（控制理论与控制工程专业论文）基于fpga逆变控制器的研究与实现.pdf

摘要 电力电子装置的控制技术随着电力电子技术的发展而得到不断发展。微处理器及其 外围电路的发展，使得数字控制技术所存在的一些问题不断得到改善，并逐渐取代了模 拟控制技术实现的系统控制功能。随着电力半导体器件不断地向高频、高效和智能化方 向发展，对电力电子控制系统性能的要求也越来越高。在很多应用的场合，目前常用的 控制器( 高性能单片机或d s p ) 的性能往往不能完全满足要求。 近年来，随着大规模集成电路的飞速发展，可编程逻辑器件不断向高集成度、高速 度和低价位方向迈进，在信号处理领域的应用不断扩大。与d s p 单片机相比， f p g a c p l d 器件具有更高的处理速度、更高的可靠性。本文针对可编程逻辑器件具有设 计灵活、集成度高、速度快、设计周期短等突出优点，提出了将其应用于电力电子控制 技术以满足高性能应用场合的要求。 本文首先论述了s v p w m 的基本原理及其实现方法。在设计中，利用了数学工具 m a t l a b 对所采用的算法以及其中涉及到的问题进行了分析。并且通过了m a t l a b s i m u l i n k 的仿真。然后讨论分析了f p g a 的结构、优越性及其开发过程，进而提出了用可编程逻 辑器件f p g a 实现s v p w m 控制器的原理和方法。在本论文的工作中，采用v h d l 语 言完成了基于f p g a 的s v p w m 信号发生器的设计，并用m a x + p l u s 先后对系统的各个 模块以及整个系统进行了仿真测试。通过进行具体的分析和验证，证实了可编程逻辑器 件在电力电子技术控制中的应用优势。也验证了设计的正确性。 关键词： m a t l a b s i m u l i n k逆变控制器 现场可编程门阵列 空间矢量脉宽调制 a b s t r a c t t h ec o n t r o lt e c h n i q u eo fp o w e re l e c t r o n i c se q u i p m e n ti sd e v e l o p e db a s e do nt h e d e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y n l ed e v e l o p m e n to fm i c r o p r o c e s s e ra n di t s p e r i p h e r a l c i r c u i t sm a k ean u m b e ro fi s s u e sw h i c he x i s ti nd i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g y c o n t i n u o u s l yi m p r o v e d a n da l s ot h es y s t e mc o n t r o lf u n c t i o ni m p l e m e n t e db yt h ea n a l o g c o n t r o lt e c h n o l o g yi sg r a d u a l l yr e p l a c e db yd i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g y i nt h ew a k eo ft h e e l e c t r i cp o w e rs e m i c o n d u c t o rc o m p o n e n tc o n t i n u o u s l yd e v e l o p i n gt ot h eh i g h 疔e q u e n c y h i g h e f f i c i e n c ya n dt h ei n t e l l i g e n t i z a t i o no r i e n t a t i o n , t h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s o fp o w e r e l e c t r o n i c sc o n t r o ls y s t e mi sa l s oh i g h e r a tp r e s e n t ，i nm a n ya p p l i c a t i o ns i t u a t i o n s ，t h e c o m m o nc o n t r o l l e r ( a sh i g h p e r f o r m a n c es i n g l e - c h i po rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s e r ( d s p ) ) p e r f o r m a n c ei s 行e q u e n t l yn o tf u l l ym e e tt h er e q u i r e m e n t s i nt h ep a s tf e wy e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fl