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        基于FPGA的三相變頻電源系統(tǒng)設(shè)計

        2012-01-05 08:16:10劉瑞安
        關(guān)鍵詞:電路圖三相變頻

        周 欣,李 樂,劉瑞安,王 為

        (1.天津師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院,天津 300387;2.天津職業(yè)技術(shù) 師范大學(xué) 工程實訓(xùn)中心,天津 300222)

        基于FPGA的三相變頻電源系統(tǒng)設(shè)計

        周 欣1,李 樂2,劉瑞安1,王 為1

        (1.天津師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院,天津 300387;2.天津職業(yè)技術(shù) 師范大學(xué) 工程實訓(xùn)中心,天津 300222)

        基于現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,F(xiàn)PGA)設(shè)計了一種單相輸入三相輸出的數(shù)字式控制變頻電源.將單相市電輸入該系統(tǒng)后,經(jīng)過整流、升壓、濾波、三相橋式逆變和低通濾波輸出三相近似正弦交流電.根據(jù)三相異步電動機的調(diào)速特性,系統(tǒng)由控制器改變內(nèi)部調(diào)制波的幅值和頻率,進(jìn)而調(diào)節(jié)三相正弦脈沖寬度調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulaton,SPWM)波的脈寬和頻率,最終實現(xiàn)三相交流異步電動機的變壓變頻調(diào)速(Variable Voltage Variable Freguency,VVVF)控制.系統(tǒng)調(diào)制結(jié)果證明該電源的設(shè)計是可行的,且系統(tǒng)操作方便快捷、界面友好,可為實現(xiàn)全數(shù)字智能控制提供參考.

        變頻電源;FPGA;SPWM

        三相變頻逆變電源可以實現(xiàn)單相交流電到三相交流電的轉(zhuǎn)換[1],從而為沒有三相交流電供給的設(shè)備提供電源,其變頻功能還可以改變?nèi)嘟涣麟姷妮敵鲱l率,很方便地用于一些中小功率三相電機的變頻調(diào)速等,因此,三相變頻逆變電源的應(yīng)用非常廣泛[2-3].但由于傳統(tǒng)微處理器(如51系列單片機)存在指令功能不強、處理速度慢、乘除法指令周期過長和外圍電路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度慢等缺點,導(dǎo)致現(xiàn)有變頻電源的性能得不到充分發(fā)揮,難以實現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)對逆變電源高精度、實時性的要求.本研究提出一種以FPGA為主處理器,采用SPWM實現(xiàn)三相變頻電源的方法,以滿足變頻電源的輸出具有高頻率、高精度、小畸變、高實時性以及較寬的調(diào)頻范圍等特點.

        1 系統(tǒng)的整體設(shè)計

        三相變頻電源由逆變部分、信號驅(qū)動部分和SPWM產(chǎn)生部分組成.該電源以現(xiàn)場可編程門陣列EP2C5T144為控制核心,利用直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Synthesizer,DDS)技術(shù)產(chǎn)生SP-WM脈寬調(diào)制信號控制逆變電路,實現(xiàn)對輸出信號的調(diào)頻調(diào)幅.輸出電源的頻率可以由鍵盤和外接電位器設(shè)定,并通過液晶顯示當(dāng)前頻率等信息.三相變頻電源的系統(tǒng)框圖如圖1所示,電路的工作原理為:單相交流電經(jīng)過電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)共模濾波、整流和濾波之后變?yōu)槠交闹绷麟?,再?jīng)過逆變環(huán)節(jié)和電感濾波變成正弦波,供異步電機使用.

        圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

        1.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

        電路主要由以下幾部分組成:EMI濾波器、整流電路、逆變電路、控制器、參數(shù)設(shè)定模塊、顯示模塊、脈沖封鎖電路、驅(qū)動電路、報警裝置和輔助電源.

        1.1.1 直流回路

        EMI電源濾波器可以衰減共模干擾和差模干擾,起到2個低通濾波器的作用[4].EMI電源濾波器能在阻帶范圍內(nèi)衰減射頻能量,且工頻無衰減或少量衰減.系統(tǒng)采用的05DBAG5型EMI電源濾波器(參數(shù)為115/250 V,5 A,50/60 Hz)是由電感和電容構(gòu)成的無源雙向多端口網(wǎng)絡(luò)濾波設(shè)備,其電路圖如圖2所示.

        圖2 EMI電路圖Fig.2 EMI circuit diagram

        整流環(huán)節(jié)采用KBPC50 A10M型整流堆,其等效電路如圖3所示.

        圖3 AC/DC電路圖Fig.3 AC/DC circuit diagram

        整流電路由整流二極管D6,D8,D9和D10組成,當(dāng)正弦波波峰到達(dá)D6的陽極,電流通過D6、負(fù)載和D10之后,回到電源構(gòu)成回路;當(dāng)正弦波波峰到達(dá)D8的陽極,電流通過D8、負(fù)載和D9后回到電源構(gòu)成回路,完成一個周期的整流.該整流堆為單相橋式整流,整流后的直流電壓平均值只有交流電壓有效值的0.9倍,關(guān)系式為:Ud=0.9ULUd為直流電壓,UL為交流電壓的有效值.

