基于FPGA的PWM控制多重逆变器的设计与实现

摘要

逆变器在自动控制系统、电机交流调速、电力变换以及电力系统控制中都起着重要的作用；各系统对逆变器的性能需求也越来越高。PWM控制多重逆变器正是基于这些需求，实现可变频、调压、调相、低谐波、高稳定性的解决方案。 PWM控制逆变器通过对每个脉冲宽度进行控制，以达到控制输出电压和改善输出波形的目的；多重逆变器则是把几个矩形波逆变器的输出组合起来起来形成阶梯波，从而消除谐波；PWM控制多重逆变器综合上述两种技术的特点，非常适合于应用在对谐波、电压输出及稳定性要求比较高的场合。电力半导体技术和集成电路技术的快速发展，使得多重逆变器的控制、实现成为可能。 本文首先分析风力发电系统对逆变器的要求，从多重逆变器理论和PWM逆变器理论出发，提出同步式PWM控制电压型串联多重逆变器系统解决方案。本方案也可以应用在逆变电源、交流电机调速及电力变换领域中。 文中建立了一个多重逆变器的PWM控制算法模型。该算法可完成频率、相位、幅值可调的多重逆变器的PWM控制，且能完成逆变器故障运行下的保护与告警。并在MATLAB/SIMULINK环境下对算法模型进行仿真与分析。 在比较了现有PWM发生解决方案的基础上，本文提出了一个基于FPGA(可编程逻辑阵列)的多重逆变器PWM控制系统实现方案。并给出一个主要由FPGA、ADC/DAC、驱动与保护电路、逆变器主回路及其他外围电路构成的多重逆变器系统解决方案。实验结果表明，此方案系统结构简单、可行，很好完成上述多重逆变器的PWM控制算法。

目录

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第一章绪论

1.1本课题的意义

1.2研究现状

1.3本方案的优点

第二章系统总体设计

2.1系统功能

2.2总体要求

第三章PWM控制多重逆变器原理

3.1电压型多重逆变器原理

3.1.1串联单相多重逆变器

3.1.2串联三相多重逆变器

3.1.3并联三相多重逆变器

3.2PWM逆变器

3.2.1PWM控制逆变器基础

3.2.2同步式和非同步式PWM逆变器

第四章 一种PWM控制多重逆变器算法及仿真

4.1方案比较

4.1.1模拟电路的自然采样法

4.1.2用专用数字集成电路(ASIC)来产生SPWM信号

4.1.3采用带PWM输出端口的微处理器，如80C196MC

4.1.4采用带PWM输出端口的DSP，如TI公司的TMS320C2407

4.1.5采用DSP+FPGA的方案

4.2单FPGA构成多重逆变器的PWM控制系统

4.3多重逆变器的PWM控制算法及其MATLAB/SIMULINK模型仿真

4.3.1多重逆变器的PWM控制算法系统框图

4.3.2多重逆变器PWM控制算法的MATLAB/SIMULINK模型仿真与分析

第五章电路设计

5.1控制系统介绍：

5.1.1 ACEX 1K系列FPGA芯片介绍：

5.1.2 FPGA的设计流程：

5.2在FPGA中实现多重逆变器的PWM控制算法

5.2.1周期发生单元

5.2.2占空比计算、工作单元号发生单元

5.2.3占空比锁存单元

5.2.4 PWM波形发生单元

5.2.5死区发生。

5.3 FPGA控制系统的接口：

5.3.1与单片机的连接接口

5.3.2 PWM输出接口

5.3.3 ADC及DAC接口

5.3.4 LED指示接口

5.3.5 FPGA配置接口

5.3.6逆变器工作参数设定接口

5.4逆变器主电路

5.4.1隔离电路：

5.4.2智能功率模块(IPM)：

5.4.3主电路所采用的三菱公司的PS21353-G IPM模块

5.5实验结果与分析

5.5.1采用本PWM控制算法的二重逆变器输出电压波形(系统载频21600Hz，输出50Hz)

5.5.2采用本PWM控制算法的六重逆变器输出电压波形(系统载频21600Hz，输出50Hz)

5.5.3结果分析

第六章结论

6.1本项研究的成果

6.2存在的问题及研究展望

参考文献

附录

攻读学位期间发表的文章

致谢