a r g e - s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ， p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e sc o n t i n u et o s t r i d ef o r w a r dt oah i g hl e v e lo fi n t e g r a t i o n ，h i g h s p e e da n dl o w c o s td i r e c t i o nw i t he n l a r g i n ga p p l i c a t i o n si nt h ea r e ao fs i g n a lp r o c e s s i n g i n c o m p a r i s i o nw i t hs i n g l e c h i p a n dd s p ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y c o m p l i c a t e d p r o g r a m m a b el o g i cd e v i c e ( f p g a c p l d ) c o m p o n e n th a sg r e a t e rp r o c e s s i n gs p e e d ，h i g h e r r e l i a b i l i t y f o rp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c ew i t hf l e x i b l ed e s i g n m e n t ，h i g hd e g r e eo f i n t e g r a t i o n ，h i g hs p e e d ，s h o r tc y c l eo fd e s i g n m e n t ，a n do t h e ro u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s ，t h i s p a p e rp r o p o s e dt oa p p l yt h ed e v i c et op o w e r e l e c t r o n i c sc o n t r o lt e c h n o l o g yi no r d e rt om e e t t h er e q u i r e m e n to fh i g h p e r f o r m a n c ea p p l i c a t i o n ss i t u a t i o n t h i sp a p e rf i r s td i s c u s s e dt h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dm e t h o d st oi m p l e m e n to fs p a c ev e c t o r p u l s ew i d t hm o d u l e ( s v p w m ) i nt h ed e s i g n m e n t ，t h em a t h e m a t i c a lt o o lm a t l a bw a s a p p l i e dt oa n a l y s et h eu s e da l g o r i t h ma n di s s u e si n v o l v e di ni t a n dc o m p l e t et h ea l g o r i t h m s i m u l a t i o nb ym a t l a b s i m u l i n k a f t e r w a r d sa n a l y z e dt h es t r u c t u r e ，t h es u p e r i o r i t ya n dt h e d e v e l o p m e n tp r o c e s so ff p g a ，f u r t h e r m o r ep u tf o r w a r dt h ep r i n c i p l ea n d r e a l i z a t i o nm e a n s t h a tu s i n gp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c ef p g ai m p l e m e n ts v p w m c o n t r o l l e r i nt h ew o r k ，t h i s p a p e ra d o p t e dv e r yh i g hs p e e dh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( v h d l ) a n df i n i s h e dt h e d e s i g n m e n to fs v p w ms i g n a lg e n e r a t o