基于FPGA的异步电动机SPWM逆变器设计

摘要

正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM)逆变器是一种广泛应用于电机驱动、直流电源并网等逆变系统之中的完成直流交流转换的产品，逆变控制器和逆变主电路的设计优劣直接决定了SPWM逆变器的性能。本文针对现有逆变器设计方案中存在的不足之处，提出了采用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)硬件器件和Nios II软核处理器来设计高质量SPWM逆变器的研究思路。
　　本研究主要内容包括：⑴针对目前大多数SPWM逆变器采用专用芯片生成SPWM波时存在的不利于系统二次开发、系统体积大且复杂程度高的问题，根据FPGA使用方式灵活、运行速度快、资源丰富、可并行运行的特点，采用FPGA来产生SPWM波，大大降低开发周期和难度。⑵采用Nios II软核处理器设计SPWM逆变器的核心CPU处理器。在主流FPGA器件都支持Nios II软核的前提下，采用硬件设计和软件设计相结合的方式设计逆变器的核心处理器。使用Qsys系统集成工具设计处理器的硬件部分，同时使用Nios II IDE集成开发环境完成处理器的软件编程。⑶采用自顶向下，按功能划分设计模块的思路设计基于FPGA的SPWM逆变器。将逆变器划分为三角波生成模块、DDS正弦波生成模块、SPWM波生成模块、死区模块、Nios II处理器模块、驱动模块、滤波模块、反馈模块等主要功能模块，然后就各个模块需要实现的功能，设计相应的硬件电路，最后连接各个模块组成完整的系统。模块化的设计方案大大降低了设计难度，独立的功能模块也有利于后期维护和升级。⑷将设计基于FPGA的SPWM逆变器进行仿真测试及实物测试，测试逆变器的各项功能和性能。实验结果表明，依照本文设计方案的逆变器结构简单、体积小、集成度高，且能有效完成逆变器基本功能，该方案是切实可行的。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 问题提出及其研究意义

1.2 PWM逆变器的发展和现状

1.3 论文主要研究方向

1.4 本章小结

第2章 异步电动机的基本原理

2.1 异步电动机的工作原理

2.2 三相异步电动机的机械特性及运行状态

2.3 本章小结

第3章 逆变器原理及实现技术

3.1 逆变器的基本组成原理及技术指标

3.2 逆变器的SPWM技术

3.3 本章小结

第4章 三相SPWM逆变器的系统组成及实现原理

4.1 系统总体设计方案

4.2 逆变电路结构及原理

4.3 逆变控制器的设计

4.4 本章小结

第5章 SPWM逆变器的FPGA实现

5.1 FPGA器件开发

5.2 SPWM逆变器设计的EDA工具

5.3 逆变器的FPGA实现

5.4 本章小结

第6章 系统的硬件设计及实现

6.1 逆变器总体构成

6.2 逆变器的主要电路设计

6.3 本章小结

第7章 系统整体实现及仿真

7.1 系统整体的实现

7.2 仿真及结果分析

7.3 本章小结

第8章 总结

8.1 结论

8.2 展望

致谢

参考文献

附录