基于FPGA的数字单相逆变恒流源的设计与实现

摘要

随着现代电力电子技术的发展，数字电源的应用逐渐普及，行业对其的要求也越来越严格。因其可以输出各种频率的电压，所以在相应的测试和供电行业使用也非常成熟。然而，在断路器等产品部分性能测试时，对测试样品的端电压没有特定要求，而对测试电流有严格要求，所以研究一个具有良好的静态特性和动态响应的单相逆变恒流源变得十分有意义。 本文针对单相逆变恒流源系统提出了一种基于三相延拓等效电路与虚拟电路的矢量控制方法，由逆变电源输出电流延拓出另两相电流，将其合成电流矢量。本系统提出的双闭环控制，只需对输出电流进行反馈控制无需涉及电压，这样不仅能达到好的控制效果，还能降低系统的硬件复杂性。电流外环对矢量在由坐标系下进行闭环控制，实现输出电流在稳态下无偏差地跟踪目标值;电流内环通过设计虚拟电路改变系统电感值来实现近似解耦及提高系统的动态响应。通过在PLECS中搭建仿真模型，验证了本文设计的控制系统能满足系统的输出要求，在负载变换的情况下，可实现逆变电源的无偏差输出。 传统的模拟电源具有硬件电路复杂、调试困难、维修成本高等缺点，为了克服模拟电源的种种缺点本文以数字芯片FPGA为主控芯片，来实现单相逆变恒流源的数字化SPWM控制。根据恒流源的技术要求设计以FPGA为核心的控制电路，在此基础之上进行单相逆变恒流源控制算法的程序编写。搭建实验平台，对单相逆变恒流源系统进行开环和双闭环满载实验，以及双闭环负载切换试验，实验结果表明单相逆变恒流源控制系统有着良好的静态特性和动态特性，输出电流波形满足技术要求。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2逆变电源概述

1．3数字逆变电源的国内外研究现状

1．4数字逆变电源的发展前景

1．5本文的主要工作及内容安排

第2章单相逆变恒流源的工作原理

2．1单相逆变电源的结构分析

2．1．1单相逆变电源的基本结构

2．1．2全桥逆变电路的工作原理

2．1．3恒流源系统的关键参数选取

2．1．4恒流源系统的实现目标

2．2升流变压器的建模及选取

2．2．1升流变压器的模型分析

2．2．2升流变压器的参数设计

2．3 SPWM技术原理及实现方法

2．3．1 SPWM技术的基本原理

2．3．2 SPWM调制方式

2．3．3 SPWM技术的实现方法

2．4本章小结

第3章单相逆变恒流源的三相延拓矢量控制方法

3．1控制系统模型的建立

3．1．1恒流源的控制目标及原理

3．1．2三相延拓等效电路

3．1．3傅里叶变换及空间矢量合成

3．2矢量控制策略的研究

3．2．1静止坐标系与旋转坐标系的变换

3．2．2合成空间矢量的关系

3．2．3合成空间矢量的控制原理

3．3系统控制结构总体框图

3．4本章小结

第4章单相逆变恒流源控制系统的设计

4．1控制系统硬件设计

4．1．1控制系统的总体设计图

4．1．2 FPGA控制电路

4．1．3外部I／O端口

4．1．4电流检测电路

4．1．5电压检测电路

4．1．6 IGBT驱动电路

4．2控制系统软件设计

4．2．1正弦波产生模块

4．2．2三角波产生模块

4．2．3 AD转换控制模块

4．2．4双闭环控制调制波产生模块

4．2．5加死区保护的PWM输出模块

4．3本章小结

第5章系统的仿真与实验分析

5．1系统仿真及结果分析

5．1．1系统仿真模型的建立

5．1．2仿真结果分析

5．2系统实验及结果分析

5．2．1实验平台的介绍

5．2．2单相逆变恒流源控制系统的实验分析

5．3本章小节

第6章总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所做的工作