rb a s e do nf p g a i na d d i t i o nt h er e s p e c t i v em o d u l e s o fs y s t e ma n dt h ew h o l es y s t e mw e r es i m u l a t e da n dt e s t e db ym a x + p l u so n ea f t e ra n o t h e r t h r o u g ht h es p e c i f i ca n a l y s i s a n dv e r i f i c a t i o n , t h i sp a p e rc o n f m n e dt h ea d v a n t a g e so f p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c eu s e di np o w e re l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g y a tl a s tiv e r i f i e dt h e c o r r e c t n e s so ft h ed e s i g n k e yw o r d s ：m a t l a b s i m u l i n k i n v e r t e rc o n t r o l l e rf p g as v p w m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盏银签字日期：广7 年c 月垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨兰盘至有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨兰太望 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：喜银导师签名：嬲 签字日期：砂彳年月尸日 签字日期： 参年； | a 多日 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 第一章绪论 随着电力电子技术的进步和电力系统的发展，逆变器在电力系统和人们日常生活中 得到了越来越广泛的应用。p w m 逆变器硬件结构简单、功率因数高、动态响应快、 谐波含量少、频率调节范围宽等突出优点得到大家认同，并在实际中得到广泛应用。在 p w m 逆变器中，p w m 信号发生器是核心部分，它直接关系到整个逆变器的效率、直流 电压利用率、可靠性、灵活性等重要技术指标。采用大规模可编程器件实现p w m 信号 发生器具有突出优点。由于可编程器件可靠性高，速度快，编程、改写方便，可内建 r o m 区，用它实现p w m 波形输出可满足大部分应用需要。 电力电子器件是电力电子技术的基础。至今，电力电子器件正朝着高频化、耐高压 大电流和集成化的方向进一步发展。集成化的电路设计能够满足电源智能化、微型化、 模块化和易维修的特点心- 3 钔。本设计针对集成化的特点采用基于大规模可编程器件 f p g a 的设计，通过设计，我们对p w m 控制有着全面的认识；f p g a 应用在数字化电 力电子设备中，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。f p g a 内部资源丰富，可根 据需要配置成锁相环、r o m ，r a m ，f i f o 等各种外围电路，从而真正实现电力电子设备 的专用控制芯片。完成的设计对电力系统和日常应用都具有实际意义。 数字化是电力电子技术发展的一个大趋势。目前，虽然模拟控制技术的发展相当成 熟，基本可满足要求，但从温度漂移、长期稳定性和产品一致性方面考虑，数字化具有 很多模拟控制所不具备的优点哺1 。电力电子技术是现代电工技术中最活跃的领域，并且 在电力系统中得到日益广泛的应用。随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性 能不但提高，已从早期广泛使用的半控型功率开关，发展到如今性能各异、类型诸多的 全控型功率开关。这种进步促进了电力电子装置的迅速发展，从而对其控制部分提出了 更高要求。p w m 控制技术的应用与发展为电力电子装置的改进提供了革命性的思路和 手段。经过2 0 多年的研究与探索，p w m 控制技术已成功应用于各种变流装置中，使装 置获得前所未有的优良性能。与传统的变流器相比，p w m 控制技术不仅可以获得可控 的变流性能，而且可以实现电网侧单位功率因数和正弦波电流控制，并能使电能双向传 输。随着p w m 控制技术的发展，如空间矢量p w m ( s v p w m ) 、滞环电流p w m 控制等 方案的提出，以及现代控制理论和智能控制技术的发展和应用，p w m 变流器的性能得 到了不断提高，功能也不断扩展。p w m 信号产生模块是p w m 变流器的控制部分，也是 其核心部分。它是现代控制技术的体现，它所采用的算法及其实现途径直接决定了整个 装置的效率、直流电压利用率、灵活性等重要性能指标，它的可靠性对整个装置的可靠 性影响极大。