本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種基于fpga的變頻調(diào)壓電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

變頻技術(shù)是電力電子技術(shù)的主要組成部分，它主要應(yīng)用在交流電機(jī)的調(diào)速和需要改變頻率的供電電源兩個(gè)領(lǐng)域，所謂變頻就是利用大功率電子器件將220v/50hz的市電變換為用戶所要求的交流電源或其他電源，變頻調(diào)壓電源是逆變技術(shù)應(yīng)用大家族中的重要一員，變頻調(diào)壓電源是一種輸出正弦波的交流電源，它可以根據(jù)客戶的不同要求改變輸出電源的電壓和頻率，它廣泛應(yīng)用在電子類產(chǎn)品出口企業(yè)、民航軍航系統(tǒng)及企業(yè)、軍工產(chǎn)品企業(yè)、艦船碼頭及需特殊供電的企業(yè)等等，在我國將具有很廣闊的應(yīng)用前景。

控制器是變頻調(diào)壓電源的核心部件之一，它通過產(chǎn)生并控制驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件的脈沖來控制變頻調(diào)壓電源的各種行為，完成變頻調(diào)壓電源的控制任務(wù)，設(shè)計(jì)良好的控制器，選用合適的控制策略是變頻調(diào)壓電源工作好壞的決定性因素；由于微處理器mcu技術(shù)和電力電子相關(guān)技術(shù)的更新?lián)Q代，脈沖寬度調(diào)制（pwm）技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于電氣系統(tǒng)領(lǐng)域中，在脈沖寬度調(diào)制控制策略中，svpwm不同于傳統(tǒng)技術(shù)，它在算法和實(shí)現(xiàn)方式上做了特殊的優(yōu)化，可以很大程度排除逆變器的輸出波形中的諧波成分，并且減少變頻調(diào)壓電源的能耗損失；另一方面，為保證svpwm控制策略的性能，單片的運(yùn)行速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足，隨著人們對(duì)于高性能的數(shù)字處理芯片的需求，fpga的發(fā)展也得到了推進(jìn)，fpga有著強(qiáng)大的運(yùn)算性能，以及芯片內(nèi)部集成功能的完整性。

由于變頻調(diào)壓電源控制環(huán)節(jié)計(jì)算量大，流程復(fù)雜，精度要求高，傳統(tǒng)的以單片機(jī)作為控制核心的控制器由于受硬件資源與速度的限制，采樣精度不高，每周波的采樣點(diǎn)少，只能選擇計(jì)算量小的算法，結(jié)果限制了測(cè)量的精度，已無法實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻調(diào)壓電源的實(shí)時(shí)控制，而采用高性能fpga為控制核心的控制器，利用其快速強(qiáng)大的運(yùn)算和處理能力以及并行運(yùn)行的能力，不但可以滿足裝置的實(shí)時(shí)性和處理算法的復(fù)雜性等更高的要求，而且具有運(yùn)算速度快、精度高、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，也就意味著可以在fpga中實(shí)現(xiàn)更加高級(jí)復(fù)雜的算法來實(shí)現(xiàn)控制，包括神經(jīng)元控制、卡爾曼濾波、自適應(yīng)控制、模糊控制等，很大程度上提高了系統(tǒng)的反應(yīng)速度以及控制的精確度，fpga控制器以其結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，性能可靠，功能強(qiáng)，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)得到了眾多使用者的偏愛。

一般的變頻調(diào)壓電源控制應(yīng)用傳統(tǒng)控制算法使得系統(tǒng)的反應(yīng)速度較慢，控制精度有限，無法滿足實(shí)際需求，本發(fā)明基于ep3c120f780芯片對(duì)空間脈寬調(diào)制波實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制，減小了對(duì)外圍器件的依賴，降低了成本，應(yīng)用范圍廣泛，在變頻調(diào)壓電源的驅(qū)動(dòng)控制中有著良好的發(fā)展前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種基于fpga的變頻調(diào)壓電源控制系統(tǒng)，解決當(dāng)前變頻調(diào)壓電源控制中能耗大，控制技術(shù)落后，系統(tǒng)反應(yīng)速度慢與效率低的問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明設(shè)計(jì)了硬件部分與軟件部分。

