基于FPGA的电力电子变换器控制系统研究

发布时间：2017-04-30 16:06

  本文关键词：基于FPGA的电力电子变换器控制系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前的电力电子变换器控制系统一般基于数字信号处理器(Digital Signal Processor,DS P)或DSP为主、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)为辅的系统架构,在一些实时性要求高、扩展性强的应用场合受到限制。FPGA所固有的硬件并行特性,可以很好地满足高性能控制系统需求。FPGA硬件资源丰富,更适合开发全数字集成控制系统。但是采用直接编程方法开发FPGA全数字集成控制系统难度大、周期长。为了改变这种现状,扩大FPGA控制系统在电力电子领域内的应用范围,论文对典型FPGA控制系统进行研究,深度分析系统结构与特性,归纳出FPGA控制系统的一般设计原则、设计流程和实现方法。FPGA特殊的硬件架构决定的高实时性是其在高性能领域应用的主要原因。论文概括了DSP、FPGA构架与特点,分析二者不同的运行机理,归纳出控制器件在不同应用场合的选用原则。通过典型FPGA系统应用实例,深入阐述FPGA本质特性,进一步论证将FPGA芯片作为平台控制器所具有的独特优势。一般设计原则是提高设计效率的关键。控制系统的设计需要对基于硬件的平台和基于软件的设计原则分别进行规划,高效设计原则可加快基于FP( GA的控制系统的开发速度。论文通过分析典型电力电子控制系统特点,概括得出基于FPGA的电力电子数字控制系统模块化、归一化、串并行控制等一般设计原则。利用这些一般设计原则,设计出可复用模块,通过搭积木方法使复杂系统简单化,提高设计效率,节省调试时间。高效可视化的设计流程是实现全数字集成控制系统便捷途径。由于开发基于FPGA的控制平台不仅需要熟练掌握HDL语言,而且还要具备丰富的专业知识,所以设计难度大,开发周期长；统一可复用IP核较少,设计稳定可靠的控制系统就更加困难。论文通过对国内夕FPGA电力电子变换器控制系统设计研究基础上,探索出一种借助EDA工具实现FPGA电力电子变换器控制系统的高效设计流程,达到了降低开发难度、缩短开发周期、节省开发成本的目的。平台级验证是论文研究的最终总目的。平台主电路部分由六只IGBT组成两电平三相桥式电路,驱动部分由TX-DA962D驱动板组成,控制部分主要由赛灵思(Xilinx)公司VIRTEX-4-XC4VSX35系列芯片组成。论文中以归一化的模块库为基础,采用图形化综合设计流程,在MATLAB/System Generator环境下通过搭建由两电平SVPWM IP核和三电平SVPWM IP核组成的控制系统模型并进行联合仿真,然后转换成Xilinx Plan Ahead工程文件,实现从模型到工程文件的无缝衔接,经过分析综合过程产生二进制文件,最终在平台上进行系统验证。论文采用一般设计原则,灵活使用设计工具实现设计流程的无缝衔接,快速完成系统级设计,探索出了一种基于FPGA的全数字控制系统的高效、便捷实现方案,为进行FPGA控制系统深入研发奠定了扎实基础。
【关键词】：电力电子变换器 FPGA 实时性 设计原则 高效设计流程
【学位授予单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-13
• 1.1 研究背景10
• 1.2 研究目的及意义10-11
• 1.3 研究内容11-13
• 第二章 基于FPGA的电力电子控制系统13-24
• 2.1 DSP与FPGA架构特点13-16
• 2.1.1 DSP架构特点13-14
• 2.1.2 FPGA架构特点14-16
• 2.1.3 DSP与FPGA选择原则16
• 2.2 数字系统延时分析16-18
• 2.3 FPGA硬件并行特性18-20
• 2.4 FPGA准模拟特性20-21
• 2.5 FPGA快速计算特性21-22
• 2.6 本章小结22-24
• 第三章 基于FPGA的电力电子控制系统设计24-42
• 3.1 设计原则24-29
• 3.1.1 模块功能的分割-三级化模块库24-25
• 3.1.2 硬件资源分配-串行与并行实现25-27
• 3.1.3 模块数据接口归一化-标幺化与定标27-28
• 3.1.4 时序控制-有限状态机28-29
• 3.2 设计方法与流程29-40
• 3.2.1 常规设计流程29-31
• 3.2.2 采用图形化工具FPGA的开发流程31-33
• 3.2.3 电力电子变换器图形化综合设计流程33-34
• 3.2.4 图形化综合设计流程的具体实现34-40
• 3.3 本章小结40-42
• 第四章 设计验证平台42-49
• 4.1 平台主电路部分43-46
• 4.1.1 PWM驱动级与电流测量部分44-45
• 4.1.2 光电编码器部分45-46
• 4.1.3 电源部分46
• 4.2 控制电路部分46-48
• 4.3 本章小结48-49
• 第五章 基于FPGA的SVPWM IP核设计49-79
• 5.1 两电平SVPWM IP核设计49-71
• 5.1.1 变换器输出端电压与磁链空间分布关系49-51
• 5.1.2 SVPWM调制策略51-62
• 5.1.3 两电平SVPWM IP核遵循设计原则62-64
• 5.1.4 两电平SVPWM IP核子模块64-69
• 5.1.5 两电平SVPWM IP核69-71
• 5.2 三电平SVPWM IP核设计71-78
• 5.3 本章小结78-79
• 第六章 联合仿真结果与分析79-90
• 6.1 两电平SVPWM IP核联合仿真79-85
• 6.1.1 Clark变换后的u_α、u_β与三相正弦波波形82
• 6.1.2 扇区判断与u_α、u_β82-83
• 6.1.3 基本矢量作用时间T_1、T_2、过调制与采样周期波形83
• 6.1.4 T_a、T_b、T_c与零矢量83-84
• 6.1.5 三相线电压u_(ab)、u_(bc)、u_(ca)波形84
• 6.1.6 三相电流i_a、i_b、i_c波形84-85
• 6.1.7 转子电流、转速、转矩波形85
• 6.2 三电平SVPWM IP核联合仿真85-89
• 6.2.1 三相线电压u_(ab)、u_(bc)、u_(ca)波形图87
• 6.2.2 三相相电压u_a、u_b、u_c波形图87-88
• 6.2.3 三相线电流i_a、i_b、i_c波形图88
• 6.2.4 转子电流、转速、转矩波形88-89
• 6.3 本章小结89-90
• 第七章 电力电子变换器控制系统在线调试90-100
• 7.1 调试步骤90-93
• 7.2 两电平SVPWM IP核控制系统波形分析93-97
• 7.2.1 U相桥臂波形93-94
• 7.2.2 V相桥臂波形94-95
• 7.2.3 W相桥臂波形95-96
• 7.2.4 死区波形96-97
• 7.3 三电平SVPWM IP核控制系统波形分析97-99
• 7.3.1 16Hz时U桥臂四路波形97
• 7.3.2 16Hz时U桥臂四路复合波形97-98
• 7.3.3 32Hz时U桥臂四路波形98
• 7.3.4 32Hz时U桥臂四路复合波形98-99
• 7.4 本章小结99-100
• 第八章 结论与展望100-101
• 8.1 主要结论100
• 8.2 研究展望100-101
• 参考文献101-105
• 附录A105-107
• 附录B107-109
• 在学期间的研究成果109-110
• 致谢110

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本文编号：337148