可以说，p w m 信号产生模块( 包括算法和实现途径) 是目前p w m 技术的 研究重点之一。因此，研究一种应用于逆变器上的高性能p w m 信号产生控制器模块具 有重要意义。 第一章绪论 1 2 课题相关技术概述 超大规模集成电路( v l s i ) 的快速发展使得现代电子设计技术己经迈入一个全新的 阶段：电子器件及相关技术将更加趋向于支持e d a ；借助于硬件描述语言，硬件设计 和软件设计得到了有机的融合，从而提高了设计人员的工作效率和成功率；电子设计的 技术和开发过程逐步规范化和标准化；应用系统的设计已经从专用集成电路( a s i c ) 设计 走向片上系统( s o c ) 设计晦，氐利。 e d a 是2 0 世纪9 0 年代初，从计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、计 算机辅助测试( c a t ) 和计算机辅助工程( c a e ) 的概念发展而来的。其最具现代电子设计技 术特征的功能就是日益强大的逻辑设计仿真测试技术鹏，9 10 。e d a 仿真测试技术只需通 过计算机就能完成对所设计电子系统不同层次的测试与仿真操作，而且在实际系统安装 成功后还能对系统中的目标器件进行边晃扫描测试。这些特点都极大地提高了大规模系 统的电子设计自动化程度。硬件设计的软件化使得大规模集成电路的设计变得更加方 便、快捷3 。目前用于集成电路设计的比较流行的硬件描述语言主要有v e r y h i g h s p e e d h d l 和v e r i l o gh d l 两种n 2 ，1 3 3 。本文采用v h d l 设计s v p w m 信号发生器i p 核。在最 近几年中，可编程逻辑器件的开发生产和销售规模都以惊人的速度增长。现场可编程门 阵歹i j ( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 在电子产品市场已经得到了广泛的应用，这 些都要依赖于e d a 技术的发展。另一方面，高速发展的f p g a 和c p l d 器件又为e d a 技术的不断进步提供了坚实的物质基础，c a d e n c e ，d a t ai o ，m e n t o rg r a p h i c s ，o r c a d ， s y n o p s y s 和v i e w l o g i c 等世界各大e d a 公司都相继推出各类高性能的e d a 工具软件 1 6 ，l _ v h d l 诞生于19 8 2 年，英文全名是v e r y h i g h - s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e o19 8 7 年底，v h d l 被i e e e ( t h ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s ) 和美国国防部确认为标准硬件描述语言。1 9 9 3 年，i e e e 对v h d l 进行了修订， 公布了新版本的v h d l ，即i e e e 标准的1 0 7 6 1 9 9 3 版本，从更高的抽象层次和系统描 述能力上扩展了v h d l 的内容n 8 19 驯。v h d l 语言的语言形式和描述风格类似于一般的 计算机高级语言，例如c 语言。它的程序结构特点是将一项工程设计( 设计实体) 分为外 部( 可视部分) 和内部( 不可视部分) 。在一个设计实体定义好外部界面后，一旦其内部开 发设计完成，其它设计就可以直接调用这个实体。应用v h d l 语言进行工程设计有很多 优点：和其它硬件描述语言相比，v h d l 语言具有更强的行为描述能力，因此电子工程 师可以避开具体的器件结构、直接在逻辑行为上设计大规模电子系统；使用v h d l 语言 完成设计后，可以利用e d a 软件进行逻辑综合和优化，自动将v h d l 描述设计转换成 门级网表，这种方式突破了门级设计的瓶颈，极大地减少了电路设计的时间和可能发生 的错误，降低了开发成本。自i e e e 公布了v h d l 的标准版本( i e e e 1 0 7 6 ) 之后，各e d a 公司都推出自己的v h d l 设计环境，并逐步取代了原有的非标准硬件描述语言v h d l 已经成为电子工程领域的通用硬件描述语言。本文的设计仿真是在a l m m 公司的q u a r t u s i i 软件环境下完成的。 集成电路( i c ) 在最近十年发展迅猛，按照摩尔定律，单个芯片上的集成度在以每1 8 第一章绪论 个月翻一番的速度提高。目前的单芯片上己经能够集成上亿个晶体管，加工工艺也从微 米级发展到深亚微米甚至超亚微米级。2 0 0 3 年0 0 9 u m 工艺己经开始工业应用，表明深 亚微米加工技术己经成熟并将成为今后i c 加工工艺的主流。随着器件特征尺寸越来越 小，单芯片上可以容纳的系统规模越来越大，因此集成电路的发展演变成了s o c 的发 展。s o c 将许多芯片的功能集成到一片芯片中完成，但这并不是简单的功能迭加，而是 在考虑系统整体功能的基础上用软硬件结合的设计方法，利用i p 核( i n t e l l i g e n c ep r o p e r t y c o r e ) 复用技术在一片芯片上实现复杂的功能。 