基于FPGA 的三相变频电源的设计与研究

陈 兵 吴方坤 米天才 李明鑫

(吉林建筑大学,吉林 长春130118)

电动机在工业设备和家用电器中都得到了广泛的应用,给人民的生活带来了极大的便利。如今随着人们对电动机调速性能的要求的提高和自身环保意识的增强,传统的调压调速和变极对数调速等传统的调速方式已经无法满足人们生产、生活的需求,取而代之的是变频调速,变频调速不仅具有高效率和高调速精度,还能起到节能环保的作用[1]。变频调速是利用变频电源改变电动机工作电压的频率来实现调速的,其最重要的部件就是变频电源,因此想要推广变频调速技术,就要深入的研究变频电源。目前市场上的变频电源主要可分为模拟电路控制型和以单片机或DSP 的数字控型两类。近年来,凭借着微型处理器和电力半导体器件的快速发展,数字控制型变频电源的性能和生产技术得到了大幅度的提升,正在逐渐取代模拟电路控制性变频电源。

为了进一步提升变频电源的响应速度,本文用FPGA 代替传统的单片机或DSP 作为主控制器、以SPWM 为逆变控制算法,设计了一种基于FPGA 的三相变频电源。FPGA 能够更高速度的处理任务的原因主要有两点：一是FPGA 是依赖每个时钟边沿驱动信号与寄存器传输数据的；二是因为FPGA 是以并行的方式执行程序的,当每个时钟边沿到来时FPGA 可以同时执行上百条程序。所以采用FPGA 为主处理器能够提升变频电源在响应速度上有较大的提升。

1 变频电源的硬件电路设计

变频电源的硬件结构有多种不同的形式,目前市场上应用较多的可分为两种：交-交变频电源和交-直-交变频电源。两者的区别主要是在逆变过程中是否引入了直流环节,没有引入直流环节的是交-交变频电源；引入直流环节的是交-直-交变频电源。两种不同结构的变频电源各有各的特点,各有各的应用场景,交-交变频电源虽然省去了直流环节,但是其控制复杂,实现较为困难,因此本文设计的变频电源采用交-值-交的形式。交-值-交变频电源的硬件电路主要有AC/DC 整流电路、DC/DC 斩波电路、DC/AC 逆变电路、控制电路和驱动电路等组成,其变频系统的整体框图如图1 所示。

图1 变频电路框图

1.1 AC/DC 整流电路：在此部分的主电路单相桥式不可控整流电路,目的是把市电输入的220V/50Hz 的交流电变为脉动的直流电。

1.2 DC/DC 斩波电路：此部分的作用是调整整流得到的直流电的电压值,从而调节后级逆变输出的三相交流电的幅值,扩宽输出的三相交流电输出电压幅值的范围,增加变频电源的应用范围,使其能够满足不同的用电场合。

1.3 DC/AC 逆变电路：逆变电路的作用是把直流电变为三相交流电,并能够输出不同频率的交流电,DC/AC 逆变电路的主电路采用三相桥式逆变电路。

1.4 FPGA 控制器：FPGA 控制器是变频电源的核心部分,主要任务是产生6 路SPWM 信号,来控制逆变电路的6 个IGBT开关管的导通与关断,从而完成从直流电到交流电的转换的任务。

1.5 驱动电路：IGBT 为电压型驱动器件,驱动电压一般为10V 到15V,而FPGA 输出的SPWM 波形的幅值为3.3V,是无法驱动IGBT 器件的,因此需要驱动电路把FPGA 输出的SPWM波形幅值进行放大,一般放大到12V。

2 基于FPGA 的SPWM 算法的设计

图2 2 路SPWM 控制信号

SPWM 算法是一种较为常用的逆变算法,在多种变频电源中都可以见到,其实质是等幅且宽度按照正弦值变化的脉冲序列,即SPWM 序列[2]。用6 个SPWM 序列信号控制三相逆变电路的6 个IGBT 的导通与关断就可以得到三相交流电[3]。SPWM 算法至少要包括正弦调制波发生模块、三角波载波发生模块和比较输出模块,此外为了避免桥式逆变电路发生短路,同一桥臂的两个开关管要遵循先断后通的原则,因此SPWM 算法还应包含死区时间控制模块。在Xilinx Vivado 开发环境下采用模块化的设计形式,分别对SPWM 算法的各个模块进行设计,最后在顶层文件中调用各个模块,就能够完成SPWM 算法的完整程序设计。

正弦调制波发生模块采用DDS(Direct Digital Synthesizer)技术,将一个完整正弦周期的数据存入FPGA 的flash 中,然后按照FPGA 的时钟的信号从flash 中读取正弦数据,就可以得到离散的正弦波[4]。正弦波的频率可以通过分频器改变FPGA 读取flash 中正弦数据的时钟周期,从而控制正弦调制波的频率。逆变得到的交流电的频率有正弦调制波是一致的,因此通过控制正弦调制波的频率就可以控制输出的三相交流电的频率。三角形载波发生模块通过双向计数器产生,其波形的频率同样依靠分频器,通过分频器改变计数器的技术时钟,就能够调整三角相载波的频率。比较输出模块可以通过比较器,实时比较正弦调制波和三角形载波的数值大小,从而输出SPWM 脉冲序列。死区控制模块按照同一峤臂的2 个开关管要按照先断后通的原则设计,死区的时间主要受到变频器的功率影响,功率较大相应的死区时间也要较大,功率较小相应的死区时间也较小。

3 基于FPGA 的变频电源试验的验证

为了验证基于FPGA 的SPWM 算法设计的结果,将本程序设计下载到Xilinx NEXYS A7 开发板中进行效果验证。由示波器测得的两路SPWM 波形如图2 所示。

在实验室中制作了该变频电源的试验样机,并对其进行了试验测试,由试验测得的线电压电压波形如图3 所示,可见其幅值为25V,频率为30Hz。

图3 试验产生的线电压波形

4 结论

变频电源作为一种常用且重要的电力设备,在国民生活中的地位越来越高,然而我国的变频电源产业仍然处于上升阶段,市场上流行的高质量的变频电源大多是进口的,因此研发一款高性能、高性价比的变频电源就变得十分有意义。本文通过对变频电源的硬件电路以及SPWM 逆变算法在FPGA 上实现的研究,制作了一款基于FPGA 的三相变频电源,经试验验证本设计能够实现把220V/50Hz 输入的交流电变为电压0 到220V 可调,频率0 到100Hz 可调的交流电,且响应速度快、性能稳定。