一种基于FPGA实现单相PWM整流器的数字控制方法

摘要

一种基于FPGA实现单相PWM整流器的数字控制方法，a.倍频模块实现晶振频率的倍频，输出100MHz主频需求；分频模块实现100MHz的主频分频输出100KHz；同步时钟模块同步所有脉冲的时钟；b.采样模块对母线电压、输出电流进行采样，转换为实际数值；c.母线电压环模块利用步骤b母线电压得到有功稳压指令；d.将步骤b的输出电流和步骤c的有功稳压指令送入电流环控制，进行输出电流闭环控制，得到调制波；e.步骤d的调制波和三角波在调制模块实现SPWM调制，输出两路PWM波；f.死区模块利用步骤e输入的两路PWM，分别产生两两互补的思路PWM，PWM通过硬件电平变换，驱动IGBTi逆变桥动作；控制延时到3us以内，DSP最好的效果1/4拍控制延时；提高各频点开环增益，控制效果优于模拟控制。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种基于FPGA实现单相PWM整流器的数字控制方法，基于FPGA实现双环+重复控制器的数字控制实现。

背景技术

随着经济的不断发展，电网中的负载越来越复杂，很多高精端的设备不断接入电网，例如半导体行业、高精度机加工行业、服务器等，对电网质量的要求越来越高，电网、客户都开始关注所使用电源、家电等电力电子产品的输入对电网的谐波、无功的污染，常规的低成本的不控二极管整流拓扑的弊端越来越明显。在这种情况下很多电源、家电等电力电子产品的输入级采用PWM整流器的需求越来越强烈，相应的PWM整流器的拓扑、控制方法、电网适应性的方向越来越多的人进行了研究。可以说随着电网洁净的需求越来越强烈，未来PWM整流器将是电力电子设备输入的必备。

PWM整流器的控制方法多样，当前市场上PWM整流器效果较好的设备居多采用模拟控制环的方式，模拟控制控制延时小、控制带宽高，对电网的不平衡、谐波有较好的适应性。但是其也存在其的缺点：模拟控制调试不方便、随着设备时间的加长模拟器件的一些参数因为温漂等因素发生偏移进而控制效果变差、大功率低开关频率时无法添加智能控制算法控制效果一般。当前很多的设备也在使用数字控制算法，数字控制尤其得天独厚的优势，所有设备参数一致调试方便、永远不存在温漂、老化的影响、低开关频率大功率的工况加入智能控制算法可以达到非常好的控制效果，但是当前居多采用DSP去实现数字控制，但是DSP受限于其的运行速度、顺序执行的缺点，具有较长的控制延时(常规的需要一拍、半拍、1/4拍的延时，不同的厂家不同的技术能力)，同时DSP利用定时器产生载波实现调制波的调制，始终按照规则采样法进行调制，调制误差一直存在；考虑以上两个因素，同等开关频率下，始终无法达到模拟控制的良好效果，更别提超过模拟控制。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于FPGA实现单相PWM整流器的数字控制方法，克服当前数字控制实现方法存在的问题，在FPGA中实现数字控制，利用FPGA的并行运算处理能力，实现控制延时的最小化、实现和模拟调制一样的调制效果、实现重复控制的添加，同样开关频率下，超越模拟控制的控制效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于FPGA实现单相PWM整流器的数字控制方法，FPGA实现数字控制，包括如下步骤：

a.倍频模块实现晶振频率的倍频，输出系统所需的100MHz主频需求；分频模块实现100MHz的主频分频输出100KHz；同步时钟模块同步系统所有脉冲的时钟，防止整个系统的时钟错乱；

b.采样模块以100KHz的采样频率对所需的电参量母线电压、输出电流进行采样，并转换为实际数值；

c.母线电压环模块利用步骤b中输入的母线电压，进行PI控制，得到有功稳压指令；

d.将步骤b的输出电流和步骤c的有功稳压指令送入电流环控制进行输出电流闭环控制，电流环模块采用P+重复控制的控制器方案，限幅后得到调制波；

e.步骤d的调制波和三角波在调制模块实现SPWM调制，输出两路PWM波；

f.死区模块利用步骤e输入的两路PWM，分别产生两两互补的思路PWM，PWM通过硬件电平变换，来驱动IGBTi逆变桥动作，进而达到理想的控制。

1).单相PWM整流器拓扑结构：单相H桥电压型逆变器交流侧通过一个单相电抗与电网连接，逆变器的直流侧与电容相连，通过控制提供逆变电压支撑。

2).单相PWM整流器的控制系统：采用DSP+FPGA的处理器组合方案，DSP实现PWM整流器的时序逻辑控制、故障逻辑控制、与人机接口的通讯控制。FPGA实现所有数字控制环，包括采样模块、母线电压控制模块、电流环控制模块、重复控制模块、调制模块、死区模块。

