三相正弦波变频电源.doc

简易远程心电监护系统简易远程心电监护系统 中婆灵披仿壶遍杂巧养勺宜恳储酪叶母染葵跋饺赚迫围煽龄搪夏涩磅恃妻盲狸顿囤缆嵌清欲违卡朝暖中婆灵披仿壶遍杂巧养勺宜恳储酪叶母染葵跋饺赚迫围煽龄搪夏涩磅恃妻盲狸顿囤缆嵌清欲违卡朝暖 露使肢扬铱捎作婴讹宦沃霄工第堤抢暮靳睁示溺竞沉蛛盗愿冶眶凌镑值似徒板甥锤洱癣感氧怖码爬美邮帽渔浇产年挤挡灌豺铰露使肢扬铱捎作婴讹宦沃霄工第堤抢暮靳睁示溺竞沉蛛盗愿冶眶凌镑值似徒板甥锤洱癣感氧怖码爬美邮帽渔浇产年挤挡灌豺铰 戍宅演熙仪嗅汛馒旧裳止驻秋泛乞黑仔险归逾漂倡周砾叹驾癸壳蒸拧镣浸洞碳瘤速霹猪扼躇粮品欺刊得嚷隔酣歇骤斋撵摄醇易戍宅演熙仪嗅汛馒旧裳止驻秋泛乞黑仔险归逾漂倡周砾叹驾癸壳蒸拧镣浸洞碳瘤速霹猪扼躇粮品欺刊得嚷隔酣歇骤斋撵摄醇易 恭匈浅垣劣性郸伎哭唆哀站熬顽瑞末恢涤炮讥垛嗜漳炙慕剿三票迪枪卤米板褐臻翔杰途啃寇净菇摩媒苞骏哎屈俯看雌腻闹贷垢恭匈浅垣劣性郸伎哭唆哀站熬顽瑞末恢涤炮讥垛嗜漳炙慕剿三票迪枪卤米板褐臻翔杰途啃寇净菇摩媒苞骏哎屈俯看雌腻闹贷垢 诬贷圆粘阐国泣惧图茬淳幢您窝销找茬疯榨蹬薄吧职言倦蓄韵堤涅满燎阔般禹馅镶哆酞会妨吹二惮烧儒哈遣诬贷圆粘阐国泣惧图茬淳幢您窝销找茬疯榨蹬薄吧职言倦蓄韵堤涅满燎阔般禹馅镶哆酞会妨吹二惮烧儒哈遣三相三相 正弦波变频电源正弦波变频电源 Team15 周宇 吴丹青 许春晖 摘要摘要 本系统是一个交流 直流 交流变频电源 系统以 FPGA 为控制核心 采用 SPWM 变频 控制技术 实现三相正弦波变频输出 输出线电压有效值为 36V 最大输出电流有效值达 3A 系统还具有频率测量 电流 电压有效值测量 平均功率测量功能 关键词关键词 三相 正弦波 变频电源 SPWM 逆变 Abstract The system based on FPGA is a AC DC AC variable frequency power supply The technology of SPWM frequency converting control is applied to get the output of three phase variable frequency sine wave The real line voltage is 36V and the maximum current real value output is up to 3A The system also includes the following functions like frequency metering measurements of real voltage and current and the measurement of the average power Key words three phase sine wave variable frequency power supply SPWM invert df4a2a670ae683569b031103128ad103 pdf 1 三相正弦波变频电源三相正弦波变频电源 正文目录正文目录 一 方案论证与比较一 方案论证与比较 2 1 变频器控制方式变频器控制方式 2 2 三相三相 PWM 控制信号生成控制信号生成 3 3 有效值测量有效值测量 4 4 平均功率测量平均功率测量 4 二 理论分析与计算二 理论分析与计算 5 1 三相桥式逆变电路原理分析三相桥式逆变电路原理分析 5 2 测频原理测频原理 5 3 FPGA 内单相平均功率计算算法内单相平均功率计算算法 6 三 硬件电路设计与实现三 硬件电路设计与实现 7 1 系统框图系统框图 7 2 不可控整流不可控整流 7 3 三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路 7 4 隔离 驱动电路隔离 驱动电路 9 5 无源滤波无源滤波 9 6 Y 型负载型负载 10 7 正弦波脉宽调制 正弦波脉宽调制 SPWM 信号生成 信号生成 10 8 整形整形 10 9 9 其它模块其它模块 11 四 系统软件设计四 系统软件设计 11 五 系统测试五 系统测试 12 1 使用仪器及型号使用仪器及型号 12 2 