基于FPGA 的三相變頻電源的設(shè)計與研究

陳 兵 吳方坤 米天才 李明鑫

(吉林建筑大學(xué),吉林 長春130118)

電動機(jī)在工業(yè)設(shè)備和家用電器中都得到了廣泛的應(yīng)用,給人民的生活帶來了極大的便利。如今隨著人們對電動機(jī)調(diào)速性能的要求的提高和自身環(huán)保意識的增強(qiáng),傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速和變極對數(shù)調(diào)速等傳統(tǒng)的調(diào)速方式已經(jīng)無法滿足人們生產(chǎn)、生活的需求,取而代之的是變頻調(diào)速,變頻調(diào)速不僅具有高效率和高調(diào)速精度,還能起到節(jié)能環(huán)保的作用[1]。變頻調(diào)速是利用變頻電源改變電動機(jī)工作電壓的頻率來實現(xiàn)調(diào)速的,其最重要的部件就是變頻電源,因此想要推廣變頻調(diào)速技術(shù),就要深入的研究變頻電源。目前市場上的變頻電源主要可分為模擬電路控制型和以單片機(jī)或DSP 的數(shù)字控型兩類。近年來,憑借著微型處理器和電力半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展,數(shù)字控制型變頻電源的性能和生產(chǎn)技術(shù)得到了大幅度的提升,正在逐漸取代模擬電路控制性變頻電源。

為了進(jìn)一步提升變頻電源的響應(yīng)速度,本文用FPGA 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機(jī)或DSP 作為主控制器、以SPWM 為逆變控制算法,設(shè)計了一種基于FPGA 的三相變頻電源。FPGA 能夠更高速度的處理任務(wù)的原因主要有兩點(diǎn)：一是FPGA 是依賴每個時鐘邊沿驅(qū)動信號與寄存器傳輸數(shù)據(jù)的；二是因為FPGA 是以并行的方式執(zhí)行程序的,當(dāng)每個時鐘邊沿到來時FPGA 可以同時執(zhí)行上百條程序。所以采用FPGA 為主處理器能夠提升變頻電源在響應(yīng)速度上有較大的提升。

1 變頻電源的硬件電路設(shè)計

變頻電源的硬件結(jié)構(gòu)有多種不同的形式,目前市場上應(yīng)用較多的可分為兩種：交-交變頻電源和交-直-交變頻電源。兩者的區(qū)別主要是在逆變過程中是否引入了直流環(huán)節(jié),沒有引入直流環(huán)節(jié)的是交-交變頻電源；引入直流環(huán)節(jié)的是交-直-交變頻電源。兩種不同結(jié)構(gòu)的變頻電源各有各的特點(diǎn),各有各的應(yīng)用場景,交-交變頻電源雖然省去了直流環(huán)節(jié),但是其控制復(fù)雜,實現(xiàn)較為困難,因此本文設(shè)計的變頻電源采用交-值-交的形式。交-值-交變頻電源的硬件電路主要有AC/DC 整流電路、DC/DC 斬波電路、DC/AC 逆變電路、控制電路和驅(qū)動電路等組成,其變頻系統(tǒng)的整體框圖如圖1 所示。

圖1 變頻電路框圖

1.1 AC/DC 整流電路：在此部分的主電路單相橋式不可控整流電路,目的是把市電輸入的220V/50Hz 的交流電變?yōu)槊}動的直流電。

1.2 DC/DC 斬波電路：此部分的作用是調(diào)整整流得到的直流電的電壓值,從而調(diào)節(jié)后級逆變輸出的三相交流電的幅值,擴(kuò)寬輸出的三相交流電輸出電壓幅值的范圍,增加變頻電源的應(yīng)用范圍,使其能夠滿足不同的用電場合。

1.3 DC/AC 逆變電路：逆變電路的作用是把直流電變?yōu)槿嘟涣麟?并能夠輸出不同頻率的交流電,DC/AC 逆變電路的主電路采用三相橋式逆變電路。

1.4 FPGA 控制器：FPGA 控制器是變頻電源的核心部分,主要任務(wù)是產(chǎn)生6 路SPWM 信號,來控制逆變電路的6 個IGBT開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷,從而完成從直流電到交流電的轉(zhuǎn)換的任務(wù)。

