基于FPGA的数字整流控制器的设计

发布时间：2017-09-28 19:11

  本文关键词：基于FPGA的数字整流控制器的设计

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【摘要】：可控硅是一种具有开关作用的大功率半导体器件,被广泛应用于大容量的整流系统中。传统的可控硅整流系统采用模拟触发控制器给可控硅提供触发脉冲,但是其存在抗干扰性能弱,控制精度不够高等缺点。伴随数字电子技术的高速发展,集成电路和数字控制技术的结合正在越来越多的工业应用场合展现出其强大的作用。现场可编程门阵列(FPGA)是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,它具有速度高、功耗低、经济、便于实现精确控制、易于开发和升级等优点。以FPGA为核心设计的数字触发控制器不但可以实现快速响应及精确控制,而且还支持远程监控,因而它相比于模拟触发控制器具有更大的优势。本课题以可控硅构成的桥式整流电路为基础,分别给出了基于FPGA的数字整流控制器的硬件电路以及FPGA内部控制逻辑的设计方案,完成了数字整流控制器的设计。本文可以按照由硬件到软件的过渡顺序分为下面三个部分:第一部分主要介绍了整流系统硬件电路的搭建。该部分首先对可控硅元件和三相全控桥式整流电路的工作原理、工作特点以及核心控制器件的选择方案进行了简单介绍。然后在此基础上,结合具体功能需求给出了以FPGA为核心控制器件的数字触发控制器的硬件电路整体框架。紧接着分别对AD采样电路、鉴相电路、脉冲驱动电路、电源、ARM通信模块等重要子模块的设计方案进行了详细介绍。第二部分主要描述了FPGA内部控制逻辑的设计。该部分首先基于之前搭建的硬件电路和具体的功能划分,给出了FPGA内部控制逻辑的整体设计方案。然后分别对主控模块、A/D数据读取模块、鉴相脉冲处理模块、PWM模块、UART模块以及EPROM读写控制模块的VHDL实现进行了详细描述。第三部分主要介绍了PID控制算法的FPGA实现。该部分首先对模拟PID算法和数字PID算法的核心理论及计算方法进行了简单介绍。然后结合具体需求,给出了分阶段PID控制的设计方案。紧接着对增量式PID算法的FPGA实现进行了详细描述。最后通过对PID算法进行一定条件下的仿真实验,验证了在控制逻辑中加入PID模块的可行性。本文中介绍的数字整流控制器,除了可以对工业用三相交流电进行实时、高精度的整流控制以外,还具备远程控制和组网通信的能力。其不但满足了最基本的控制要求,而且还极大地提高了整流系统的可扩展性。
【关键词】：可控硅 数字触发控制器 FPGA VHDL PID
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM461;TP273
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 符号对照表11-12
• 缩略语对照表12-15
• 第一章 绪论15-21
• 1.1 课题的研究背景15-16
• 1.2 可控硅触发电路的简介及发展16-17
• 1.3 FPGA的产生及其发展17-18
• 1.4 主要研究内容和论文安排18-21
• 第二章 整流系统的概述21-33
• 2.1 可控硅整流电路21-28
• 2.1.1 可控硅的介绍21-24
• 2.1.2 三相全控桥式整流电路24-28
• 2.2 核心控制器件的选择28-30
• 2.2.1 FPGA的应用优势28-29
• 2.2.2 Cyclone IV系列FPGA29-30
• 2.3 FPGA数字逻辑设计基础30-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第三章 数字触发控制器的设计33-43
• 3.1 系统设计的需求分析33-34
• 3.2 数字触发控制器整体设计方案34-36
• 3.3 核心子模块设计方案36-41
• 3.3.1 AD采样电路设计方案36-38
• 3.3.2 鉴相电路设计方案38-39
• 3.3.3 脉冲驱动电路设计方案39
• 3.3.4 电源模块设计方案39-40
• 3.3.5 ARM通信模块设计方案40-41
• 3.4 本章小结41-43
• 第四章 FPGA内部逻辑的实现43-71
• 4.1 FPGA内部逻辑的整体设计方案43-44
• 4.2 主控模块设计44-48
• 4.3 A/D数据读取模块设计48-54
• 4.4 鉴相脉冲处理模块设计54-59
• 4.4.1 功能实现的描述54-56
• 4.4.2 逻辑代码实现的介绍56-59
• 4.5 PWM模块设计59-64
• 4.5.1 可控硅触发方式介绍59-60
• 4.5.2 逻辑代码实现的介绍60-64
• 4.6 UART通信模块设计64-68
• 4.7 EPROM读写控制模块设计68-69
• 4.8 本章小结69-71
• 第五章 PID控制的FPGA实现71-81
• 5.1 PID控制算法概述71-73
• 5.1.1 模拟PID算法71-72
• 5.1.2 数字PID算法72-73
• 5.2 分阶段PID控制的设计73-75
• 5.3 PID算法的FPGA实现75-78
• 5.4 PID模块的综合及仿真78-80
• 5.5 本章小结80-81
• 第六章 总结和展望81-83
• 6.1 论文总结81-82
• 6.2 工作展望82-83
• 参考文献83-85
• 致谢85-87
• 作者简介87-88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 韩兆祥;李学英;万鑫;田竟;;利用PLC和触摸屏实现多阶段PID温度控制[J];实验技术与管理;2008年06期

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本文编号：937573