基于FPGA的三相變頻電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 欣，李 樂(lè)，劉瑞安，王 為

（1.天津師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，天津 300387；2.天津職業(yè)技術(shù) 師范大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心，天津 300222）

基于FPGA的三相變頻電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 欣1，李 樂(lè)2，劉瑞安1，王 為1

（1.天津師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，天津 300387；2.天津職業(yè)技術(shù) 師范大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心，天津 300222）

基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）設(shè)計(jì)了一種單相輸入三相輸出的數(shù)字式控制變頻電源.將單相市電輸入該系統(tǒng)后，經(jīng)過(guò)整流、升壓、濾波、三相橋式逆變和低通濾波輸出三相近似正弦交流電.根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性，系統(tǒng)由控制器改變內(nèi)部調(diào)制波的幅值和頻率，進(jìn)而調(diào)節(jié)三相正弦脈沖寬度調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulaton，SPWM）波的脈寬和頻率，最終實(shí)現(xiàn)三相交流異步電動(dòng)機(jī)的變壓變頻調(diào)速（Variable Voltage Variable Freguency，VVVF）控制.系統(tǒng)調(diào)制結(jié)果證明該電源的設(shè)計(jì)是可行的，且系統(tǒng)操作方便快捷、界面友好，可為實(shí)現(xiàn)全數(shù)字智能控制提供參考.

變頻電源；FPGA；SPWM

三相變頻逆變電源可以實(shí)現(xiàn)單相交流電到三相交流電的轉(zhuǎn)換［1］，從而為沒(méi)有三相交流電供給的設(shè)備提供電源，其變頻功能還可以改變?nèi)嘟涣麟姷妮敵鲱l率，很方便地用于一些中小功率三相電機(jī)的變頻調(diào)速等，因此，三相變頻逆變電源的應(yīng)用非常廣泛［2－3］.但由于傳統(tǒng)微處理器（如51系列單片機(jī)）存在指令功能不強(qiáng)、處理速度慢、乘除法指令周期過(guò)長(zhǎng)和外圍電路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度慢等缺點(diǎn)，導(dǎo)致現(xiàn)有變頻電源的性能得不到充分發(fā)揮，難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)對(duì)逆變電源高精度、實(shí)時(shí)性的要求.本研究提出一種以FPGA為主處理器，采用SPWM實(shí)現(xiàn)三相變頻電源的方法，以滿(mǎn)足變頻電源的輸出具有高頻率、高精度、小畸變、高實(shí)時(shí)性以及較寬的調(diào)頻范圍等特點(diǎn).

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

三相變頻電源由逆變部分、信號(hào)驅(qū)動(dòng)部分和SPWM產(chǎn)生部分組成.該電源以現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列EP2C5T144為控制核心，利用直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Synthesizer，DDS）技術(shù)產(chǎn)生SP－WM脈寬調(diào)制信號(hào)控制逆變電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的調(diào)頻調(diào)幅.輸出電源的頻率可以由鍵盤(pán)和外接電位器設(shè)定，并通過(guò)液晶顯示當(dāng)前頻率等信息.三相變頻電源的系統(tǒng)框圖如圖1所示，電路的工作原理為：?jiǎn)蜗嘟涣麟娊?jīng)過(guò)電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）共模濾波、整流和濾波之后變?yōu)槠交闹绷麟姡俳?jīng)過(guò)逆變環(huán)節(jié)和電感濾波變成正弦波，供異步電機(jī)使用.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

1.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

電路主要由以下幾部分組成：EMI濾波器、整流電路、逆變電路、控制器、參數(shù)設(shè)定模塊、顯示模塊、脈沖封鎖電路、驅(qū)動(dòng)電路、報(bào)警裝置和輔助電源.

1.1.1 直流回路

EMI電源濾波器可以衰減共模干擾和差模干擾，起到2個(gè)低通濾波器的作用［4］.EMI電源濾波器能在阻帶范圍內(nèi)衰減射頻能量，且工頻無(wú)衰減或少量衰減.系統(tǒng)采用的05DBAG5型EMI電源濾波器（參數(shù)為115／250 V，5 A，50／60 Hz）是由電感和電容構(gòu)成的無(wú)源雙向多端口網(wǎng)絡(luò)濾波設(shè)備，其電路圖如圖2所示.

