基于DSP及FPGA的模块化大功率电力电子装置数控平台研究

发布时间：2017-09-12 21:05

  本文关键词：基于DSP及FPGA的模块化大功率电力电子装置数控平台研究

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【摘要】：电力电子装置在工业、军事、航空航天等领域承担着电能变换的重要作用。近年来,随着微电子、信息通信、计算机等技术的不断发展,模块化、智能化、大容量、大功率和高可靠逐渐成为电力电子技术的重要发展方向。以电网系统为例,柔性直流输电、静止无功补偿、有源滤波等系统中都包含有大容量或超大容量(MW级到数百MW级)的电力电子装置,它们通常由几十个带有开关器件的子模块通过串并联的方式级联而成,利用控制系统对各个子模块的时序控制来实现电能变换的目的。此外,随着电网运行可靠性和安全性的要求日益提高,故障诊断与容错控制也受到越来越多的关注。因此,对于模块化大功率电力电子装置的控制系统来说,不仅要具备优秀的数学运算能力和控制能力,还要能够对主电路的运行状态进行实时监控并对系统故障做出合理判断。本文针对上述要求,主要进行了以下几个方面的工作：首先,结合典型电力电子装置的拓扑结构,对数字化控制平台的需求进行了分析。对于大功率电力电子装置来说,具有如下几个基本特点：模块化多电平的运行方式成为主流；开关电源取代传统的线性电源,成为控制线路通断的主要方式；更多子模块的级联使得控制信号的需求量不断增大；电力电子装置在系统中的重要地位对其实时性、可靠性和容错能力提出高要求。通过这些特点并结合通用性和可扩展性的要求,对电力电子数控平台的接口、计算能力和通信能力等基本硬件资源提出需求,为芯片选择和硬件设计提供参考。然后,在需求分析的基础之上对本数控系统的硬件和软件进行了设计。硬件方面,针对计算能力、实时性等要求选择DSP芯片TMS320C28335和FPGA芯片EP3C40作为核心主控板,并通过CAN总线、RS232和RS485共同构建通讯网络,以保证主控板与监控系统、人机交互界面等模块的稳定通信。软件方面,利用交点式不对称规则采样方法对PWM占空比算法进行了分析,通过C语言完成DSP控制程序(包括主程序、占空比计算程序、故障处理程序等)的编写,基于Verilog HDL语言在FPGA中完成多个通用PWMIP核的设计。通过参数配置,可以适应不同单元模块级联方式下的时序控制；并通过对开关器件控制及时将故障单元从系统切除。最后,通过硬件板卡、软件仿真、多电平变换器的综合控制三方面测试对本数控平台的整体功能进行了验证。结果表明,此平台可以为模块化大功率电力电子装置提供可靠的控制方案,为今后对于电力电子数控平台的研究打下了基础。
【关键词】：电力电子 模块化 数控平台 DSP FPGA
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 课题研究的背景及意义9
• 1.2 模块化电力电子装置概述9-12
• 1.2.1 发展现状9-12
• 1.2.2 发展趋势12
• 1.3 数字化控制平台概述12-15
• 1.3.1 基于单DSP架构的数控系统13-14
• 1.3.2 基于单FPGA架构的数控系统14-15
• 1.3.3 基于DSP与FPGA混合架构的数控系统15
• 1.4 论文组织结构15-16
• 1.5 本章小结16-17
• 第二章 数字化控制平台的需求分析17-29
• 2.1 引言17
• 2.2 典型模块化大功率电力电子装置17-22
• 2.2.1 级联H桥多电平逆变器17-19
• 2.2.2 模块化多电平变流器MMC19-22
• 2.3 大功率电力电子装置的基本特点22-25
• 2.3.1 模块化成主流22-23
• 2.3.2 基于开关电源运行23
• 2.3.3 控制信号需求量大23-24
• 2.3.4 实时性要求高24
• 2.3.5 监控与故障检测24
• 2.3.6 高可靠性和容错性24-25
• 2.4 数控平台的基本硬件资源需求25-28
• 2.4.1 接口种类与精度25-26
• 2.4.2 计算能力26-27
• 2.4.3 通信能力27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第三章 数字化控制平台的硬件设计29-43
• 3.1 引言29
• 3.2 核心芯片的选择29-33
• 3.2.1 核心处理器DSP30-31
• 3.2.2 PWM发生器31-32
• 3.2.3 AD转换器32
• 3.2.4 CAN收发器32-33
• 3.3 数字化控制平台的组成33-38
• 3.3.1 系统的硬件原理图33-34
• 3.3.2 主要模块功能介绍34-35
• 3.3.3 主要芯片外围电路的配置35-38
• 3.4 数字化控制平台的结构设计38-41
• 3.4.1 系统的总体结构38-39
• 3.4.2 主控及通讯部分39-40
• 3.4.3 基于FPGA芯片部分40-41
• 3.5 本章小结41-43
• 第四章 数字化控制平台的软件设计43-59
• 4.1 引言43
• 4.2 基于DSP的软件设计43-48
• 4.2.1 DSP软件开发环境配置43-44
• 4.2.2 PWM占空比算法44-45
• 4.2.3 DSP程序设计45-48
• 4.3 基于FPGA的软件设计48-57
• 4.3.1 FPGA软件开发环境配置49-50
• 4.3.2 PWM波形发生算法50-54
• 4.3.3 基于Verilog语言的PWM IP核模块54-57
• 4.4 本章小结57-59
• 第五章 实验与测试59-69
• 5.1 硬件板卡测试59-62
• 5.1.1 核心板测试59-62
• 5.1.2 基于FPGA板卡的测试62
• 5.2 软件综合仿真62-64
• 5.3 综合应用测试64-69
• 5.3.1 基本原理64-66
• 5.3.2 设计流程66-67
• 5.3.3 实验验证67-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 6.1 总结69
• 6.2 展望69-71
• 致谢71-73
• 参考文献73-77
• 作者简介77

【参考文献】

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本文编号：839526