 况 ） 。 从 （ c） 可 看 出 当 输 入为 之 流 的 Ud 时 ， 输 出 电 压 为 180o 方 波 。图 1-1 全 桥 式 逆 变 电 路图 1-2 单相全桥式逆变电路工作原理安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书共 38 页 第 2 页装订线1.2 多电平逆变技术概述在电压型逆变器中，最早广泛应用的是两电平逆变器。如 1-1 节中提到的全桥式逆变电路，就是一种两电平逆变器。这种变化器一个最大的弱点是，受开关管功率和耐压的限制，不宜实现高压大功率输出。而且其高次谐波较多。为解决上述问题，一种新型的、适合于环保节能应用的逆变器新思路多电平逆变器（Multilevel Inverter）开始出现。多电平逆变器与传统的两电平逆变器相比，具有很多优势，如控制方式灵活、输出电压的相位和幅值便于调节和控制、输出电压的谐波含量低、逆变效率高、可以使用价格便宜的低频高压大功率开关器件、适合于高压大功率输出等。1.2.1 多电平逆变器的结构多电平逆变器主要有两种结构，一种是在半桥式结构的基础上，另一种则是利用单相全桥式逆变器（俗称 FBI 桥或 H 桥） ，通过直接串联叠加组成级联式多电平逆变器。图 1-3 就是这种全桥式级联多电平逆变器。其中图（a）是单相，图 （b）是三相的。2(a)单相级联型全桥式多电平逆变器 (b)三相级联型全桥式多电平逆变器 图 1-3 级联型全桥式多电平逆变器1.2.2 多电平逆变器的输出逆变器输出的波形好坏的一个重要参数就是输出波形的电平数，所谓电平数，对于电压型逆变器而言，指的是输出电压波形中，从正的最大值到负的最大值之间所包含的阶梯数。而多电平逆变器就是指这种逆变器输出电压波形中的电平数等于或大于 3 的逆变器，如三电平逆变器，五电平逆变器和七电平逆变器等。图 1-4 为安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书共 38 页 第 3 页装订线九电平电压波形。与 1.1 节中的图 1-2 中两电平的逆变器输出相比，可以看出输出电平数越多，波形越接近正弦波。图 1-4 九电平逆变器输出电压波形1.2.3 多电平逆变器的控制要想得到 1.2.3 节中那样的输出电压波形，就必须对多电平逆变器进行控制，即用调制脉冲对逆变器上的开关元件的通断进行控制。目前控制的方法有很多种，如空间向量控制法，PWM（Pulse Width Modulation 脉冲宽度调制）法等。其中 PWM 控制法是一个研究热点，诸如消除谐波 SHPWM 法、开关频率优化SFOPWM 法、载波相移 CPS-PWM（Carrier Phase Shift-Sinusoidal Pulse Width Modulation）法等多种载波 PWM 调制技术和控制策略相应问世，其中载波相移CPS-SPWM 由自然采样 SPWM 技术和多重化技术发展而来，是级联型多电平变换器中常用的一种调制方法，具有等效开关频率高和总谐波含量低的特点，尤其适用于电平数5 的场合。本课题所要研究的正是这种 CPS-SPWM