i p 核是用来生成专用集成电路( a s i c ) 的逻辑功能块。根据所在集成电路的设计层次 和优化程度，p 核分为硬i p 核、软i p 核和固i p 核。硬i p 核的芯片物理掩模布局已经 得到证明，所有仿真和验证工作都己经完成，系统设计者不能再对其进行修改；软i p 核仅仅以v h d l 或v e r i l o gh d l 代码形式描述功能块的行为，但对于采用何种电路和芯 片实现功能块则没有任何限制，用户可以根据自身需要对软i p 核进行修改，以实现基 于该1 p 核的某种逻辑功能，软i p 核需要经过逻辑综合和版图综合才能最终实现在硅片 上；固i p 核介于硬i p 核和软i p 核之间，己经完成了门级综合、时序仿真等设计阶段， 以门级网表的形式提交使用啪2 1 1 。本文所设计的是基于v h d l 的软i p 核，在应用时可 以根据具体情况即时修改v h d l 代码，满足控制需求。 1 3p w m 信号发生器现状 p w m 变流器优良的特性，使得p w m 变流器作为核心被广泛应用于各类电力电子 应用子系统中，如：功率因数校正( p f c ) ；静止无功补偿( s v c ) ；有源电力滤波( a p f ) ； 统一潮流控制( u p f c ) ；超导储能( s m e s ) ；高压直流输电( h v d c ) 乜3 2 4 潘2 副；可再生 能源并网发电；交直流电气传动等等。 不同的应用系统对p w i v i 控制部分提出了不同的要求。目前，p w m 控制策略中， 电压型p w m 变流器网侧电流控制策略主要分为间接电流控制和直接电流控制两类，其 实现途径有多种乜7 嚣瑚1 。纵观电力电子设备的发展，全数字化、模块化是它的一个重要 趋势。逆变控制器的发展也是如此，它经历了从分立元件的模拟电路到以通用微处理芯 片( d s p m c u ) 为核心的电路系统，并从数模混合电路过渡到纯数字控制的历程。随着逆 变电源控制技术的发展，对控制器的设计实现也提出越来越高的要求，控制器不在单一 的实现某一特定功能，早已演变成一个复杂数字系统。目前市场上较常用的的p w m 信 号发生器从原理上划分有以下几种m 3 1 3 羽： ( 1 ) 完全用模拟电子电路实现，即用模拟信号波形发生器分别产生正弦调制波波 和三角载波，经过比较器就得到p w m 信号，改变正弦波或三角波幅值或频率就可以实 现幅度或频率的控制。但这种方法电路结构复杂，可靠性较低，易受干扰，灵活性也不 高，难以实现较复杂的算法。 ( 2 ) 用专用的大规模集成电路p w m 芯片，如h e f 4 7 5 2 、s l e 4 5 2 0 等等实现。但 专用芯片功能有限、用户难于更改，频率、电压调节范围较窄，通用性较差口朝。 第一章绪论 ( 3 ) 用单片机实现。由于受系统时钟和计算能力的限制，所得p w m 波形的精度 不能很高，采用的算法受到限制。为了实现闭环控制，要采用多c p u 系统，给系统设 计造成困难。 ( 4 ) 采用硬件数字电路在系统实时计算实现，如用d s p ( 数字信号处理器) 、f p g a ( 大 规模可编程器件) 等等。它们具有计算速度快、精度高、可靠性高等优点。其中，近年 来，可编程逻辑器件( 特别是f p g a ) 不断向高集成度、高速度和低价位方向迈进，在信号 处理领域的应用不断扩大，与d s p 单片机相比，并行工作的f p g a c p l d 器件具有更 高的处理速度而且设计周期更短，并且可以方便的修改设计，在灵活配置实现多种功能 的同时无需改动硬件电路口4 t3 5 驯，以实现不同的功能要求，而且不存在复位不可靠或程序 跑飞等问题，可靠性更高。因此在本设计中，我们选用f p g a 器件实现p w m 信号的输出。 这也代表了今后的一个发展方向。采用f p g a 构成多路p w m 发生器成为一个很好的选择 3 7 ，3 8 3 9 1 4 国内外研究动态 p w m 控制技术的研究始于2 0 世纪8 0 年代，这一时期由于自关断器件的日趋成熟 及应用，推动了p w m 技术的应用于研究。p w m 变流器及其控制技术以其广泛而重要 的应用前景，近年来备受学术界的关注，已有大量的研究报告陆续发表。 1 9 8 2 年b u s s ea l f r e d 、h o l t zj o a c h i m 首先提出基于可关断器件的三相全桥p w m 整 流器拓扑结构及其网侧电流幅相控制策略，并实现了电流型p w m 变流器网侧单位功率 因数正弦波电流控制。 1 9 8 4 年a k a g ih i r o f u m i 等提出了基于p w m 变流器拓扑结构的无功补偿控制策略， 这实际上就是电压型p w m 变流器早期设计思想。 到2 0 世纪8 0 年代末，随着a w g r e e n 等人提出了基于坐标变换的p w m 变流器连 续、离散动态数学模型及控制策略，p w m 变流器的研究发展到一个新的高度。 自2 0 世纪9 0 年代以来，p w m 变流器的拓扑结构及控制策略一直是学术界关注和 研究的热点，各国学者以不同方法从各方面对p w m 变流器的数学模型和控制策略进行 了深入仔细的研究。其中电压型p w m 变流器的直接电流控制以其快速的电流响应和鲁 棒性受到学术界的关注。