《硅谷》杂志：基于FPGA数控变频电源的设计 |
| 2013-02-25 08:54 作者：谭本军 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网文 据《硅谷》杂志2012年第22期刊文称，通过对PWM调制信号控制变频电源的分析研究，提出了设计的基本方案，重点分析硬件设计和基于FPGA的数控部分的设计。这种设备的输出电压具有在一定范围内幅值、频率可调的优点，能最大限度满足用户对各种交流电源的需求。变频电源的核心技术是逆变控制系统，基于FPGA的逆变控制系统其实时性很强。
关键词：变频电源；FPGA；逆变；SPWM
1绪论
现代人们的生活和发展离不开电能，但是受历史、经济等各方面的原因的影响，世界各国的电网指标还没有统一的标准，例如我国内地工频电压一般采用的是220V/50Hz交流电，而台湾、美国、日本等地区使用的工频电压一样为110V/60Hz，英国的工频电压为240V/50Hz等，这样就给许多进出口的家用电器、医疗仪器及工业设备的直接使用带来很多麻烦。而且由于发电厂的发电功率有限，在用电高峰期和电低峰期整个电网工作在欠压或过压状态，还有工频电压抗干扰性很差很容易受到外界高频设备、雷电的影响，造成整个电源不能正常使用，那么设计一种能产出纯净的、稳定的、在一定范围内电压频率和幅值可调节的电源尤为重要，变频电源（交流电力频率转换器）就能满足我们的要求。
变频电源是通过综合应用MOS管和IGBT等半导体技术、电磁技术、数模电子技术、PWM技术、以及各种控制技术，将工频电经过整流滤波、逆变最终输出频率电压可调的纯净的交流电。广泛应用在家电制造业、实验室、研发单位、其它产品的质量检测等。
2系统设计的基本方案
变频电源的输入端直接采用工频交流电供电，220V/50HZ的交流电经过一个全桥整流和电容滤波电路后，得到一个310V左右的直流电压。310V的直流电经过一个单端反激式的开关电源电路，输出额定功率为70W，电压值为40V的直流电压，这个直流电压就是给变频电源提供逆变的直流电源。从高频变压器另一个次级绕组输出的直流电压15V的作用主要有三个：1）为开关电源中的稳压电路的提供反馈电压；2）作为变频电源中所有MOS管的驱动电源；3）为数字控制芯片FPGA的正常工作提供各种直流电源。40V的母线电压经过母线调压电路后，可以通过改变DCPWM的占空比输出一个0～40V的可调母线电压。该母线电压经过三个半桥逆变电路和三个相同参数的LC滤波电路后输出U、V、W三路相位相差120°的正弦交流电压信号，见图1。
图1基于FPGA数控变频电源的结构框图
3硬件的设计
3.1直流母线电压源的设计
单端反激式变换器是指，当数字控制器的PWM调制信号控制MOS管驱动电路导通时，次级侧的整流二极管处于截止状态，能量以磁能的形式存储在变压器的初级侧的电感线圈中；当PWM调制信号控制MOS管截止时，次级侧的整流二极管处于导通状态，储存在初级侧线圈的能量通过互感效应传递到次级侧，经过低压整流滤波电路输出相应的DC电压，完成DC-DC降压变换。
3.2直流母线调压电路的设计
调节电压幅值可以有两种方法：1）在要求输出高电压、低精度、快速响应的情况下保持母线电压不变调节调制度；2）在要求输出低电压、高精度、对实时性要求不高的场合下保持调制度M不变调节母线电压。直流母线调压电路采用MAX627为MOS管驱动芯片，DC/PWMA为FPGA输出的占空比在20%到80%可调的PWM波，由于FPGA输出的电压幅值为3.3V不能直接驱动MOS管，经过MAX627后输出电压幅值可达15V。DCPWMB经过电容滤除信号中的直流成分后，将PWM通过脉冲变压器传到MOS管的栅极，用于控制其导通与截止。当场效应管导通时源极输出电压为40V，当场效应管截止时源极输出电压为0V。通过调节DCPWM的占空比可有效调节参考地的电压。而设计中用于逆变的母线电压为参考地和40V绕组之间的电压差，能有效调节参考地的电压就可以达到调节母线电压的大小。
3.3逆变主电路的设计