        單相交流電輸入整流后經(jīng)逆變電路輸出得到的三相交流線電壓的有效值只有146 V,不能用來驅(qū)動三相220 V的電動機.為了驅(qū)動三相220 V電動機,在單相全波整流以后,還必須增加一個由電容C4和C6構(gòu)成的升壓電路.當(dāng)圖3中N點的電位處于正弦波的正半周時,直流回路正極的正電位將因C4的作用得到充電;而當(dāng)N點的電位處于正弦波的負(fù)半周時,直流回路負(fù)極的負(fù)電位也因C6的作用得到補充,從而增大了正極和負(fù)極的直流電壓值.通過適當(dāng)選擇C4和C6的電容量,可使直流回路的平均電壓升至297 V,使逆變后的三相線電壓升為220 V.電路經(jīng)整流和升壓后變?yōu)槊}沖波,再經(jīng)電容C5和C7濾波后變成平滑的直流,供逆變器使用.

        1.1.2 逆變電路

        逆變電路又稱為逆變橋,由Q3、Q4、Q5、Q7Q8和Q9組成,如圖4所示.其功能是把直流電轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的三相交流電,逆變電路實際輸出線電壓的波形是經(jīng)過SPWM調(diào)制后的高頻脈沖系列與調(diào)制的正弦波一致.

        圖4 三相逆變電路圖Fig.4 Three-phase inverter circuit diagram

        在功率變換電路中,功率管的選擇至關(guān)重要[5],系統(tǒng)采用的功率管為 MOSFET.MOSFET是一種電壓控制型單極晶體管,它通過柵極電壓來控制漏極電流,因而具有驅(qū)動電路簡單的顯著特點,同時,MOSFET的驅(qū)動功率小,僅由多數(shù)載流子導(dǎo)電,無少子存儲效應(yīng),且高頻特性好,工作頻率高達(dá)100 k Hz以上.

        工作過程中,由于變壓器漏感和MOSFET具有較大開通電容的影響,MOSFET在關(guān)斷時會承受一個很高的電壓尖峰.為了減小這個尖峰,系統(tǒng)采用了RCD緩沖電路,電路圖如圖5所示.由于箝位關(guān)系將開關(guān)管兩端的電壓限制在2 V,電容會使開關(guān)管集電極或漏級電壓上升速度減緩,隨后電容通過電阻放電或?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)移到電感或變壓器中,最終回饋電網(wǎng).電容的取值需要足夠大,以使開關(guān)管電壓上升速度緩慢,保證開關(guān)管不受沖擊,但由于損耗原因,電容也不能太大.電阻的大小沒有特別要求,電阻越小,電容的放電速度越快.

        圖5 RCD緩沖電路圖Fig.5 Snubber circuit diagram

        1.1.3 控制器的選擇

        FPGA具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點,它兼容了可編程邏輯器件(Programmable Logic Device,PLD)和通用門陣列的優(yōu)點,可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路,編程也很靈活.與門陣列等其他專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)相比,F(xiàn)PGA又具有設(shè)計開發(fā)周期短、制造成本低、開發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定和可實時在線檢驗等優(yōu)點.因此,系統(tǒng)采用型號為EP2C5T144的FPGA作為整個電路的控制器,通過編程實現(xiàn)SP-WM波形的產(chǎn)生,并對負(fù)載的電流和電壓信號以及來自鍵盤和傳感器的信號進(jìn)行處理.

        1.1.4 驅(qū)動電路

        系統(tǒng)由比較器LM311組成驅(qū)動放大電路,如圖6所示.驅(qū)動放大電路中,由FPGA產(chǎn)生的SPWM信號首先經(jīng)過RC濾波,然后進(jìn)入由LM311組成的驅(qū)動電路,再經(jīng)過隔離輸入后級電路,這樣就將FPGA輸出的弱信號轉(zhuǎn)化為具有一定驅(qū)動能力的SPWM信號.為了增強電路的抗干擾能力本研究在驅(qū)動放大電路中增加了一級光耦隔離電路,隔離電路由光耦TLP521和周圍元件組成.

        圖6 驅(qū)動放大原理圖Fig.6 Principle graph of driving amplification

        信號驅(qū)動模塊采用MOSFET專用的驅(qū)動電路芯片IR2110,不但可以解決驅(qū)動電源多路的麻煩,而且輸出波形也較為陡峭,信號驅(qū)動原理圖如圖7所示.

        圖7 信號驅(qū)動原理圖Fig.7 Principle graph of signal driver

        1.1.5 信號檢測電路

        信號檢測電路包括電流采樣電路和電壓采樣電路,電路圖如圖8所示.電壓取樣信號通過濾波和電壓跟隨電路使采樣的信號傳至單片機的A/D口,做A/D的運算處理.電流采樣信號通過的濾波和電壓跟隨電路,經(jīng)2級放大后(第1級為1.5倍,第2級為18倍),輸入單片機A/D口進(jìn)行電流檢測處理.