为了提高电压利用率并降低开关损耗，基于空间矢量的p w m 控制( s v p w m ) 取得了广泛应用。 s v p w m 控制突出优点是直流电压利用率高，动态相应快，而且简单的矢量切换模 式便于数字系统实现，具有电路结构简单、性能可靠的优点，不存在模拟控制中因器件 性能老化引起的控制偏差的问题，并且容易实现复杂的控制算法，在不改变电路结构、 不增加成本的情况下，可实现不同的控制，具有很大的灵活性。因此，本设计采用 s v p w m 控制算法，以达到最优化的目的。 目前的数字化逆变控制器多以m c u d s p 为核心，以软件实现离散域的运算及控制。 这种以软件为主的方案较大程度上依赖于处理器的性能。而逆变控制器大规模的控制运 算将会占用较多的c p u 时间，常使其无法进行时序事件控制管理，限制其性能的发挥。 第一章绪论 再者，现代数字控制算法复杂，而目前处理器进行运算多数还是串行方式，很难保证算 法的实时性和高速性。采用多m c u 并联系统又会增加成本，使控制器结构复杂，降低 其可靠性。f p g a ( 现场可编程门阵列) 的出现使这个问题有了一种新的解决方案。 自从1 9 8 5 年美国x i l i n x 公司率先发明f p g a ( 现场可编程门阵列) 的概念以来， f p g a 技术以其现场设计、现场修改、现场验证、现场实现的可达数万门级的数字系 统单片化的应用优势，随着亚微米c m o s 集成电路制作技术的成熟和发展，器件集成 度不断增大，器件价格不断下降的趋势，逐渐受到各国电子系统应用领城的设计工程师 的广泛关注和欢迎。时至今日，由于具有功能强、速度高、灵活性大和设计周期短等特 点，f p g a 技术不再是a s i c 技术领域的一个点缀和补充，而跃为电子应用( 包括通讯技 术、计算机应用、自动控制、仪器仪表、a s i c 设计) 等诸多领域受欢迎的实用技术， 成为数字系统科研实验、样机试制、小批量产品即时实现的最佳途径。 国内对f p g a 技术的开发起步较晚，但今年来f p g a 技术发展很快，已经成为一项 热门技术，同时随着f p g a 性能的提高，价格的下降，它的应用范围也越来越广泛。f p g a 已经进入了工业控制领域，在某些场合可以代替d s p 实现控制，但f p g a 的价格相对 还比较高，相信随着市场化的发展，其应用会越来越广泛。 将f p g a 应用在电力电子设备上，已经成为现代电源技术发展的重要趋势。但是， 由于我国是发展中国家，国内的中大功率的电源市场还未被开拓，有些产品还得依赖进 口，特别是在新型技术的应用上，相对于国外发达国家，国内的起步有些晚m 3 。因此希 望本课题研究能对我国中大功率电源市场的发展起到推进作用。 1 5 论文主要内容及创新点 电压型三相全桥p w m 变流器应用较多，而且其结构和控制策略都具有代表性。因 此本论文主要论述了利用f p g a 实现基于三相全控桥式拓扑结构逆变器的p w m ( s v p w m ) 信号发生器的设计。本论文分为六章，共分三部分。第一部分包括第一章， 第二章和第三章，为理论推导部分。主要讲述p w m 和f p g a 的理论计算极其推导过程， 指出p w m ( s v p w m ) 控制方式较其它控制方式的突出优点，f p g a 实现s v p w m 信号输 出的可行性和优点及设计中应注意的问题；第二部分包括四、五章，主要讲述本设计的 设计思想、具体实现方法和各部分框图，并对其中涉及到的问题进行数学分析和仿真； 第三部分为第六章即总结该控制技术并进行了展望与总结，展望与总结了本文研究工作 中用到的理论、方法和工具，指出了本设计的优缺点，提出了进一步改进完善的途径和 方法。 本课题的创新之处： 1 ) 本课题采用单片f p g a 芯片旨在使控制器的集成化的程度提高，增加控制系统 的可靠性与稳定性。实现p w m 信号的并行输出。并且采用了较传统算法更加先进的空 间矢量脉宽调制( s v p w m ) 控制算法。 2 ) 在实际的控制系统中不能忽视逆变器的死区问题，为了保证逆变器功率器件的 第一章绪论 可靠运行，必须要在控制系统中考虑死区延迟时间，在死区期间内上下桥臂的开关器件 都处于关断状态。因此在s v p w m 信号发生器i p 核的设计中考虑了死区时间控制。 第二章p w m ( s v p w m ) 原理 2 。1 引言 第二章p w m ( s v p w m ) 原理 p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术h 。即通过 对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需的波形( 含形状和幅值) 。它基于采 样控制理论中的一个重要结论：冲量( 窄脉冲的面积) 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。这里所说的效果相同是指环节的输出响应波形基本 相同。如果把输出波形用傅立叶变换分析，则低频段非常接近，仅在高频段略有差别。 上述原理可以称之为面积等效原理，它是p w m 控制技术的重要理论依据基础。