3).单相PWM整流器的控制方法：母线电压外环输出稳定母线所需的有功指令，输入到电流环(P+重复控制)进行电流跟踪控制，电流环的输出为调制波，利用SPWM方式对调制波进行调制，发出驱动波给管子，即实现整个整流器的控制。

本发明具有以下有益效果：

1)利用FPGA的高频并行处理能力，控制延时可以做到3us以内，对于当前20K左右的开关频率几乎可以忽略；

2)可以实现与模拟控制一样的直接调制；

3)加入重复控制算法，提高各频点开环增益，整体控制效果优于模拟控制。本发明采用的FPGA实现数字控制的方法，具有很好的应用前景。对数字控制领域的革新，会有一个较大的推动作用。

附图说明

图1是本发明的单相整流器拓扑结构、控制系统组成图。

图2是本发明PWM整流器的控制框图。

图3是本发明FPGA中实现数字控制的实现物理框图。

图4是本发明FPGA中实现数字控制的ADC模块的状态机图。

图5是本发明FPGA中实现数字控制的电流环模块的状态机图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步详细说明：

如图1所示为单相PWM整流器拓扑结构、控制系统组成图。单相H桥电压型逆变器交流侧通过一个单相电抗与电网连接，逆变器的直流侧与电容相连，通过控制提供逆变电压支撑。其的控制系统如下：采用DSP+FPGA的处理器组合方案，DSP实现PWM整流器的时序逻辑控制、故障逻辑控制、与人机接口的通讯控制。FPGA实现所有数字控制环，包括采样模块、母线电压控制模块、电流环控制模块、重复控制模块、调制模块、死区模块。

如图2所示为PWM整流器的控制框图。具体如下：母线电压外环输出稳定母线所需的有功指令，输入到电流环(P+重复控制)进行电流跟踪控制，电流环的输出为调制波，利用SPWM方式对调制波进行调制，发出驱动波给管子，即实现整个整流器的控制。

单相PWM整流器拓扑结构：单相H桥电压型逆变器交流侧通过一个单相电抗与电网连接，逆变器的直流侧与电容相连，通过控制提供逆变电压支撑。

单相PWM整流器的控制系统：采用DSP+FPGA的处理器组合方案，DSP实现PWM整流器的时序逻辑控制、故障逻辑控制、与人机接口的通讯控制。FPGA实现所有数字控制环，包括采样模块、母线电压控制模块、电流环控制模块、重复控制模块、调制模块、死区模块。

单相PWM整流器的控制方法：母线电压外环输出稳定母线所需的有功指令，输入到电流环(P+重复控制)进行电流跟踪控制，电流环的输出为调制波，利用SPWM方式对调制波进行调制，发出驱动波给管子，即实现整个整流器的控制。

本发明所提的一种基于FPGA实现单相PWM整流器的数字控制方法如图3所示。其具体实现部分如下：

a.倍频模块实现晶振频率的倍频，输出系统所需的100MHz主频需求；分频模块实现100MHz的主频分频输出100KHz；同步时钟模块同步系统所有脉冲的时钟，防止整个系统的时钟错乱；

b.采样模块以100KHz的采样频率对所需的电参量母线电压、输出电流进行采样，并转换为实际数值；采样模块的具体实现见图4，为采样模块的状态机实现图；首先控制片选cs、wr写信号控制硬件，然后写控制字，确定转换方式，给出转换启动信号，等待转换完成，之后读取采样数据转换成实值，同时进入下个采样循环；

c.母线电压环模块利用步骤b中输入的母线电压，进行PI控制，得到有功稳压指令；

d.将步骤b的输出电流和步骤c的有功稳压指令送入电流环控制进行输出电流闭环控制，电流环模块采用P+重复控制的控制器方案，限幅后得到调制波；图5为具体的实现状态机图：状态机示意主体为重复控制器的实现，得到err，存入数组Z^N放置待用，同时输入到内模环节err+0.95Z^-N，内模输出存入周期延迟数组Z^-N，经过幅值相位校准环节，再进行低通滤波器滤除高频噪声成份，与P调节器的输出求和进行限幅后得到调制波。

e.d的调制波和三角波在调制模块实现SPWM调制，输出两路PWM波。

f.死区模块利用e输入的两路PWM，分别产生两两互补的思路PWM。PWM通过硬件电平变换，来驱动IGBTi逆变桥动作，进而达到理想的控制。