基于DSP和FPGA的电力电子数字控制平台的研究

发布时间：2017-10-12 12:37

  本文关键词：基于DSP和FPGA的电力电子数字控制平台的研究

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【摘要】：随着电力电子技术的飞速发展,在各领域的应用不断深入。电力电子系统功能和结构日趋复杂化和多样化,对电力电子系统的控制要求也随之提高。以往人们通常采用模拟电路对电力电子系统进行控制,而大型的模拟电路控制平台往往具有设计成本昂贵、硬件检测维护困难、抗干扰能力不强等诸多缺点。近年来,由于微处理器和数字信号处理技术飞速发展,数字控制技术开始越来越普遍被应用于电力电子系统中,利用基于数字控制技术的微处理器对电力电子系统进行控制成为目前该领域的一个主流发展方向。另一方面,目前发展成熟且应用广泛的几款微处理器如DSP、FPGA、ARM等虽然都有各自的优点,但也各有局限性,单独使用已经越来越难以满足电力电子系统对控制精度和实时性日趋增高的控制要求。因此,研究一种基于不同微处理器芯片组合的高性能电力电子装置通用数字控制平台对提高电力电子系统的整体性能,加快电力电子装置的研制与开发等方面有着相当大的现实意义。论文以此为背景进行了如下研究工作:第一,在现有的控制平台基础上,将DSP和FPGA结合,设计了基于DSP+FPGA核心处理器架构的电力电子通用数字控制平台。第二,由于电力电子系统日趋高频率和控制器件可分离较远距离的趋势,且各控制器之间的通信一直是一个很重要的技术难题。因此着重研究了DSP与FPGA之间的通信问题,提出了两种通信方法,并基于这两种通信方法设计了两种不同的DSP+FPGA控制器架构,包括硬件组成和接口连接方式,并设计了通信主程序和中断子程序。第三,将设计的通用控制平台应用到一个100KW的PWM整流器上来验证控制平台的合理性以及控制性能。利用电力电子仿真软件PSIM对控制平台进行了仿真,搭建了100KW PWM整流器主电路、控制电路、信号调理电路、驱动电路等部分的模型,进行了包括主程序以及PWM中断服务子程序在内的数字控制程序设计,完成了直流侧负载变动时和整流器逆变运行时两种工作情况下的仿真。通过上述仿真实验验证了本文所设计的电力电子通用控制装置不但可以实现对电力电子换流器的控制,而且整个电力电子系统运行状态良好,电压电流响应都达到了预期的效果,并且功率因数PF和总谐波失真THD等指标也都符合实际工程应用的要求。
【关键词】：电力电子 控制平台 DSP FPGA
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM921.5
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 1 绪论9-16
• 1.1 课题研究背景及意义9-10
• 1.2 电力电子技术的发展10-11
• 1.3 电力电子装置的控制11-13
• 1.3.1 电力电子装置的控制策略11-12
• 1.3.2 单片机控制技术12-13
• 1.4 电力电子装置通用控制平台13-14
• 1.5 本论文的主要研究内容14-16
• 2 基于DSP和FPGA的控制平台整体实现方案16-46
• 2.1 控制平台整体硬件结构16-18
• 2.2 基于TMS320F28335芯片的DSP主控制器18-21
• 2.2.1 DSP简介18-19
• 2.2.2 TMS320F28335简介19-21
• 2.3 基于Spartan-6 芯片的FPGA副控制器21-24
• 2.3.1 FPGA简介21
• 2.3.2 SPARTAN-6 系列FPGA简介21-24
• 2.4 电源电路24-26
• 2.5 复位电路26-28
• 2.6 ADC模块28-32
• 2.7 DAC模块32-34
• 2.8 信号检测与调理电路34-37
• 2.8.1 信号检测电路设计35-36
• 2.8.2 信号调理电路设计36-37
• 2.9 PWM信号隔离与放大电路37-39
• 2.10 保护电路39-42
• 2.11 驱动电路42-44
• 2.12 本章小结44-46
• 3 基于LVDS高速串行通信方案的DSP+FPGA控制器架构46-58
• 3.1 整体实现方案46-47
• 3.2 硬件设计47-52
• 3.2.1 DSP串行外设接口SPI47-50
• 3.2.2 FPGA SelectIO模块50-51
• 3.2.3 LVDS线路驱动器/接收器51
• 3.2.4 系统硬件连接51-52
• 3.3 软件设计52-56
• 3.3.1 DSP中SPI模块的初始化52-53
• 3.3.2 DSP中读写模块设计53-54
• 3.3.3 FPGA SPI通信的数据接收模块设计54-56
• 3.4 仿真实验验证56-57
• 3.5 本章小结57-58
• 4 基于EMIF接口与双口RAM高速并行通信方案的DSP+FPGA控制器架构58-66
• 4.1 FPGA内部双口RAM介绍58-59
• 4.2 DSP内部EMIF接口介绍59-60
• 4.3 EMIF与双口RAM通信方案设计60-64
• 4.3.1 EMIF与双口RAM硬件连接61-62
• 4.3.2 双口RAM的分区处理及主程序设计62-64
• 4.4 仿真实验验证64-65
• 4.5 本章小结65-66
• 5 基于DSP+FPGA的电力电子控制平台在 100KW三相电压型PWM整流器中的数字控制仿真66-80
• 5.1 硬件构成及模型搭建66-71
• 5.2 数字控制程序设计71-73
• 5.3 仿真实验73-79
• 5.4 本章小结79-80
• 6 结论及展望80-82
• 6.1 本文工作总结与主要结论80-81
• 6.2 展望81-82
• 参考文献82-84
• 致谢84-85
• 攻读学位期间发表的学术论文目录85-86

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本文编号：1018769