例如， 可以把如图2 1 所示的正弦波看成是由n 个彼此相连的脉冲序列所组成的波形，这些脉 冲宽度相等，都等于27 r n ，但幅度不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉 冲宽度按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序 列代替，使矩形脉冲中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波 部分面积( 冲量) 相等，就得到图2 一l 所示的p w m 波形。可以看出，各脉冲幅值相等， 而宽度按正弦规律变化。根据面积等效原理，p w m 波形和正弦波是等效的。这种脉冲 宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的p w m 波形，也称s p w m ( s i n u s o i d a lp w m ) 波形 【4 2 图2 - 1 用p w m 波来等效正弦波 2 2p w m 变流器的分类，拓扑结构及控制方式 随着p w m 技术的发展，已设计出多种p w m 变流器，按不同分类方法分类如下：按直 第二章p w m ( s v p 砌i ) 原理 流侧储能形式可分为电压型和电流型；按电网相数可分为单相电路、三相电路和多相电 路；按p w l v l 开关调制可分为硬开关调制和软开关调制；按桥路结构可分为半桥电路和全 桥电路；按调制电平可分为两电平电路、三电平电路和多电平电路h 3 4 屯4 5 | 。 尽管分类方法多种多样，但最基本的分类方法就是将p w l v l 变流器分为电流型和电 压型这两大类，这主要是因为它们无论是在主电路结构、p w l v l 信号发生以及控制策略等 方面均有各自的特点，并且两者间存在电路上的对偶性。其他分类方法就主电路拓扑结 构而言，均可归类于电流型或电压型p w m 变流器之列。在实际应用中，电压型三相全桥 p 1 j | m 变流器应用较多，而且其结构和控制策略都具有代表性。电压型三相桥式p w m 变流 器电路结构如图2 - 2 所示： 图2 2 电压型三相桥式p w m 变流器结构图 n 根据2 1 节所讲述的p w m 控制的基本原理，如果给出了变流器的正弦波输出频率、 幅值和每周期脉冲数，p w m 波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算 结果控制各开关器件的通断，就得到所需的p w m 波形。这种方法称之为计算法。可以看 出，计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，都需要重新 计算。 与计算法相对应的是调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信 号作为载波，通过信号波的调制得到所需的p w m 波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作 为载波。当调制信号为正弦波时，所得到的就是s p 聊v l 波形，当调制信号为其他波形( 鞍 形波、梯形波等等) 时，也能得到与之等效的p w m 波。在p w m 控制电路中，载波频率，c 与调制信号频率，之比n = j c j ，称为载波比。根据载波和信号波是否同步及载波比的变 化情况，p w m 调制方式可分为异步调制与同步调制两种。 异步调制即载波信号和调制信号不保持同步的调制方式，通常保持载波频率c 固 定不变，因而当信号波频率，变化时，载波比n 是变化的。同时，在信号波的半个周期 内，p w m 脉冲个数不固定，相位也不固定，同一相及三相之间都存在不对称现象，当信 号波频率较高时，载波比减小，p w m 脉冲不对称的影响变大，有时信号波的微小的变化 还会产生p w m 脉冲的跳动，使得输出的p w m 波和正弦波的差异变大。 同步调制即载波比n 等于常数，在变频时使载波和信号波保持同步的方式。此时， 第二章p w m ( s v p w m ) 原理 信号波一个周期内输出的脉冲个数是固定的，脉冲相位也是固定的，可以通过选用合适 的n 使三相输出波形严格对称。但在逆变器输出频率很低时，同步调制时的载波频率也 很低，带来的谐波不易滤除，当负载为电动机时也会带来较大的转距脉动和噪音；当逆 变器输出频率较高时，同步调制时的载波频率会过高，使开关器件难以接受。 为了克服上述异步调制和同步调制缺点，可以采用分段同步调制的方法。即把逆变 电路的输出频率范围划成若干个频段，每个频段内都保持载波比为恒定，不同频段的载 波比不同。这样可以克服两者的缺点，在实际应用中具有重要意义。 2 3 逆变器输出的电压模式 对于图2 3 所示的三相1 8 0 0 导电型来说，同一桥臂上的功率开关器件工作于互补方 式，故三相逆变器六个功率开关器件共有八种开关模式m j 5 惦l 。 图2 3 三相桥式逆变电路的结构图 如定义上桥臂器件导通时桥臂状态为“1 ”，下桥臂器件导通时状态为“0 ”三个桥臂 的状态分别用s 。，鼠，鼠表示，则逆变器的八种开关模式见图2 4 ；这八种开关模式所 形成的电压空间矢量见图2 5 所示。在这些八种开关模式中，有六种开关模式对应的电 压空间矢量的幅值为2 u ，如3 称为非零电压空间矢量( u 玑) ；有两种开关模式对应的 空间电压矢量的幅值为零，称为零电压空间矢量( 砜，坼) 。