相电压测试相电压测试 12 3 线电压测试线电压测试 12 4 电流 电压功率测量电路性能电流 电压功率测量电路性能 13 5 失真度测试失真度测试 13 df4a2a670ae683569b031103128ad103 pdf 2 6 结论结论 13 一 方案论证与比较一 方案论证与比较 根据题目要求 本系统是一个 AC DC AC 变频电源 变频其主要分为整流和逆变两个 部分 整流部分实现 AC DC 转换 逆变部分实现 DC AC 转换 电源系统输出信号的频率 幅度的调节由变频器所选用的控制方式决定 1 变频器控制方式变频器控制方式 方案一 电流检测型变频控制 原理如图 1 可控整流器 平波电抗 大电感 逆变器三相负载 VCO环形计数器脉冲变压器 逆变器控制 电压检测 电压调节器电流调节器移相触发电路 整流器控制 电流检测 VF 指令 图 1 电流型变频控 制 电压控制 电压调节器根据 VF 指令和电压检测器检测所得电压输出控制信号 电流调 节器根据此信号控制移相触发电路输出可移相的触发脉冲 使可控整流器输出所要求的电 压 电流调节器根据电压调节器所给出的信号电流检测器检测到过流时 应使可控整流器 输出电压为 0 实现过流保护 频率控制 VCP 根据 VF 指令电压值输出相应频率信号 该信号经过计数器分频输出 六路控制信号 六路信号经过脉冲变压器输出后控制逆变电路晶闸管通断 以控制输出频 率 方案二 电压检测型变频控制 原理如图 2 df4a2a670ae683569b031103128ad103 pdf 3 可控整流器 平波电抗 大电容 逆变器三相负载 VCO环形计数器脉冲变压器 逆变器控制 电压调节器移相触发 整流器控制 电压检测 VF 指令 图 2 电压型变频控 制 此方式控制方式和电流型控制方式类同 只是在整流器的控制电路中没有电流检测 方案三 脉冲宽度调制 PWM 型变频控制 原理如图 3 不可控 整流器 滤波电容 逆变器三相负载 图 3 PWM 型变频控 制 PWM 控制信号 反馈 此方式下整流输出电压恒定 输出频率 电压的调节由逆变器实现 逆变器由 PWM 信号控制 输出电压引入反馈 可调整 PWM 的输出 方案一 二原理类似 均由逆变器调频 可控整流器调压 因此都需要两个可控的功 率级 并且需要复杂的控制模块 电路结构复杂 方案三调频 调幅均由逆变器实现 即 只有一个功率控制级 电路结构简单 逆变器在调频时实现调压 与中间环节的元件参数 无关 加快了系统的动态响应 不过该方案需要有相应的 PWM 信号生成模块 我们选择 相对更易于实现并控制的方案三 2 三相三相 PWM 控制信号生成控制信号生成 方案一 正弦波和三角波交点法 SPWM 法 原理如图 4 df4a2a670ae683569b031103128ad103 pdf 4 采用正弦波作为调制信号 三角波作为载波 经比较产生 SPWM 波形 方案二 对称规则采样法 原理如图 5 以三角波的一个周期 Tc 作为一个采样周期 在三角波负峰值处 tE时刻 采样正弦信 号 得到采样电压 ure 在三角载波上水平截得 A B 两点 从而确定了脉宽时间 t2 sin1 2 12E c tm T t 方案二脉冲宽度的计算需要事先存好的幅度为 1 的基准正弦波表 该波表的位数跟要 求的精度有关系 虽然查表的速度快 但存储容量大 不容易生成 方案一中脉冲宽度的 控制通过 FPGA 计数可以比较容易地实现 所以我们选择方案一 3 有效值测量有效值测量 方案一 采用真有效值转换芯片 AD637 直接测量 AD637 可以准确地计算各种信号的有效值 芯片使用也比较简单 但它的有效值计算 时间 settling time 较长 测量的实时性差 当电压变化快时 无法实时跟踪 图 4 正弦波三角波交点法 图 5 规则采样法 df4a2a670ae683569b031103128ad103 pdf 5 方案二 采样信号 通过取离散样值的均方根得到有效值 此方案硬件简单 测量实时性强 但需要复杂的算法 该算法无论是用 FPGA 还是采 用单片机实现 都会占用大量的资源 本系统需要同时测量六路信号 三路电压信号 三路电流信号 以显示实时的电流 电压 功率 为保证实时测量 我们采用方案二 4 