图 2.1系统总体框图

3 系统主要功能的实现

 

3.1系统主要功能的实现

 

为减小系统的体积，提高性能。此模块的电路设计采用芯片IPM IM14400，在相应三相SPWM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IGBT功率管及相关控制、驱动电路，控制比较简单，适合用于本系统。电路如图4-3所示。

在芯片的P、N端施加整流输出的支流电压，SPWM控制信号经过光耦隔离、三极管驱动后施加在图4-3的SPWM端，则在UVW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波信号。

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。该转换器的输出是隔离。600)makesmallpic(this,600,1800);'' src="/uploadfile/201310/4/4D164255609.png" width="643" height="523" />图3.1三相桥式逆变电路

3.2 PWM 信号的产生方式

 

按照 SPWM 控制基本原理, 在三角波和正弦波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断。如果采用自然采样法,会增加硬件的复杂度, 但因该系统是以 FPGA 为控制核心,可方便地实现。 把正弦波波形表存入存储器中, 同时利用加法器和减法器生成三角形载波, 再通过数字比较器产生所需要的波形。该方案具有可靠性高,可重复编程, 响应快, 精度高等特点, 其原理如图 3.2 所示。

600)makesmallpic(this,600,1800);'' src="/uploadfile/201310/4/F3164257146.png" width="424" height="96" />

图3.2 PWM信号的产生原理图

三角波产生电路,如图3.3所示为通用三角波产生电路，该电路中，运算放大器A1，A2是正负峰值检波积分器，C1为保持电容。该电路能适应很宽的测试范围，具有很好的线性和振幅稳定性。振荡频率取决于积分时间常数R3，C2，若VA=8V，这时的振荡频率为1KHZ。电容C1与C2的比值取20：1。。运算放大采用741。

600)makesmallpic(this,600,1800);'' src="/uploadfile/201310/4/2F164258971.png" width="409" height="201" />

图3.3三角波产生电路

3.3 SPWM 调制方式的选择

 

载波比恒定的调制方式称为同步调制。同步调制时PWM脉冲在一个周期内的个数是恒定的, 脉冲的相位也是固定的, 将调制比设定为 3 的整数倍时, 可以使输出波形严格对称, 从而有效降低信号的谐波分量。但是,当逆变电路的输出频率比较低时, 同步调制载波的频率也很低, 过低时不易滤除调制带来的谐波, 当逆变电路的输出频率很高时, 同步调制载波频率也过高, 这将使开关器件的开关损耗增大。载波信号和调制信号频率不保持同步的调制方式称为异步调制。异步调制时保持载波时钟频率不变, 当调制正弦波的频率发生变化时, 载波比跟随变化, 在调制波的一个周期内 PWM 脉冲的个数不固定, 相位也不固定。正负半周期

脉冲不对称, 半周期内前后周期的脉冲不对称, 造成信号的谐波分量较丰富, 给后级滤波电路造成困难。

该系统的逆变器输出频率在 20～100 Hz, 输出信号的频率较低。设计采用 IM14400 作为逆变电路, IM14400 的 PWM输入频率范围为 5 kHz～0.3 MHz, 可以选择很高的载波比。在异步调制方式下, 当载波比很大时, 正负半周期脉冲不对称和半周期内前后周期的脉冲不对称造成的谐波分量都很小, PWM 脉冲接近正弦波。此设计的调制方式选择异步调制方式, 载波频率固定为 29.2 kHz。

3.4FPGA控制模块

 

采用FPGA作为系统的总控制模块,其中的波形发生器控制电路通过外来控制信号和高速时钟信号，向波形数据ROM发出地址信号，输出波形的频率由发出的地址信号的速度决定；当以固定频率扫描输出地址时， 模拟输出波形是固定频率。同时，还控制数码管动态显示频率和幅度预置值。   

4 理论分析与参数计算

4.1 SPWM 逆变电源的谐波分析

 

在调制度 α一定, 在三相共用一个载波信号的情况下, 对输出线电压进行频谱分析, 由此可发现, 输出线电压的谐波角频率为:ω=nωc±kωr (1)式中: 当 n 为奇数时, k=3(2m- 1)±1, m=1,2……;当 n 为偶数时, k= 6m+1   6m-1, k=6m+1,m=0,1,2… ;k=6m- 1,m=1,2…。

由式(1)可知, 输出线电压频谱中没有载波频率 ωc 的整数倍次谐波分量, 谐波中幅值较高的谐波分量是 ωc±ωr 和2ωc±ωr。

从上述分析可知,SPWM 波形中所含的谐波主要是角频率为 ωc、2ωc 及其附近的谐波。由于采用了异步调制方式, 故最小载波比 k=ωc/ωr=168, 所以 PWM波形中所含主要谐波分量的频率比基波分量的频率高很多, 谐波分量易被滤出。

4.2 载波频率的选择

 

由 SPWM逆变电源的谐波分量分析可知,SPWM 电压源逆变器输出线电压谐波分量分布在 ωc 周围, 提高 SPWM的载波频率 fc 将使逆变器输出线电压的主要谐波分量分布在较高的频段, 从而使逆变器的输出电压失真度很低。但是提高 fc, 会使逆变器中功率开关管的开关频率提高, 这将大大增加逆变器的开关损耗。此外, fc 提高还受到硬件的限制。通常情况下 IM14400 的关断延迟 Toff=0.9 μs, 开启延迟时间Ton=0.73 μs, 由于其关断延迟大于开启延迟, 易造成同一相上下两个桥臂同时导通。实际电路中由于硬件的时延, SPWM采样时刻的误差, 以及为了防止同一相上下两个桥臂同时导通而设置了死区。IM14400 的最小死区时间 tdead 设为 3 μs。SPWM脉冲的每一个开关脉冲之前都要加一个至少 3 μs 的死区时间 tdead, 当 IM14400 的开关周期 Tg≥ 3 μs, Tg 和载波周期 Tc 相等, 所以 fc≤0.33 MHz。IM14400 要求输入的最低PWM脉冲频率 5 kHz, 所以 5 kHz≤fc≤0.33 MHz 。死区和开关时延是限制 fc 提高的最主要因素。fc 越大, Tg 越短, tdead/Tg就越大, 逆变器的输出电压谐波分布也越复杂。

