基于FPGA 的三相變頻電源的設計與研究

陳 兵 吳方坤 米天才 李明鑫

(吉林建筑大學,吉林 長春130118)

電動機在工業設備和家用電器中都得到了廣泛的應用,給人民的生活帶來了極大的便利。如今隨著人們對電動機調速性能的要求的提高和自身環保意識的增強,傳統的調壓調速和變極對數調速等傳統的調速方式已經無法滿足人們生產、生活的需求,取而代之的是變頻調速,變頻調速不僅具有高效率和高調速精度,還能起到節能環保的作用[1]。變頻調速是利用變頻電源改變電動機工作電壓的頻率來實現調速的,其最重要的部件就是變頻電源,因此想要推廣變頻調速技術,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或DSP 的數字控型兩類。近年來,憑借著微型處理器和電力半導體器件的快速發展,數字控制型變頻電源的性能和生產技術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。

為了進一步提升變頻電源的響應速度,本文用FPGA 代替傳統的單片機或DSP 作為主控制器、以SPWM 為逆變控制算法,設計了一種基于FPGA 的三相變頻電源。FPGA 能夠更高速度的處理任務的原因主要有兩點：一是FPGA 是依賴每個時鐘邊沿驅動信號與寄存器傳輸數據的；二是因為FPGA 是以并行的方式執行程序的,當每個時鐘邊沿到來時FPGA 可以同時執行上百條程序。所以采用FPGA 為主處理器能夠提升變頻電源在響應速度上有較大的提升。

1 變頻電源的硬件電路設計

變頻電源的硬件結構有多種不同的形式,目前市場上應用較多的可分為兩種：交-交變頻電源和交-直-交變頻電源。兩者的區別主要是在逆變過程中是否引入了直流環節,沒有引入直流環節的是交-交變頻電源；引入直流環節的是交-直-交變頻電源。兩種不同結構的變頻電源各有各的特點,各有各的應用場景,交-交變頻電源雖然省去了直流環節,但是其控制復雜,實現較為困難,因此本文設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、控制電路和驅動電路等組成,其變頻系統的整體框圖如圖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 的交流電變為脈動的直流電。

1.2 DC/DC 斬波電路：此部分的作用是調整整流得到的直流電的電壓值,從而調節后級逆變輸出的三相交流電的幅值,擴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為三相交流電,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,主要任務是產生6 路SPWM 信號,來控制逆變電路的6 個IGBT開關管的導通與關斷,從而完成從直流電到交流電的轉換的任務。

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

2 基于FPGA 的SPWM 算法的設計

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 的導通與關斷就可以得到三相交流電[3]。SPWM 算法至少要包括正弦調制波發生模塊、三角波載波發生模塊和比較輸出模塊,此外為了避免橋式逆變電路發生短路,同一橋臂的兩個開關管要遵循先斷后通的原則,因此SPWM 算法還應包含死區時間控制模塊。在Xilinx Vivado 開發環境下采用模塊化的設計形式,分別對SPWM 算法的各個模塊進行設計,最后在頂層文件中調用各個模塊,就能夠完成SPWM 算法的完整程序設計。

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

3 基于FPGA 的變頻電源試驗的驗證

為了驗證基于FPGA 的SPWM 算法設計的結果,將本程序設計下載到Xilinx NEXYS A7 開發板中進行效果驗證。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,并對其進行了試驗測試,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 試驗產生的線電壓波形

4 結論

變頻電源作為一種常用且重要的電力設備,在國民生活中的地位越來越高,然而我國的變頻電源產業仍然處于上升階段,市場上流行的高質量的變頻電源大多是進口的,因此研發一款高性能、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 上實現的研究,制作了一款基于FPGA 的三相變頻電源,經試驗驗證本設計能夠實現把220V/50Hz 輸入的交流電變為電壓0 到220V 可調,頻率0 到100Hz 可調的交流電,且響應速度快、性能穩定。