基于FPGA的多路SPWM控制器的研究与设计

摘要

单元串联拓扑结构已经成为当前高压变频领域主要的研究方向之一。因此，本课题研究开发了一种应用于此拓扑结构的基于FPGA的多路SPWM控制器。对SPWM调制原理进行了分析，在此基础上对多路SPWM控制器的硬件和软件进行了设计。首先，本文介绍了实验系统的结构、调制方法及故障诊断。实验系统以单元串联拓扑结构高压变频系统为实验平台。论文中通过对几种调制方法的分析，对比他们优缺点，最终决定采用载波水平移相SPWM调制，并从理论上分析了SPWM脉冲宽度的计算方法。同时给出了系统故障的分类。其次，设计了以FPGA为核心的控制器的硬件电路：分为脉冲扩展板的硬件电路设计和外围硬件电路设计。其中脉冲扩展板的硬件电路设计包括FPGA和CPLD的硬件设计等；外围硬件电路设计包括光纤接口板中针对CPLD的设计、故障判定电路设计和光纤传输等。通过以上电路的设计，从硬件上保证了控制器能够完成脉冲分配及故障诊断的功能。接着，设计了系统软件。在硬件设计的基础上，采用VHDL语言对FPGA及CPLD进行编程，实现了控制器以下功能：接收中心控制板算出的SPWM脉冲宽度数据，产生SPWM脉冲；将产生的SPWM脉冲通过光纤分配给各功率单元；从各功率单元采集故障信号；对故障信号编码并发送至中心控制板。最后，本控制器在6kV/22kW实验平台上完成了调试，通过对实验波形的分析得出，本控制器能够应用于单元串联变频调速系统中，可以产生多路SPWM脉冲，故障诊断安全可靠，系统运行稳定，达到了设计要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1本课题的研究背景

1.2国内外变频调速技术发展现状

1.3变频调速系统的控制方式

1.4本论文的研究内容

2多路SPWM设计的理论分析及故障诊断

2.1引言

2.2功率单元简介

2.2.1功率单元工作原理

2.3多路SPWM产生机理的分配

2.3.1SPWM分类

2.3.2SPWM的生成方法

2.3.3载波移相SPWM调制法

2.3.4SPWM数学模型的建立及分析

2.4系统故障诊断

2.4.1系统故障分类

2.4.2系统故障处理原理

2.5小结

3硬件设计与实现

3.1高压变频系统构成

3.2脉冲扩展板的硬件电路设计

3.2.1FPGA/CPLD简介及工作原理

3.2.2FPGA工作原理

3.2.3FPGA下载端口及配置芯片电路

3.2.4脉冲扩展板的主体结构及功能实现

3.2.5脉冲扩展板中FPGA的硬件设计

3.2.6脉冲扩展板中CPLD的硬件设计

3.3外围硬件电路设计

3.3.1光纤接口板中针对CPLD的设计

3.3.2故障判定电路设计

3.3.3光纤传输

3.4　小结

4软件设计与实现

4.1VHDL描述

4.2软件核心描述

4.3片选芯片的软件描述

4.4 SPWM的输出

4.5故障查询

4.6小结

5实验结果及分析

5.1引言

5.2实验结果及分析

5.3小结

6结论

致谢

参考文献

附录