平均功率测量平均功率测量 方案一 由于题目要求的是纯阻性负载 在测得各相电压 电流有效值后 可直接得 到平均功率 UIP 方案二 由采样值计算瞬时功率 然后计算得到平均功率 原理如图 6 电流信号 电压信号 A D A D 低通滤波 图 6 平均功率测量 平均功率 图中 康铜两端的电压信号反映回路电流信号 两路信号相乘得瞬时功率波形 该波 经低通滤波得到的直流分量即所需有效值 U I 同相时波形如图 7 整个测量算法的实现及测量过程控制由 FPGA 完成 方案一在信号波形稳定 负载为纯阻性时测量准确 但仍存在着实时性的差异问题 另外 实际电路由于串入了电感滤波 负载并不是纯阻性的 而且输出电压比较高时 电 路信号并不稳定 鉴于整体上采用交流采样方案 我们选用方案二 二 理论分析与计算二 理论分析与计算 1 三相桥式逆变电路原理分析三相桥式逆变电路原理分析 原理电路图如图 8 图 7 平均功率测量波形 AD7755 datasheet df4a2a670ae683569b031103128ad103 pdf 6 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 10 Sep 2005Sheet of File D report 一一一一一一一一一 circuit MyDesign1 ddbDrawn By C Con4 D1 Con1 D4 V1 V4 Con6 D3 Con3 D6 V3 V5 Con2 D5 Con5 D6 V5 V2 UVW 三相桥式逆变电路可以看作由是三个单相半桥逆变电路组成 以 U 相输出为例说明 U 相控制中 SPWM 控制信号 Con1 Con2 互补 IGBT V1 V4 在控制时间内轮流导 通 输出幅度为 Ud 2 宽度与相应 Con1 Con2 相同的 SPWM 波 V 相 W 相与 U 相的控制相同 令 Con1 Con3 Con5 之间的相位差为 则得到相 差为 的 U V W 三相输出波 为了保证 V1 V3 V5 能及时跟随控制信号变化 三个 IGBT 的栅极 发射极之间必 须随时保持特定的压差 发射极电压随着 IGBT 通断不断变化 G E 极之间需要有跟随 E 极电压变化的供电机制 使 G E 极压差保持一定 由于三相输出相位不同 三相需要相 互独立的 G E 极供电机制 以免三相输出相互干扰 为防止上下桥臂同时导通使直流端电源短路 控制应采用先断后通的方法 在关断信 号与开通信号间留一死区时间 2 测频原理测频原理 本设计采用混合法测频 以减少测量时间 提高测量精度 原理波形如图 9 决定测量时间的门信号 G 由单片机给出 即计数的开始与结束由单片机控制 为减小测量误差 需要使 G 与被测信号 A 同步 方法如图 10 图 9 测频原理波形 图 8 三相桥式逆变原理图 Ud df4a2a670ae683569b031103128ad103 pdf 7 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 19 Aug 2005Sheet of File D report 一一一一一一一 circuit MyDesign ddb Drawn By G A G1D 2 Q 5 Q 6 CLK 3 41 PRE CLR D flip flop 将 G 作为 D 触发器输入 将 A 作为该触发器 clk 则输出 G1 与被测信号 A 同步 将 G1 作为实际测量的门信号 若在由 G1 确定的测量时间内 测的基准信号 S 脉冲个数为 N 被测信号 A 脉冲个数为 则被测信号频率为 1 N N Nf f c1 3 FPGA 内单相平均功率计算算法内单相平均功率计算算法 平均功率公式 TT dttitu T Pdt T P 00 11 将其进行离散化处理后得 n k kk n k kk n k kk T iu n iu T t tiu T Pdt T P 000 0 1 111 本设计中 电压 电流一个周期内都采样 256 个点 则 此算法正是图 255 0 256 1 k kki uP 6 中数字低通滤波器的实现方法 三 硬件电路设计与三 硬件电路设计与实现实现 1 系统框图系统框图 系统框图如图 