圖2 EMI電路圖Fig.2 EMI circuit diagram

整流環(huán)節(jié)采用KBPC50 A10M型整流堆，其等效電路如圖3所示.

圖3 AC／DC電路圖Fig.3 AC／DC circuit diagram

整流電路由整流二極管D6，D8，D9和D10組成，當(dāng)正弦波波峰到達(dá)D6的陽(yáng)極，電流通過(guò)D6、負(fù)載和D10之后，回到電源構(gòu)成回路；當(dāng)正弦波波峰到達(dá)D8的陽(yáng)極，電流通過(guò)D8、負(fù)載和D9后回到電源構(gòu)成回路，完成一個(gè)周期的整流.該整流堆為單相橋式整流，整流后的直流電壓平均值只有交流電壓有效值的0.9倍，關(guān)系式為：Ud＝0.9ULUd為直流電壓，UL為交流電壓的有效值.

單相交流電輸入整流后經(jīng)逆變電路輸出得到的三相交流線電壓的有效值只有146 V，不能用來(lái)驅(qū)動(dòng)三相220 V的電動(dòng)機(jī).為了驅(qū)動(dòng)三相220 V電動(dòng)機(jī)，在單相全波整流以后，還必須增加一個(gè)由電容C4和C6構(gòu)成的升壓電路.當(dāng)圖3中N點(diǎn)的電位處于正弦波的正半周時(shí)，直流回路正極的正電位將因C4的作用得到充電；而當(dāng)N點(diǎn)的電位處于正弦波的負(fù)半周時(shí)，直流回路負(fù)極的負(fù)電位也因C6的作用得到補(bǔ)充，從而增大了正極和負(fù)極的直流電壓值.通過(guò)適當(dāng)選擇C4和C6的電容量，可使直流回路的平均電壓升至297 V，使逆變后的三相線電壓升為220 V.電路經(jīng)整流和升壓后變?yōu)槊}沖波，再經(jīng)電容C5和C7濾波后變成平滑的直流，供逆變器使用.

1.1.2 逆變電路

逆變電路又稱(chēng)為逆變橋，由Q3、Q4、Q5、Q7Q8和Q9組成，如圖4所示.其功能是把直流電轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的三相交流電，逆變電路實(shí)際輸出線電壓的波形是經(jīng)過(guò)SPWM調(diào)制后的高頻脈沖系列與調(diào)制的正弦波一致.

圖4 三相逆變電路圖Fig.4 Three－phase inverter circuit diagram

在功率變換電路中，功率管的選擇至關(guān)重要［5］，系統(tǒng)采用的功率管為 MOSFET.MOSFET是一種電壓控制型單極晶體管，它通過(guò)柵極電壓來(lái)控制漏極電流，因而具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的顯著特點(diǎn)，同時(shí)，MOSFET的驅(qū)動(dòng)功率小，僅由多數(shù)載流子導(dǎo)電，無(wú)少子存儲(chǔ)效應(yīng)，且高頻特性好，工作頻率高達(dá)100 k Hz以上.

工作過(guò)程中，由于變壓器漏感和MOSFET具有較大開(kāi)通電容的影響，MOSFET在關(guān)斷時(shí)會(huì)承受一個(gè)很高的電壓尖峰.為了減小這個(gè)尖峰，系統(tǒng)采用了RCD緩沖電路，電路圖如圖5所示.由于箝位關(guān)系將開(kāi)關(guān)管兩端的電壓限制在2 V，電容會(huì)使開(kāi)關(guān)管集電極或漏級(jí)電壓上升速度減緩，隨后電容通過(guò)電阻放電或?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)移到電感或變壓器中，最終回饋電網(wǎng).電容的取值需要足夠大，以使開(kāi)關(guān)管電壓上升速度緩慢，保證開(kāi)關(guān)管不受沖擊，但由于損耗原因，電容也不能太大.電阻的大小沒(méi)有特別要求，電阻越小，電容的放電速度越快.