1.5 驅(qū)動電路：IGBT 為電壓型驅(qū)動器件,驅(qū)動電壓一般為10V 到15V,而FPGA 輸出的SPWM 波形的幅值為3.3V,是無法驅(qū)動IGBT 器件的,因此需要驅(qū)動電路把FPGA 輸出的SPWM波形幅值進(jìn)行放大,一般放大到12V。

2 基于FPGA 的SPWM 算法的設(shè)計

圖2 2 路SPWM 控制信號

SPWM 算法是一種較為常用的逆變算法,在多種變頻電源中都可以見到,其實質(zhì)是等幅且寬度按照正弦值變化的脈沖序列,即SPWM 序列[2]。用6 個SPWM 序列信號控制三相逆變電路的6 個IGBT 的導(dǎo)通與關(guān)斷就可以得到三相交流電[3]。SPWM 算法至少要包括正弦調(diào)制波發(fā)生模塊、三角波載波發(fā)生模塊和比較輸出模塊,此外為了避免橋式逆變電路發(fā)生短路,同一橋臂的兩個開關(guān)管要遵循先斷后通的原則,因此SPWM 算法還應(yīng)包含死區(qū)時間控制模塊。在Xilinx Vivado 開發(fā)環(huán)境下采用模塊化的設(shè)計形式,分別對SPWM 算法的各個模塊進(jìn)行設(shè)計,最后在頂層文件中調(diào)用各個模塊,就能夠完成SPWM 算法的完整程序設(shè)計。

正弦調(diào)制波發(fā)生模塊采用DDS(Direct Digital Synthesizer)技術(shù),將一個完整正弦周期的數(shù)據(jù)存入FPGA 的flash 中,然后按照FPGA 的時鐘的信號從flash 中讀取正弦數(shù)據(jù),就可以得到離散的正弦波[4]。正弦波的頻率可以通過分頻器改變FPGA 讀取flash 中正弦數(shù)據(jù)的時鐘周期,從而控制正弦調(diào)制波的頻率。逆變得到的交流電的頻率有正弦調(diào)制波是一致的,因此通過控制正弦調(diào)制波的頻率就可以控制輸出的三相交流電的頻率。三角形載波發(fā)生模塊通過雙向計數(shù)器產(chǎn)生,其波形的頻率同樣依靠分頻器,通過分頻器改變計數(shù)器的技術(shù)時鐘,就能夠調(diào)整三角相載波的頻率。比較輸出模塊可以通過比較器,實時比較正弦調(diào)制波和三角形載波的數(shù)值大小,從而輸出SPWM 脈沖序列。死區(qū)控制模塊按照同一嶠臂的2 個開關(guān)管要按照先斷后通的原則設(shè)計,死區(qū)的時間主要受到變頻器的功率影響,功率較大相應(yīng)的死區(qū)時間也要較大,功率較小相應(yīng)的死區(qū)時間也較小。

3 基于FPGA 的變頻電源試驗的驗證

為了驗證基于FPGA 的SPWM 算法設(shè)計的結(jié)果,將本程序設(shè)計下載到Xilinx NEXYS A7 開發(fā)板中進(jìn)行效果驗證。由示波器測得的兩路SPWM 波形如圖2 所示。

在實驗室中制作了該變頻電源的試驗樣機(jī),并對其進(jìn)行了試驗測試,由試驗測得的線電壓電壓波形如圖3 所示,可見其幅值為25V,頻率為30Hz。

圖3 試驗產(chǎn)生的線電壓波形

4 結(jié)論

變頻電源作為一種常用且重要的電力設(shè)備,在國民生活中的地位越來越高,然而我國的變頻電源產(chǎn)業(yè)仍然處于上升階段,市場上流行的高質(zhì)量的變頻電源大多是進(jìn)口的,因此研發(fā)一款高性能、高性價比的變頻電源就變得十分有意義。本文通過對變頻電源的硬件電路以及SPWM 逆變算法在FPGA 上實現(xiàn)的研究,制作了一款基于FPGA 的三相變頻電源,經(jīng)試驗驗證本設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)把220V/50Hz 輸入的交流電變?yōu)殡妷? 到220V 可調(diào),頻率0 到100Hz 可調(diào)的交流電,且響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定。