综上因素考虑, 系统设计中选定 fc=29.2 kHz, 它在 20～100 Hz 的频率范围内, 其载波比 292<k<1460。

4.3 FPGA 内单相平均功率计算算法

 

平均功率公式为:

600)makesmallpic(this,600,1800);'' src="/uploadfile/201310/4/C9164259919.png" width="310" height="65" />

将其离散化处理后得:

600)makesmallpic(this,600,1800);'' src="/uploadfile/201310/4/9916430265.png" width="459" height="76" />

设计中, 一个周期内电压和电流都采样 256 个点, 则

600)makesmallpic(this,600,1800);'' src="/uploadfile/201310/4/0D16431347.png" width="202" height="69" />

5. 应用程序设计部分

 

5.1 VHDL硬件描述语言简介

 

采用VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Descriptipon Language）超高速集成电路硬件描述语言设计复杂数字电路的方法具有很多优点，VHDL语言的设计技术齐全、方法灵活、支持广泛。

VHDL语言的系统硬件描述能力很强，具有多层次描述系统硬件功能的能力，可以从系统级到门级电路，而且高层次的行为描述可以与低层次的RTL描述混合使用。VHDL在描述数字系统时，可以使用前后一致的语义和语法跨越多层次，并且使用跨越多个级别的混合描述模拟该系统。因此，可以对高层次行为描述的子系统及低层次详细实现子系统所组成的系统进行模拟。

5.2 正弦波顶层设计程序

 

LIBRARY IEEE;  --正弦信号发生器源文件

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY SINGT IS

PORT(CLK:IN STD_LOGIC;  --信号源时钟

 DOUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0));  --8位波形数据输出

END;

ARCHITECTURE DACC OF SINGT IS

COMPONENT data_rom  --调用波形数据存储器LPM_ROM文件:data_rom.vhd声明

PORT(address:IN STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0); --6位地址信号

 inclock:IN STD_LOGIC; --地址锁存时钟

 q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0));

END COMPONENT;

SIGNAL Q1: STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0);--设定内部节点作为地址计数器

BEGIN

PROCESS(CLK)--LPM_ROM地址发生器进程

BEGIN  

IF CLK''EVENT AND CLK=''1'' THEN

Q1<=Q1+1; --Q1作为地址发生器计数器

END IF;

END PROCESS;

u1:data_rom PORT MAP(address=>Q1,q=>DOUT,inclock=>CLK);--例化

END ;

6结论

 

6.1取得的成绩

 

本系统初步达到了基本要求，整个系统运行稳定，甚至能在三相电流都达到3安得情况下长时间工作。各项保护均能够精确动作，测试效果比较理想。系统还扩展了频率步进、手动紧急断电等功能，并将频率分辨度做到了0.01Hz但是测试失真度为4.8﹪—5﹪。

6.2存在的不足和今后的努力方向

 

输入电压为198—242伏，负载的电流有效值应为0.5—3安，输出电压有效值应保持在36伏，误差绝对值应小于1﹪.然而受隔离变压器提供的最大电压限制，大负载情况下超出了反馈所能调节的最大范围，输出电压出现了跌落，如果时间允许，可以通过采用更适合的滤波电感、电容，并且使用更精细的逐点控制算法，相信能使系统的带负载能力和波形都得到一定程度的改善。

参 考 文 献

 

杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].高等教育出版社，2005

曾祥富，兰永安.电工基础[M].重庆大学出版社，2001

丁斗章.变频调速技术与系统应用[M].机械工业出版社，2005

薛永毅，王淑英.新型电源电路应用实例[M].电子工业出版社，2003

徐莆荣.高压变频调速技术应用实践[M].中国电力出版社，2007

[6]王伟.电源技术教程[M].电子工业出版社，2004

 陈元虎,徐祖建,梅建伟,陈新举. 基于凌阳SPMC75F的三相变频电源设计[J]. 湖北汽车工业学院学报，2008(02)

[8] 李明星,韦益春. 基于VACON变频器的变频电源在RTG油改电中的应用[J]. 变频器世界 ，2008

[9]陆冬良，张代润，李勇，范小波.独立调压调频的数字化单相变频电源的研究[J].电器应用，2006，25卷第五期

[10]孙静.基于AVR单片机的三相正弦波变频电源的设计[J].黎明职业大学学报，2007(1) 

[11]周严，邱晓筱，周颖.基于IM14400的三相正选波变频电源设计[J].国外电子元器件，2008（7）

[12] 张华林.基于PIC单片机的三相正弦波变频电源的设计[J].电子技术应用，2007（07）

[13] 朱朝霞，杨其华，徐德鸿.正弦波输出变压变频电源调制方式的研究[J].电源技术应用，2006(05)

[14] 李娜，王京保.基于SPWM控制的三相变频变压电源的研究[J].机床电器，2006(05)

[15] 陈晓明，羊彦，景占荣，张秀华.基于XC164单片机的智能化三相正弦波变频电源[J].电源技术应用，2007(09)