圖5 RCD緩沖電路圖Fig.5 Snubber circuit diagram

1.1.3 控制器的選擇

FPGA具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點(diǎn)，它兼容了可編程邏輯器件（Programmable Logic Device，PLD）和通用門(mén)陣列的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程也很靈活.與門(mén)陣列等其他專(zhuān)用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）相比，F(xiàn)PGA又具有設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期短、制造成本低、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無(wú)需測(cè)試、質(zhì)量穩(wěn)定和可實(shí)時(shí)在線檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn).因此，系統(tǒng)采用型號(hào)為EP2C5T144的FPGA作為整個(gè)電路的控制器，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)SP－WM波形的產(chǎn)生，并對(duì)負(fù)載的電流和電壓信號(hào)以及來(lái)自鍵盤(pán)和傳感器的信號(hào)進(jìn)行處理.

1.1.4 驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)由比較器LM311組成驅(qū)動(dòng)放大電路，如圖6所示.驅(qū)動(dòng)放大電路中，由FPGA產(chǎn)生的SPWM信號(hào)首先經(jīng)過(guò)RC濾波，然后進(jìn)入由LM311組成的驅(qū)動(dòng)電路，再經(jīng)過(guò)隔離輸入后級(jí)電路，這樣就將FPGA輸出的弱信號(hào)轉(zhuǎn)化為具有一定驅(qū)動(dòng)能力的SPWM信號(hào).為了增強(qiáng)電路的抗干擾能力本研究在驅(qū)動(dòng)放大電路中增加了一級(jí)光耦隔離電路，隔離電路由光耦TLP521和周?chē)M成.

圖6 驅(qū)動(dòng)放大原理圖Fig.6 Principle graph of driving amplification

信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊采用MOSFET專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)電路芯片IR2110，不但可以解決驅(qū)動(dòng)電源多路的麻煩，而且輸出波形也較為陡峭，信號(hào)驅(qū)動(dòng)原理圖如圖7所示.

圖7 信號(hào)驅(qū)動(dòng)原理圖Fig.7 Principle graph of signal driver

1.1.5 信號(hào)檢測(cè)電路

信號(hào)檢測(cè)電路包括電流采樣電路和電壓采樣電路，電路圖如圖8所示.電壓取樣信號(hào)通過(guò)濾波和電壓跟隨電路使采樣的信號(hào)傳至單片機(jī)的A／D口，做A／D的運(yùn)算處理.電流采樣信號(hào)通過(guò)的濾波和電壓跟隨電路，經(jīng)2級(jí)放大后（第1級(jí)為1.5倍，第2級(jí)為18倍），輸入單片機(jī)A／D口進(jìn)行電流檢測(cè)處理.

圖8 信號(hào)檢測(cè)電路圖Fig.8 Circuit diagram of signal detection

1.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

SPWM波產(chǎn)生示意圖如圖9所示.

圖9 SPWM波的產(chǎn)生Fig.9 Generation of SPWM wave

系統(tǒng)的核心控制芯片是Altera公司的EP2C5T144，此芯片是該公司2000年推出的2.5 V低價(jià)格SRAM工藝PLD（FPGA）芯片，其內(nèi)部具有4 992個(gè)邏輯單元，12個(gè)嵌入式RAM塊，每個(gè)RAM塊大小為4 Kbit，并且?guī)в歇?dú)立的嵌入式存儲(chǔ)塊（EAB），部分型號(hào)帶鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL），芯片使用這些存儲(chǔ)單元，利用DDS技術(shù)形成SPWM脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)控制逆變電路，以形成三相正弦交流電源.波形的頻率可通過(guò)鍵盤(pán)輸入，并可以顯示電壓、電流和頻率等輸出信號(hào).

2 系統(tǒng)調(diào)試

2.1 系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程

系統(tǒng)測(cè)試的具體步驟如下：

（2）把SPWM信號(hào)加到信號(hào)處理電路輸入端觀測(cè)輸入信號(hào)波形經(jīng)過(guò)處理電路后有無(wú)失真.