        圖8 信號檢測電路圖Fig.8 Circuit diagram of signal detection

        1.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

        SPWM波產(chǎn)生示意圖如圖9所示.

        圖9 SPWM波的產(chǎn)生Fig.9 Generation of SPWM wave

        系統(tǒng)的核心控制芯片是Altera公司的EP2C5T144,此芯片是該公司2000年推出的2.5 V低價格SRAM工藝PLD(FPGA)芯片,其內(nèi)部具有4 992個邏輯單元,12個嵌入式RAM塊,每個RAM塊大小為4 Kbit,并且?guī)в歇毩⒌那度胧酱鎯K(EAB),部分型號帶鎖相環(huán)(Phase Locked Loop,PLL),芯片使用這些存儲單元,利用DDS技術(shù)形成SPWM脈寬調(diào)制信號來控制逆變電路,以形成三相正弦交流電源.波形的頻率可通過鍵盤輸入,并可以顯示電壓、電流和頻率等輸出信號.

        2 系統(tǒng)調(diào)試

        2.1 系統(tǒng)調(diào)試過程

        系統(tǒng)測試的具體步驟如下:

        (2)把SPWM信號加到信號處理電路輸入端觀測輸入信號波形經(jīng)過處理電路后有無失真.

        (3)主電路經(jīng)逆變和濾波后接3個阻性負(fù)載并星形連接,以測試相電壓是否對稱以及相位差是否正常.

        (4)小功率測試,直流測試中給系統(tǒng)加10 V電壓工作5 min,檢測各個MOS管有無異常,用示波器測試每一相上、下D和S極尖峰的大小;再給系統(tǒng)輸入70 V電壓進(jìn)行測試,工作10 min,測試方式同上.

        (5)滿負(fù)荷測試,給系統(tǒng)輸入220 V電壓進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試,方式同步驟(4),以測試系統(tǒng)的過載和欠壓保護(hù)功能.

        2.2 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

        (2)SPWM信號輸入到信號處理電路后,經(jīng)過波形處理,電路無失真.

        (3)主電路經(jīng)逆變、濾波后接3個阻性負(fù)載并星形連接,相電壓對稱,相位差正常.

        (4)小功率測試中,系統(tǒng)各個MOS管無異常.

        (5)滿負(fù)荷測試中,系統(tǒng)工作正常,過載和欠壓保護(hù)功能工作正常.

        3 結(jié)論

        三相變頻電源系統(tǒng)不但實現(xiàn)了三相交流異步電動機的VVVF控制,還具有欠壓、過流、短路、能耗制動和軟啟動等功能,在故障發(fā)生時通過軟件和硬件2種方法封鎖脈沖,實現(xiàn)保護(hù).經(jīng)實際運行檢測,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,且操作方便快捷、界面友好具有良好的可擴展能力,在電力和電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.

        [1] 李彥吉,李斌.電氣化鐵路單-三相變頻電源的研制[J].電工技術(shù),2009,17(10):45-46.

        [2] 梅建偉,劉美怡,徐祖建,等.數(shù)字化三相變頻電源的研制[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2008,11(12):9-13.

        [3] 吳保芳,鐘炎平,林潔,等.新型組合式三相變頻電源的研制[J].空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報,2001,15(3):46-49.

        [4] 王海莉,吳延華.EMI電源濾波器的設(shè)計探討[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗,2008,26(6):16-19.

        [5] 付明,張東來,王宏.多路太陽能功率變換模塊控制策略研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009,20(4):206-209.

        Design of three-phase variable-frequency power source based on FPGA

        ZHOUXin1,LILe2,LIURui-an1,WANGWei1

        (1.College of Physics and Electronic Information Science,Tianjin Normal University,Tianjin 300387,China;2.Engineering Training Center,Tianjin University of Technology and Education,Tianjin 300222,China)

        A kind of digital variable-frequency power source with single-phase input and three-phase output is designed based on field programmable gate array(FPGA).The input of single-phase city electric current is outputted into three-phase approximate sine alternating current through rectifier,booster,filter,single-phase bridge-inverter and low-pass filter.According to the governing characteristics of three-phase asynchronous motor,the controller changes the amplitude and frequency of the modulation wave and then regulates the pulse width and frequency of three-phase sinusoidal pulse width modulation (SPWM)wave,and finally the variable voltage variable frequency(VVVF)control of three-phase AC asynchronous motor is realized.The experiment shows that the power design is feasible,and the system is easy to operate with friendly interface and lays a foundation for full-digital intelligent control.

        variable-frequency power source;FPGA;SPWM

        TM930.2

        A

        1671-1114(2012)01-0043-05

        2011-04-26

        天津師范大學(xué)博士基金資助項目(52X09008)

        周 欣(1978—),女,講師,主要從事數(shù)字圖像處理及智能傳感技術(shù)方面的研究.

        (責(zé)任編校 紀(jì)翠榮)

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