硬件部分包括搭載ep3c120f780芯片的控制板，光耦隔離模塊，功率板，交流電源模塊，變頻調(diào)壓電源，測(cè)量模塊，保護(hù)模塊，上位機(jī)，各模塊之間的連接關(guān)系為，ep3c120f780芯片對(duì)測(cè)量模塊輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，根據(jù)采樣回來的數(shù)據(jù)發(fā)送控制命令，并發(fā)出空間矢量pwm波（svpwm）控制信號(hào)，再經(jīng)光耦隔離模塊處理后送至功率板，功率板由交流電源模塊供電，收到pwm控制信號(hào)后通過其上的功率開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻調(diào)壓電源電壓和頻率的控制，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)監(jiān)測(cè)，保護(hù)模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)變頻調(diào)壓電源的過壓、過流和過熱保護(hù)。

所述fpga控制芯片采用altera公司生產(chǎn)的ep3c120f780作為控制核心，可接收與存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，完成測(cè)量數(shù)據(jù)的a/d轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生svpwm信號(hào)后驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻調(diào)壓電源電壓和頻率的控制，與上位機(jī)進(jìn)行通信。

所述交流電源選用一塊tps70151芯片，將5v輸入的電源穩(wěn)壓出1.8v，3.3v的多路電源，并通過電感隔離成多路，以便給數(shù)字電路與模擬電路分別供電。

所述光耦隔離模塊，選用6n137系列隔離芯片，處理控制板上輸出的電信號(hào)來驅(qū)動(dòng)變頻調(diào)壓電源。

所述測(cè)量模塊傳感器均采用高性能霍爾元件，主要包括對(duì)三相電流，三相電壓6個(gè)信號(hào)的測(cè)量。

所述保護(hù)模塊，包括變頻調(diào)壓電源過壓、過流和過熱保護(hù)，一旦測(cè)量值大于預(yù)設(shè)值，立即產(chǎn)生信號(hào)封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，與此同時(shí)進(jìn)行故障報(bào)警保護(hù)。

所述變頻調(diào)壓電源控制系統(tǒng)采用fpga作為主cpu，包括8mbsram、64mbflash存儲(chǔ)器、12位或16位adc模/數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片、100m以太網(wǎng)接口芯片、4*4鍵盤和lcd顯示器。

所述變頻調(diào)壓電源控制系統(tǒng)采用a/d轉(zhuǎn)換器對(duì)測(cè)量模塊輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，將a/d轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)接收并存儲(chǔ)到變頻調(diào)壓電源控制系統(tǒng)上的8mbsram中，通過100m以太網(wǎng)接口芯片通過數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。