（3）主電路經(jīng)逆變和濾波后接3個(gè)阻性負(fù)載并星形連接，以測(cè)試相電壓是否對(duì)稱(chēng)以及相位差是否正常.

（4）小功率測(cè)試，直流測(cè)試中給系統(tǒng)加10 V電壓工作5 min，檢測(cè)各個(gè)MOS管有無(wú)異常，用示波器測(cè)試每一相上、下D和S極尖峰的大??；再給系統(tǒng)輸入70 V電壓進(jìn)行測(cè)試，工作10 min，測(cè)試方式同上.

（5）滿(mǎn)負(fù)荷測(cè)試，給系統(tǒng)輸入220 V電壓進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，方式同步驟（4），以測(cè)試系統(tǒng)的過(guò)載和欠壓保護(hù)功能.

2.2 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

（2）SPWM信號(hào)輸入到信號(hào)處理電路后，經(jīng)過(guò)波形處理，電路無(wú)失真.

（3）主電路經(jīng)逆變、濾波后接3個(gè)阻性負(fù)載并星形連接，相電壓對(duì)稱(chēng)，相位差正常.

（4）小功率測(cè)試中，系統(tǒng)各個(gè)MOS管無(wú)異常.

（5）滿(mǎn)負(fù)荷測(cè)試中，系統(tǒng)工作正常，過(guò)載和欠壓保護(hù)功能工作正常.

3 結(jié)論

三相變頻電源系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)了三相交流異步電動(dòng)機(jī)的VVVF控制，還具有欠壓、過(guò)流、短路、能耗制動(dòng)和軟啟動(dòng)等功能，在故障發(fā)生時(shí)通過(guò)軟件和硬件2種方法封鎖脈沖，實(shí)現(xiàn)保護(hù).經(jīng)實(shí)際運(yùn)行檢測(cè)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，且操作方便快捷、界面友好具有良好的可擴(kuò)展能力，在電力和電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.

［1］ 李彥吉，李斌.電氣化鐵路單－三相變頻電源的研制［J］.電工技術(shù)，2009，17（10）：45－46.

［2］ 梅建偉，劉美怡，徐祖建，等.數(shù)字化三相變頻電源的研制［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2008，11（12）：9－13.

［3］ 吳保芳，鐘炎平，林潔，等.新型組合式三相變頻電源的研制［J］.空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，15（3）：46－49.

［4］ 王海莉，吳延華.EMI電源濾波器的設(shè)計(jì)探討［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2008，26（6）：16－19.

［5］ 付明，張東來(lái)，王宏.多路太陽(yáng)能功率變換模塊控制策略研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，20（4）：206－209.

Design of three－phase variable－frequency power source based on FPGA

ZHOUXin1，LILe2，LIURui－an1，WANGWei1

（1.College of Physics and Electronic Information Science，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China；2.Engineering Training Center，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

A kind of digital variable－frequency power source with single－phase input and three－phase output is designed based on field programmable gate array（FPGA）.The input of single－phase city electric current is outputted into three－phase approximate sine alternating current through rectifier，booster，filter，single－phase bridge－inverter and low－pass filter.According to the governing characteristics of three－phase asynchronous motor，the controller changes the amplitude and frequency of the modulation wave and then regulates the pulse width and frequency of three－phase sinusoidal pulse width modulation （SPWM）wave，and finally the variable voltage variable frequency（VVVF）control of three－phase AC asynchronous motor is realized.The experiment shows that the power design is feasible，and the system is easy to operate with friendly interface and lays a foundation for full－digital intelligent control.

variable－frequency power source；FPGA；SPWM

TM930.2

A

1671－1114（2012）01－0043－05

2011－04－26

天津師范大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目（52X09008）

周 欣（1978—），女，講師，主要從事數(shù)字圖像處理及智能傳感技術(shù)方面的研究.

（責(zé)任編校 紀(jì)翠榮）