基于fpga数控变频电源的设计

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1、基于FPGA数控变频电源的设计摘要：本文提出了一种基于FPGA数控变频电源的设计方案，文中对母线调压电路、逆变电路等硬件电路的实现原理进行了分析研究，并着重讲述了基于FPGA的数字控制器的设计实现方法。经过验证，该电源的输出电压在一定范围内的幅值和频率可调，并能有效地进行逆变控制，能够满足用户的需求，实用性广泛。关键词：变频电源；FPGA；SPWM中图分类号:TM344.6文献标识码：A随着时代的发展以及科技的进步，人们的生活和工业的发展都离不开电力系统，然而由于目前各国对电力系统的设计标准不同，电网

2、的统一发展受到一定的制约。此外，由于发电厂产生的电力功率有限，而随着用电高峰期和低峰期的差异，在使用过程中往往会出现电压不够或过高的情况。加之电力环境复杂，受雷击以及其他设备的干扰，电网也会因为抗干扰能力差出现故障，影响电力的使用。因此，为了让满足对电源的需要，应当设计出一种能够在一定的范围内对电压的幅值和频率进行调节的、工作稳定的电源。7变频电源即是将整个电路构成交流-直流-交流-滤波的变频装置，通过整流滤波、逆变以及各种控制技术等将工频电源转变成可以调控的交流电，不仅能模拟输出不同国家的电网指标，

3、而且也为出口电器厂商在设计开发、生产、检测等应用中提供可靠的、高稳定的电压和频率输出，通过结合目前成熟的科学技术，已经在实际中得到了广泛的应用。1．系统设计本课题研究的变频电源是基于FPGA芯片作为数字控制器进行设计的，其设计框图如图1。变频电源采用工频交流电输入，经过整流和滤波，将公用的220V/50HZ的交流电转化成310V左右的直流电压，然后再经过开关电源电路输出40V的直流电压，用于变频电源的逆变，该电压经过母线调压电路、数字控制器、逆变电路等相关电路的作用，输出相位相差120°的三路正弦交流

4、电压信号。同时，次级绕组可以输出15V的直流电压，为变频电源中的设备提供工作电压以及电流。图1变频电源的设计框图2．硬件电路的设计2.1直流母线电压源的设计7直流母线电压源中使用单端反激式变换器，当数字控制器中的PWM调制信号控制驱动电路的场效应管导通时，变压器次级的整流二极管截止，此时电能转变成磁能；反之，当控制器中的PWM调制信号控制驱动电路的场效应管截止时，变压器次级的整流二极管导通，此时储存的磁能通过互感传递至变压器次级，再经过低压整流滤波电路被转换成直流电压，这样就可以完成将较高的直流电压转

5、化成较低的直流电压的过程。2.2直流母线调压电路的设计直流母线调压电路主要用于电压幅值的调节，其调节方式分为两种：一种是不改变当前电压的前提下调节由FPGA输出的PWM信号的占空比，可以输出电压较高、实时性高、精度较低的电压；另外一种是改变母线电压而不对占空比进行调节，主要应用于输出精度高、输出电压较低的场合。因FPGA驱动能力有限，无法直接驱动场效应管，必须将其输出的电压经过驱动，以实现场效应管的开关控制。设计中采用第一种方式调节母线电压，由于母线电压的为参考地与40V绕组间的相对压差，因此可以通过

6、调节PWM信号的占空比以调节参考地电压的方式实现。2.3逆变电路的设计7逆变电路是将直流转换为交流的电路，包括场效应管驱动电路、半桥逆变电路和滤波电路。场效应管驱动电路采用芯片IR2101进行设计，该器件是双通道、栅极驱动、高压高速功率驱动器，采用了高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，提高了驱动电路的可靠性，其典型电路如图2。该芯片的输入电压可以分为逻辑输入高、低端，支持的母线电压高达600V，并能够输出较大的缓冲电流，非常适合场效应管的高压驱动。此外，在设计时芯片IR21

7、01采用外部自举电容上电，使驱动电源数目较其他IC驱动大大减少，在工程上减少了控制变压器体积和电源数目，降低了产品成本，提高了系统可靠性。场效应管功率器件的控制由FPGA产生的三组六路SPWM波完成，这三组SPWM波相位差均为120°，经驱动电路后控制半桥逆变电路中的场效应管的导通和截止，这样就可以交替的输出母线电压和参考地电压，最后经过LC低通滤波处理就能够输出交流电。图2驱动芯片IR2101的典型电路3．数字控制器的设计3.1总体设计数字控制器是FPGA数控变频电源的重要组成部分之一，其主要作用是

8、产生相位差为120°的、用于控制逆变电路的SPWM波信号，同时生成占空比可调的、用于调整母线电压的PWM信号。此外，考虑到人机对话的需要，设计中加入了控制和显示功能，实时计算电压的幅值和频率并进行显示，数字控制器的功能框图如图3。图3数字控制器的功能框图7当面板上的频率调节按键（Fup或Fdn）改变时，由频率微调模块产生的频率控制字发生改变，此时标准正弦波信号发生器产生的信号频率也会因此改变，进而改变输出电压的频率；三角波信号的频率和幅值根据时钟管理模块