当零矢量作用于电机时，不 形成磁链矢量；而当非零矢量作用于电机时，会在电机中形成相应的磁链矢量。 第二章p w m ( s v p w m ) 原理 + + 醌( 0 0 0 ) 、 1i uf v l 一 碍( o o i ) 巩二_ + + 巩( o l o ) 配( 1 0 i ) 巩( 1 i o )碥( 1 1 1 ) 图2 4 开关的八种模式 2 4s v p w m 原理及分析 空间矢量p w l v i ( s v p 刖i ) 也叫磁通正弦p 1 l m 法，其控制策略是依据变流器空间电压( 电 流) 矢量切换来控制变流器的一种新颖思路的控制策略h 引。它由日本学者在2 0 世纪8 0 年代初针对交流电动机变频驱动而提出h 副，其主要思想在于抛弃了原有的正弦波脉宽调 制( s p w m ) ，而是采用逆变器空间电压矢量的切换以获得准圆形旋转磁场，从而在不高 的开关频率下，使交流电动机获得了较s p w m 更好的性能，主要表现在：s v p w m 提高了电 压型逆变器的直流电压利用率和电动机的动态响应性能，同时还减小了电机的转距脉动 等。而且简单的矢量模式切换更易于逻辑器件的实现。 2 4 1 三相逆变器空间电压矢量分布 用三相空间电压矢量描述三相变流器交流侧相电压( 甜一、材b 0 、越c o ) 在复平面上 的空间分布得： u a o2 b 。一1 3 ( j 。+ + & ) k ( 2 - 1 ) 第二章p w m ( s v p w m ) 原理 “6 0 = b 6 1 3 ( s 。+ s 6 + s 。) 】u 出 l f 。o = i s 。一1 3 ( s 。+ s 6 + & ) p 如 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 式中s a 、墨为三相单极性二值逻辑开关函数。 将2 3 = 8 种开关函数组合代入式( 2 一1 ) ( 2 3 ) ，即得到相应得三相变流器交流 侧电压值，如表2 一l 所示： 表2 1 不同开关组合时的电压值 s as bs c 甜口0i u b o”c 0 坛 o0o o00v o 00l 1 r r 1 ， 2 ， v 5 一= u d c一= 出= u 出 jjj 0 1o1 r r 三， 1 rr v 3 一：u 出 3 。出 一= u 如 jj 0112 r r 三r ， 1 ， v 4 一：ud c 3 。出 ：u 出 jj 1o0 2 u 出 1 ， 一昙 v l j 一二ud c jj 1o1 = 1u 出 ， 1 ， v 6 一三：u 虎 jjj 1l0 昙 1 ， 2 ，v 2 一= u 出 i u d c j j j 11lo00 v 7 分析上表不难发现，三相逆变器不同开关组合时的交流侧电压可以用一个模为 2 3u 办的空间电压矢量在复平面上表示出来，由于开关组合有限，因而空间电压矢量只 有2 3 = 8 条，如图2 3 所示：其中v o ( 000 ) 和k ( 1 11 ) 由于模为零而称为零矢量。 显然，每一开关组合就对应一条空间矢量，、材。、即为该矢量在三轴( a ，b ，c ) 上的投影。 上述分析表明，复平面上三相变流器空间电压矢量k 表述成开关函数形式为： k 。了2 吃( s 口+ s b e y 2 * r 3 + s 叮伽7 3 ) ( k = 0 ，7 ) ( 2 - 4 ) 对于任意给定的三相电压瞬时值“。、甜。，若考虑三相为平衡系统，即 第二章p w m ( s v p i 删i ) 原理 “a o + 材b o + 甜c o = o ，则可在复平面内定义空间电压矢量： 一2 v = 一( “口o + oe ，2 f 7 3 + u c oe - ，2 f7 3 ) 3 、 7 ( 2 - 5 ) 式( 2 - 5 ) 表明：如果、1 1 b o 、是角频率为c o 的三相对称正弦波电压，那么矢 量v 即为模为相电压峰值，且以角频率按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，而空间矢 量v 在三相坐标轴( a , b ，c ) 上的投影就是对称的三相正弦量。 实际上，对于对称的三相v s r 拓扑结构，有 v = 2 ( “a 。+ “6 。e j 2 石1 3 + 甜c 。p 一2 ，r ，3 ) j = 了2 【( 一。h 。) e j 2 , t 1 3 h 。) e - j 2 2 1 3 】 = 2 - j v 州+ e j 2 l t 3 + e - j 2 l t l 3 】 2 。4 2 空间电压矢量的合成 ( 2 6 ) 由上述分析可知，对于任意一给定的空间电压矢量v ，均可由8 条电压矢量合成， 如图2 5 所示。 c 图2 5 空间电压矢量及其合成 图2 5 中，6 条模为三3 出的空间电压矢量将复平面均分为六个扇形区域( i - v i ) ， 第二章p 删( s v p w m ) 原理 对应于任一扇区中的电压矢量v 枣，均可以由该扇区两边的电压矢量来合成。如果v 在 复平面是匀速旋转，就对应得至u t - - 相对称的正弦波。实际上，由于开关频率和矢量组 合的限制，v 幸的合成矢量只能以某一步进速度旋转，从而