基于FPGA的变频电源系统设计.pdf

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1、《仪器仪表与分析监测》2017年第3期基于FPGA的变频电源系统设计DesignofThree—phaseInVerterPoⅥ屯rSupplybasedonFPGA华磊(江苏省工程咨询中心，江苏南京210003)【摘要】设计了一款数字可控变频电源系统。采用可编程逻辑器件FPGA产生SPWM波，以单片机89C52为控制中心，用芯片IR2130驱动MOS场效应管，构建一套由单相交流电转换成三相正弦波变频电源的系统装置。系统采用P算法控制，加上闭环检测控制．实现对电压波形和频率的高精度控制，整体结构合理，运行平稳。检测部分采用多路开关轮流检测，通过A／D转换得到各

2、种检测数值。在电压变化上采用PWM控制斩波开关，在不同电压输入时，确保输出稳定的电压值。【关键词】FPGA；单片机；三相正弦波变频电源[中图分类号】TP29[文献标识码】B引言随着电力电子技术的快速发展，变频电源性能的改善与提高得到了人们的重视。变频电源不仅能够模拟输出不同国家的电网指标，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、低谐波失真、稳定的正弦波电源输出。数字可控变频电源可以输出不同指标的电网电压和频率，可用于设备充电和电源模拟，用途较为广泛。本系统是采用可编程逻辑器件FPGA产生SPWM波，以单片机89C52为控制中心，用芯片IR2

3、130驱动MOS场效应管，设计而成的具有高可靠性和稳定性的电源。系统在功能设计上设有过流、短路、过压、欠压、过载等保护及故障报警显示功能，确保用电设备及变频电源安全。整个变频电源系统具有负载适应性强，输出波形品质好等特点。一30—1总体方案设计整个系统包含以下四个硬件组成部分：FPGA和单片机最小系统板，交流(AC)一直流(DC)转换电路(包含斩波电路)，三相逆变桥电路和检测电路。其中，FPGA负责各种波形控制信号的产生．包括产生SPWM的波形控制信号和产生斩波开关工作的PWM波新控制信号；单片机负责人机交互、电流电压及频率测量、电路保护等控制功能。系统采用8

4、9C52单片机为控制中心，采用FPGA来产生精确的SPWM波，选用了三相变频专用驱动芯片IR2130．可实现理想的正弦波。FPGA专用来产生SPWM波和斩波开关控制的PWM波，单片机作为键盘、LCD、FPGA和检测部分的控制中心．FPGA与单片机之间采用串口通信方式来交互信息。检测部分采用不同模块来检测电流、电压和频率．得到的数据通过多路开关和A／D送到单片机处理。系统设计原理图如图1所示。基于FPGA的变频电源系统设计华磊图1系统设计2核心硬件设计2．1SPWM波形设计理论上三相SPWM波形是由三路相位差为120。的正弦波与载波相交的办法来确定各分段矩形波的

5、宽度。同一桥臂的上下两个MOSFET或者其他开关管根据其中一项的波形开或关，上下开V关管始终是互补状态。逻辑上关键就是要产生控制6个开关管通断的信号。为了提高时间效率，并且使单片机的任务减轻，让FPGA的使用更加合理，系统采用了直接将这6个开关控制信号存于FPGA的ROM中的方法．用FPGA读表产生各个时刻的开关量。这些开关量的状态，系统选用MATLAB自动产生，并且进行了仿真，实现方便，结果精确。波形频率可以通过改变ROM标准时钟的方法来控制。通过FPGA输出PWM波控制直流斩波开关的通断，调节系统输出的正弦波电压值。2．2逆变桥模块设计采用三相桥驱动专用芯

6、片IR2130来控制6个P60NF06型号的MOSFET，电路原理图如图2所示。2．3斩波开关电路模块。为了在不同电压值输入的情况下得到稳定的有效值，系统设计采用了PWM波可调的斩波开关电路来调节电压值。系统选用的是降压斩波电图2逆变桥电路模块一31—《仪器仪表与分析监测》2017年第3期路，其中斩波开关的控制是使用光耦来控制的，PWM波由FPGA提供控制信号。其具体电路图如图3所示。图3斩波开关电路模块30Q2．4FPGA与单片机的通信接口设计FPGA中的SPWM、PWM波形发生控制信号都是自身产生的，因此需要找到一种简便并适合这两个控制单元与单片机交互的通

7、信接口。单片机与这两个控制单元的交互其实是单向的，即单片机控制波形发生控制单元，得到不同频率的SPWM波形、不同占空比的PWM波形。单片机只要对波形发生控制单元进行写入操作，而无需读取操作，可将其理解为一种外设，但是控制信号上只需要片选信号，不需要读写信号。因此，用FPGA设计出一种通信接口，具体为8位数据位和1个片选位，可通过接口将这两个控制单元挂在总线上，分配单片机片外地址。单片机系统板的片选CS0和CSl接波形发生控制单元的各自片选信号，P0口作数据与波形发生控制单元的数据口直接相连。3软件设计3．189C52单片机程序设计89C52单片机主程序主要有以

8、下功能：人机交互(键盘扫描、LCD显示