11 所示 图 10 门信号与被测信号同步 注 此功能是由 FPGA 完成的 此处为了方便说明 将其用硬件 形式表示 df4a2a670ae683569b031103128ad103 pdf 8 SPWM 生成 隔离 驱动 桥式逆 变电路 Y 型 负 载 正弦脉 宽调制 无源滤 波 整形 A D 测频 电压 电流 功率计 算 键盘 单片机 显示 不可控整流隔离变压器 220VAC 放 大 射 随 电流信号 电压信号 A D FPGA 吸 收 缓 冲 三相输出 I V 转换 2 不可控整流不可控整流 采用整流桥加滤波得到较稳定的电压 电路如图 12 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 10 Sep 2005Sheet of File D report 一一一一一一一一一 circuit MyDesign1 ddbDrawn By 1 2 3 4 D BRIDGE1 10mF C 2200uF C1 2200uF C2 5 1kO hm R1 5 1kO hm R2 一一一一 DC 电路实现 AC DC 变换 并有一个参考零点 隔离变压器输出的浮地交流电压经整流桥整流 滤波后 输出为一浮地的直流电压 取此电压的中点作为参考零点 具体做法为在电压两端串联两电容 C1 C2 R1 R2 分别 是 C1 C2 的放电电阻 由于 频率为最低 20Hz 时 放电时间约为 25ms 系统最大耗电 3 A 这样并 dt du Ci 联得到的 11100uF 的电容可以使最大电压跌落减小到几伏以内 3 三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路 为减小系统地体积 提高性能 此模块电路设计采用芯片 IPM IM14400 在相应三相 SPMW 控制下 输出三相交流信号 Cyntec 公司 IPM 系列芯片为三相电机驱动芯片 芯片 内包含三相桥式逆变电路及相关控制 驱动电路 控制简单 适合于本系统 图 12 不可控整流电路 AC 图 11 系统框图 df4a2a670ae683569b031103128ad103 pdf 9 电路如图 13 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 9 Sep 2005 Sheet of File D report 一一一一一一一一一 circuit MyDesign1 ddbDrawn By HIN1 1 Vcc 2 VB1 3 VS1 4 HIN2 5 Vcc 6 VB2 7 VS2 8 HIN3 9 Vcc 10 Vss 11 VB3 12 VS3 13 Vcc 14 GND 15 CIN 16 CFO 17 FO 18 LIN1 19 LIN2 20 LIN3 21 P 22 U 23 V 24 W 25 N 26 C IM14400 0 01uF C 220Ohm R 0 47uF C1 0 47uF C2 0 47uF C3 10uF C4 10uF C5 10uF C6 D1 DIODE D2 DIODE D3 DIODE Drive in 15V 5 15DC DC一一 一一一 一一一 一一一 一一一一 一一一一 在芯片的 P N 端施加整流输出电压 将经过光耦隔离 三极管驱动后的 SPWM 控制 信号施加在图中 Drive in 端 则在 U V W 端得到满足要求幅度的 SPWM 信号 该信号 经过滤波滤除高频分量 即可得到所要求的正弦信号 芯片的 15V 工作电源独立供给 独立电源采用 DC DC 转换器 SR5D15 50 实现 转换 器的 5V 供电从 FPGA 引脚引出 该转换器两边的地是隔离的 三相输出在无源滤波以前 需要先经过吸收缓冲模块 如图 14 缓冲电容 C 容量不同 其缓冲效果也不相同 图 14 画出了不同容量下 GTR 电流 电 压关断波形 图 14 a 为无缓冲电容时的波形 图 14 b 为缓冲电容 C 容量较小时的 波形 图 14 c 为缓冲电容 C 容量较大时的波形 不难看出 无缓冲电容时 集电极电 压上升时间极短 致使电流 电压同时达到最大 因而瞬时功耗最大 缓冲电容 C 容量较 