MOS管驱动电路选用IR公司的半桥MOS管驱动芯片IR2101。IR2101是专门为驱动半桥逆变器中同臂的两个MOS管而设计的双通道、栅极驱动、高压高速功率驱动芯片。该器件具有独立的高端和低端输入，输入电压兼容COMS和LSTTL电平。输出具有较大的电流缓冲，能够最大程度减少直通的可能性，而且能支持的母线电压可达600V以上。根据IR2101提供的芯片资料，得到如下典型电路如图2。
图2半桥MOS管驱动芯片IR2101的典型应用电路
逆变电路就是将直流母线电压源提供的一定大小的直流电转换为交流输出，主要包括MOS管驱动电路、半桥逆变电路、LC滤波电路等，由三个半桥MOS管驱动芯片IR2101组成，分别受U、V、W三相SPWM信号控制。DH_U、DL_U、DH_V、DL_V、DH_W、DL_W是由FPGA输出的六路SPWM波形。其中DH_U和DL_U，DH_V和DL_V，DH_W和DL_W每一对两路SPWM波反相且严格控制它们的死区时间为200ns，并且这三对SPWM波彼此之间的相位相差为120°。这六路SPWM波经过MOS管驱动电路后控制三路半桥中的六个MOS管的断开与闭合，在半桥的中点交替输出母线电压和参考地的电压。这个电压经过LC低通滤波就可以得到所需的交流电。
4变频电源数字控制器的设计
4.1变频电源数字控制器的总体设计
变频电源的数字控制器实现的主要功能是：1）产生三路相位相差120°的SPWM波形，控制模拟板生成幅值、频率可调的电压；2）产生一个占空比可以通过数字板上的按键调节的PWM波形，用于调节母线电压；3）计算并控制LCD的显示，将要输出电压的幅度和频率通过LCD，实时的显示出来。变频电源数字控制部分的结构框图如图3所示：
图3变频电源数字控制部分的结构框图
用户通过控制板上的频率的档位调节开关和微调按钮，调节频率控制字的大小，改变标准正弦信号发生器输出正弦波信号的频率，从而改变输出电压的频率值。通过时钟管理模块输出的时钟信号，生成频率和幅值一定的三角波信号。然后，将三角波信号的输出和标准正弦波信号发生器的输出，送入M控制器；最后，将M控制器输出指送入带有死区控制的比较器，比较后即可得到SPWM波形。将三路相位相差120°的正弦信号数值，进行量化处理后存入ROM中，就可以同时输出三路相位相差120。的SPWM波形。将三角波计数器输出的数值和脉宽计数器输出的数字信号进行比较，就可以得到占空比可以人为调节的PWM波形。
4.2基于FPGA变频电源的优势
变频电源的功率控制器件始终工作在开关状态，特别适合于用逻辑电平控制，因此常常采用数字芯片来控制变频电源中的功率器件。目前主流的数字控制芯片有ARM、DSP、FPGA等，但是变频电源中采用FPGA作为控制芯片比其他两种芯片更有优势，主要体现在控制精确和实时响应速度高；易修改、可现场编程，可以大大减少了研发人员的工作量，缩短了研发的周期；集成度高，大大地减小了变频电源的体积和质量等。
4.3基于DDS算法的标准正弦信号产生模块
DDS的工作原理是先将一个完整周期的正弦波等间距的取2N个点，并将这2N个点的幅值经过量化后存储到波形存储器ROM表中。然后，在每一个系统时钟的边沿触发下，N位相位累加器对频率控制字fcw进行一次累加，将累加的结果作为波形存储器中的地址（正弦波的相位信息），ROM表中输出的结果就是量化后的正弦波的采样点幅值。经过T秒后，波形存储器ROM的循环一次，就输出了一个完整的正弦波幅值信息。这些量化了的幅值经过D/A转化和低通滤波器就能得到一个完整的正弦波，该正弦波的周期为T。其特点是①在系统时钟频率和相位累加字的长度不变的情况下，输出波形的频率与频率控制字成正比。②输出波形频率的分辨率为fclk/2N，因此，可以通过减小系统时钟频率或增大相位累加字的长度来增大输出波形的分辨率。
4.4三角载波模块
基于FPGA实现三角载波的方法常有：1）调用Xilinx现有的IP核，即已经编写好的计数模块来实现。2）直接用VerilogHDL或VHDL语言编程实现。3）采用DDS技术来实现。
5结语
本设计是基于FPGA的数控变频电源设计，运用了Quartus、Matlab、AltiumDesigner等EDA工具，完成了系统硬件平台的搭建，软件代码的编写，以及最终软硬件的联合调试。测试的结果证明了，整个系统设计思路的可行性，以及理论的可行性，具有较高的参考价值。 |
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