本發(fā)明軟件編程主要解決以下幾個(gè)問題，初始化程序，根據(jù)svpwm控制策略算法的推算，結(jié)合ep3c120f780的芯片特點(diǎn)，程序主要是初始化系統(tǒng)，包含數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的檢測(cè)和初始化、通訊方式的設(shè)置、液晶顯示方式設(shè)置、事件管理器工作方式設(shè)置、中斷設(shè)置（中斷寄存器和中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置）、啟動(dòng)硬件看門狗、禁止開關(guān)動(dòng)作等；數(shù)據(jù)采集與處理，主要完成三相電流、三相電壓的數(shù)據(jù)測(cè)量采集工作，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)去計(jì)算相關(guān)的電力參數(shù)；svpwm脈沖生成，根據(jù)計(jì)算得到的參數(shù)，運(yùn)用控制策略控制脈沖發(fā)出，從而達(dá)到改變電源電壓和頻率的目的，這樣就有了控制變頻調(diào)壓電源的基礎(chǔ)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的創(chuàng)新與益處在于，一般的變頻調(diào)壓電源控制反應(yīng)速度慢，控制精度有限，本發(fā)明節(jié)省了芯片占用資源，可很大程度提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率與控制精度；使用新型的高性能低功耗硬件，將軟件算法與ep3c120f780芯片結(jié)合，所設(shè)計(jì)的程序兼容性好，硬件系統(tǒng)減小了對(duì)外圍器件的依賴，成本低，應(yīng)用范圍廣。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述一種基于fpga的變頻調(diào)壓電源控制系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本發(fā)明所述一種基于fpga的變頻調(diào)壓電源控制系統(tǒng)的軟件部分中系統(tǒng)主程序流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1所示為本發(fā)明所述一種基于fpga的變頻調(diào)壓電源控制系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖，主要包括搭載ep3c120f780芯片的控制板，光耦隔離模塊，功率板，交流電源模塊，變頻調(diào)壓電源，測(cè)量模塊，保護(hù)模塊，上位機(jī)；各模塊之間的連接關(guān)系為，ep3c120f780芯片對(duì)測(cè)量模塊輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，根據(jù)采樣回來的數(shù)據(jù)發(fā)送控制命令，并發(fā)出空間矢量pwm波（svpwm）控制信號(hào)，再經(jīng)光耦隔離模塊處理后送至功率板，功率板由交流電源模塊供電，收到pwm控制信號(hào)后通過其上的功率開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻調(diào)壓電源電壓和頻率的控制，fpga芯片通過以太網(wǎng)接口將測(cè)量與計(jì)算數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示與監(jiān)測(cè)，保護(hù)模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)變頻調(diào)壓電源的過壓、過流和過熱保護(hù)。

所述fpga控制芯片采用altera公司生產(chǎn)的ep3c120f780作為控制核心，可接收與存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，完成測(cè)量數(shù)據(jù)的a/d轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生svpwm信號(hào)后驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻調(diào)壓電源電壓和頻率的控制，與上位機(jī)進(jìn)行通信。

所述交流電源選用一塊tps70151芯片，將5v輸入的電源穩(wěn)壓出1.8v，3.3v的多路電源，并通過電感隔離成多路，以便給數(shù)字電路與模擬電路分別供電。

所述光耦隔離模塊，選用6n137系列隔離芯片，處理控制板上輸出的電信號(hào)來驅(qū)動(dòng)變頻調(diào)壓電源。

所述測(cè)量模塊傳感器均采用高性能霍爾元件，主要包括對(duì)三相電流，三相電壓6個(gè)信號(hào)的測(cè)量。

所述保護(hù)模塊模塊，包括變頻調(diào)壓電源過壓、過流和過熱保護(hù)，一旦測(cè)量值大于預(yù)設(shè)值，立即產(chǎn)生信號(hào)封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，與此同時(shí)進(jìn)行故障報(bào)警保護(hù)。

所述變頻調(diào)壓電源控制系統(tǒng)采用fpga作為主cpu，包括8mbsram、64mbflash存儲(chǔ)器、12位或16位adc模/數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片、100m以太網(wǎng)接口芯片、4*4鍵盤和lcd顯示器。

所述變頻調(diào)壓電源控制系統(tǒng)采用a/d轉(zhuǎn)換器對(duì)測(cè)量模塊輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，將a/d轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)接收并存儲(chǔ)到變頻調(diào)壓電源控制系統(tǒng)上的8mbsram中，通過100m以太網(wǎng)接口芯片通過數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。

圖2所示為本發(fā)明所述一種基于fpga的變頻調(diào)壓電源控制系統(tǒng)的軟件部分中系統(tǒng)主程序流程圖。整個(gè)變頻調(diào)壓電源控制系統(tǒng)的主程序主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化和各個(gè)變量的初始化，以及各個(gè)前臺(tái)子程序的循環(huán)等；前臺(tái)子程序主要包括電壓采樣計(jì)算程序、電流采樣計(jì)算程序、輸出電壓調(diào)整程序、輸出頻率調(diào)整程序、保護(hù)程序、串口通訊，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序等。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員參照上述實(shí)施例依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。