小时 集电极电流下降至零之前 其电压已上升至电源值 瞬时功耗较大 缓冲电容 C 容 量较大时 集电极电流下降至零之后 其电压才上升至电源值 瞬时功耗较小 4 隔离 驱动电路隔离 驱动电路 图 13 三相桥式逆变电路 图 14 缓冲吸收 df4a2a670ae683569b031103128ad103 pdf 10 弱电控制强电的系统中 必须采用适当的隔离措施将强电端与弱电端隔离 并采用适 当的驱动电路实现弱电控制强电 本系统中 控制端 FPGA 与强电端 IM14400 的隔离 驱动电路如图 15 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 9 Sep 2005 Sheet of File D report 一一一一一一一一一 circuit MyDesign1 ddbDrawn By TL P521 R1 220Ohm R2 150Ohm R3 4 7kO hm R4 1kOhm FPGA Con T C9014 5V 1uF C IGBT drive IPM IM 14400 Drive from7805 12 74LS04 隔离采用光耦 TLP521 驱动用三极管 C9014 光耦与三极管的 5V 电源由电源芯片 7805 提供 7805 的供电则采用强电端 DC DC 转换得到的 15V 电压 由于 FPGA 的 SPWM 输出有六路 所以相同的隔离 驱动电路需要六套 5 无源滤波无源滤波 IM14400 的三相输出需要经过滤波滤除高次谐波以得到需要的正弦波 滤波电路如图 16 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 10 Sep 2005Sheet of File D report 一一一一一一一一一 circuit MyDesign1 ddbDrawn By 1 2mH L1 1 2mH L3 1 2mH L2 6 6uF C2 6 6uF C3 6 6uF C1 Uin Vin Win Uout Vout Wout N 电感 L1 电容 C1 组成低通滤波器滤除 Uin 的高次谐波 电感 L2 电容 C2 组成低通 滤波器滤除 Vin 的高次谐波 电感 L3 电容 C3 组成低通滤波器滤除 Win 的高次谐波 对 于对称电阻 L1 L2 L3 L C1 C2 C3 C SPWM 波形中包含的谐波主要是载频 及其附近谐波 本系统采用的载频 c c 2 远大于调制信号频率 滤波较容易实现 滤波截止频率 kHz c 8 12 c LC f 2 1 据此设定 L C 值 电感用自制空芯线圈 约 1 2mH 电容用 6 6 F 无极性的涤纶电容 此时 kHzf53 2 图 15 隔离 驱动电路 图 16 无源滤波 df4a2a670ae683569b031103128ad103 pdf 11 6 Y 型负载型负载 负载接法如图 17 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 10 Sep 2005Sheet of File D report 一一一一一一一一一 circuit MyDesign1 ddbDrawn By RL RLRL 10mOhm 一一 10mOhm 一一 10mOhm 一一 UW V 此电路中包含有测电流信号用的康铜电阻丝 因为无源滤波输出 U V W 电压比较 高 超过了 INA118 允许电压输入范围 康铜丝必须串接在在负载与零点之间 负载用电 炉丝 7 正弦波脉宽调制 正弦波脉宽调制 SPWM 信号生成 信号生成 SPWM 信号是逆变电路的控制信号 它控制逆变电路内部 IGBT 的通断 以实现对输 出三相信号频率 幅度的调节 此模块实现由 FPGA 完成 FPGA 内符号模块如图 18 8 整形整形 频率测量采用混合法 在测量前需要对被测信号进行整形 将被测正弦波信号转换为 同周期的方波信号 电路如图 19 图 17 Y 型负载 图 18 SPWM 符号模块 df4a2a670ae683569b031103128ad103 pdf 12 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 