基于FPGA的三相逆变器控制的设计与实现

摘要

传统基于 DSP(数字信号处理器)的逆变器控制的设计虽然在计算的复杂度和软件的灵活性上具有一定的优势，但是由于基于DSP设计的控制器的程序为顺序化运行从而导致逆变器控制算法在计算速度上受到很大的限制，当频率超过兆赫兹时DSP只能进行相对简单的数据运算，而且开发周期较长。而基于FPGA(现场可编程门阵的逆变器控制的设计虽然在编写程序的灵活性上不如基于DSP逆变器的设计，但由于 FPGA的并行特点使其非常适合应用于高工作频率下，从而在速度上占据很大的优势，而且开发周期短。本文基于 FPGA设计控制器主要包括以下几个方面：
　　首先，本文根据三相逆变器的基本原理和逆变器的工作模式设计了三相逆变器的模块化控制框图，并根据 FPGA的控制过程将逆变器控制的设计按功能分为AD采样模块、三相锁相环控制模块、PWM(脉冲宽度调制)控制模块、电压外环和电流内环控制模块四个部分。
　　然后，由于本文对三相逆变器的控制主要是对其电压、电流进行控制，因此，电压外环和电流内环控制模块为实现三相逆变器控制的设计核心。为实现电压外环和电流内环控制，需要对三相逆变器进行数学建模，然后对电流内环、电压外环控制系统进行设计；由于电压外环中的输入电压需要将主电路中网侧电压值进行转化才能使用，因此，需要三相锁相环模块对网侧电压进行处理，并获取电网电压的相位信息，用于实现网侧有功功率和无功功率的控制；电压外环、电流内环控制模块和三相锁相环的实现需要数字化的主电路电压、电流值，因此需要AD采样模块将主电路中采集到的各电压、电流值进行数字化处理，并对采样模块的外围电路进行设计；逆变器中的开关管的通断直接决定着逆变器的输出电压、电流值，所以需要PWM波控制模块对其进行控制，通过SVPWM波控制的设计完成对开关管的通断控制。
　　最后，在原来的基于DSP的三相逆变器平台上完成FPGA的控制实验，并将实验结果与原来的DSP控制的实验结果进行比较。

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第一章 绪 论

1.1 课题的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文的主要工作及结构安排

第二章 逆变器基本原理及控制结构

2.1 三相逆变器的工作原理

2.2 三相逆变器控制结构与模块划分

2.3 本章小结

第三章 基于FPGA采样模块的设计

3.1 AD芯片外围电路设置及工作原理

3.2 采样调理电路设计

3.3 AD模块的设计

3.4 采样仿真及实验结果

3.5 FPGA与DSP采样比较

3.6 本章小结

第四章 基于FPGA的三相锁相环设计

4.1 三相锁相环原理与设计

4.2 三相锁相环仿真结果

4.3 FPGA与DSP三相锁相环比较

4.4 本章小结

第五章 基于FPGA的PWM控制设计

5.1 PWM控制的基本原理

5.2 三相逆变器SVPWM控制

5.3 PWM的仿真与FPGA实现

5.4 FPGA与DSP的PWM控制比较

5.5 本章小结

第六章 基于FPGA的控制环设计

6.1 三相逆变器数学建模

6.2 控制环系统设计

6.3 基于电流闭环的控制环路矢量控制的实现

6.4 控制环的FPGA实现与仿真

6.5 FPGA与DSP的双环控制比较

6.6 实验结果

6.7 本章小结

第七章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果