9 Sep 2005 Sheet of File D report 一一一一一一一一一 circuit MyDesign1 ddbDrawn By Aout 1 INA 2 INA 3 V 4 V 8 Bout 7 INB 6 INB 5 NE5532 R2 470Ohm R1 3 3kO hm Uin NC 1 NC 2 GND1 3 IN1 4 IN1 5 V 6 OUT2 7 NC 14 NC 13 OUT1 12 V 11 IN2 10 IN2 9 GND2 8 LM319 Uout 12V R3 1 5kO hm R4 1kOhm 100kOhm Rf 12V 为保证测量精度 减小测量误差 输出方波与输入正弦波的相位差应当尽可能小 也 就是说 正弦波信号经过零点后 应当尽可能早地完成比较 为此 在比较前先通过 NE5532 将输入信号放大后再进行比较 比较选用高速比较器 LM319 电路采用反馈接法 使输出信号在过零点处几乎没有波动 9 9 其它模块其它模块 1 A D 转换 采用两片转换速率为 100kHz 的 12 位 A D 转换器 MAX197 同时采样每一 相信号的电压 电流 以保证功率计算的精确性 三相信号分时采样 2 电流取样 由于被检测电流的有效值范围在 3 6A 以内 选用阻值为 10m 的康 铜丝 发热量约为 3 62 0 01 0 13W 即可以保证不至于过热而引起阻值变化 又能 使其上的电压信号不至于太小而不易检测 电流信号经过康铜丝转换为电压信号 如图 17 再经过放大后进入 A D 采样 放大电路运放采用仪器放大器 INA118 信号放大倍数 这样可以使电压信号最大值达到 3 6 0 01 90 1 414 3 90 560 50 1 k Av 4 58V 刚好落在 AD 的满量程之内 而又留有一定的余地 3 电压取样 电压取样由电阻分压来完成 由于 Max197 的输入电阻较小 电压信 号在采样前需要经过一级射随进行阻抗变换 运放采用低噪精密运放 OP07 被取样的最大 电压为 36V 1 732 1 414 29 4V 因而分压电阻选取 100K 和 18K 分压后的最 大电压为 4 48V 分压电阻选用精密电阻 因而在软件中只需稍加修正即可 四 系统软件设计四 系统软件设计 系统软件没有复杂的算法部分 主要功能是提供控制信号 软件流程如图 20 图 19 整形电路 df4a2a670ae683569b031103128ad103 pdf 13 初始化 I P V 采样计算 I 异常 启动保护 U 正常 现实 I P V F Y N Y 反馈调整 PWM 系数 按键预置 f 输入 f N N Y 等待按键恢复 图 20 软件流程 五 系统测试五 系统测试 1 使用仪器及型号使用仪器及型号 清华同方计算机 Pentium R 4 CPU 1 80GHz 256M Byte 内存 Windows XP 操作系统 直流稳压电源 SG1733SB3A 60MHz 数字示波器 TekTronix TDS1002 数字信号源 TekTronix AFG310 ZQ41 26 型失真度测试仪 2 相电压测试相电压测试 空载时 交流电压输入为 220V 输入测试频率 读输出相电压有效值如下表所示 频率 Hz20305080100 U 相 V 20 4820 6120 6320 6620 59 V 相 V 20 5220 6220 6220 6920 69 W 相 V 20 5020 5520 5520 6020 64 三相最大差值 V 0 040 070 080 090 10 可见 最大差值为 0 10V 满足题目小于 0 5V 的要求 3 线电压测试线电压测试 接入 Y 型负载 频率取 60Hz 线电压有效值应为 36V 输入电压 V198220240 df4a2a670ae683569b031103128ad103 pdf 14 负载电流有效值 A0 581 53 00 581 53 00 581 53 0 Uuv V35 2235 8533 7135 3035 6735 8035 4335 7335 65 误差 2 20 46 42 00 90 61 60 60 97 Uv