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1、基于FPGA的变频调速控制系统设计摘要:现代电力电子电路的控制旨在实现高速开关的计算机控制，并且朝着更高频率更低损耗和全数字化的方向发展。现场可编程门阵列器件是最近这些年来崭露头角的一类新型集成电 路，它的优势是简洁，经济，高速度，低功耗等。同时具有全集成化，适用性强，方便开发 和维护等明显优点。同单片机，和 DSP相比FPGA的频率更高，速度更快。这些特点适应 了电力电子电路的逐步高频化和复杂化发展的需要。所以越来越多的领域中FPGA获得了日益广泛的发展和使用。FPGA进行设计可以简化系统的硬件结构，降低成本，并且显著改 变系统的处理能力。本文提出的FPGA设计方案可以实现数字化变频调速控制
2、。该系统能够产生三相正弦脉宽波形，该系统具有控制简洁，精确，易修改，可现场编程等特点，可以 广泛应用于PMW变频调速系统的全数字化控制。文中对方案的进行进行了详细的论述。主要包括系统设计的理论分析，系统结构设计，以及在 FPGA硬件上的实现，最终验证了该 控制系统的可行性和有效性。数字化是该系统的特点，系统最终生成的三相SPMW脉冲三相正弦调制波和三角载波比较得到的。设计过程中，充分结合FPGA器件的结构特点，产生三项正弦调制波，同三角载波通过比较器比较厚，最终得到三相SPWM脉冲序列。概述：设计所要实现的功能：产生多路PWM波形从而实现变频调速的功能。设计所采用的基本思想：通过调节电源频率可
3、以调节电机的实际转速。基于FPGA可以将所选定的变频调速控制方式和控制算法实现出来，形成输出目标控制信号的硬件电路。系统模块设计与仿真根据系统所要实现的功能系统总体结构可以分为正弦信号生成模块，三角波产生电路D/A转换器正弦波和三角波比较模块。正弦波信号生成模块：生成正弦波样本，有直接数字频率合成器实现。它主要是针对系统所需要的针线信号，做出正弦调制波模块的设计，同时在生成正弦信号的过程中完成对波形 幅值的控制。三角载波生成模块：生成三角载波，通过 mif文件生成器生成三角波文件，得到三角波数 据，与正弦信号生成模块中得到的数字正弦波进行比较，生成脉宽调制信号。D/A转换器：将生成的数字信号正
4、弦波及三角波转换成模拟信号波形输出。波形比较：完成正弦调制波和三角载波的比较，得到初始化的SPWM波形。直接数字频率合成器：主要由相位累加器，相位调制器，波形存储ROM , D/A转换器组成相猥占储曲调跚DDS结构图晤卢DDS电路图Rflfi一二相位累加器32加法器和32为位寄存器构成了相位累加器32位加法器代码Module add32 (sum,count,a.b, cin);output31:0 sum;output count;input31 : 0 a,b;input cin;assign (count,sum尸a+b+cin;endmodule32位寄存器代码：Module reg3
5、2( qout, in, clk, clr);output 31:0 qout;input31:0 in;input clk, clr;Reg31:0 qout;always(posedge clk or posedge clr)else qout=in;endendmodule最后给模块加上输入输出端口就构成了一个完整的相位累加器电路如图所示: J:二：二：二：in印即 qouRl 皿-匚口 WfM外_r w-f st-hst4Gclx L5 星1-t l B t r r ri - 1- F T = r -=rr r，a.BBiaaaiiiBaApB ipa naKiiBAiiB raj &
6、 a. a.b a t m. .s tLR 妒;: 丁 -91R Tr，fLTFF u .唧一. *-i. . *. . = * . .， _ . _ _ . _ - . . . .一 三. - - - - .-相位累加器电路图相位调制器12位加法器和12位寄存器构成了相位调制器与相位累加器相似也可以构成一个相位调制电 路如图所示：相位调制器电路乘法器乘法器mult用来调节DDS的步进频率步骤：打开QuartusII的图形编辑界面，双击界面就可以弹出宏模块编辑界面。，根据需求依次设计,选择芯片Cyelonell保存位置和宏模块，如图所示： fK W I m i r 1%卜1 hJn! th*
7、ri li hh*V君 ALTFP.SQRT. I I b|i|. litliiLJE 1 Al T MiLI L I Ai J I IM3 AO MULT 4小F ,d ThH FLT .EOMPI,J AS f rjH iLPM科目占J LM_小口口_，lj 一| FMrriMFAFIEfrj I m i nijN 11 m山区RdSBl, j F-AHALLFL_AI lEornmi m mz： eDSFIMAI | MUiri i in Hm ji.in，Itmi i4ghdiL-tnNMr* I a errapde a nioi替r I u* 廿.iu|1v，物 EheH .ario
8、sieral rPlpehnng打臼且M岷Mi曲QpcurrrentationcaVxiArd Plug - In lana&er LPllULT page 2 of 51Which fnulhplier rTupfemerttabOn shoiJd be used?Use the default inplementaticnUse dedxated mltipgr circuitry (Not for ail fwmH憎分 Use logic elementsCaritfij M 聆小 Ne, Firriih乘法器类型设置乘法器优化设计后生成乘法器模块如图所示:Xresuft27_ QIUn
9、星ign在d euH ip|iC3lionIpm multO147in st生成的乘法器模块生成的15位有符号乘法器电路图如图所示:数据选择器数据选择器mux是将单片机发过来的数据每四位为一组赋给频率控制字的不同一位。其源 代码和顶层设计图为:Module mux1(ain,bout);input7:0ain;output15:0bout;reh15:0bout;always(posedge ain4)begin bout3:0=ain3:0;endalways(posedge ain5)begin bout7:4=ain3:0;endalways(posedge ain6)begin bou
10、t11:8=ain3:0;endalways(posedge ain7)begin bout15:12!mux的顶层设计图锁相环锁相环电路的基本框图:CPi(t)匕环路浦波器 (LPF)A匕压控振荡器(VCO)锁相环起分频的作用，输出 40MHz的频率。锁相环采用二分频，从 I/O模块的宏模块中调出。步骤:选择芯片和设置参考时钟在Enter Output clock frequency”后面输入所需要得到的时钟频率， clock multiplication factor和Clock division factor 时钟的乘系数和除系数。即输入的参考时钟分别乘上一个系数再除以一个系数，得到所需
11、的时钟频率。输出时钟co设置。波形存储ROM波形存储ROM用来产生正弦波数据，产生的数据存于ROM中。可以通过 mif文件编辑器生成mif格式的文件。通过修改编辑器属性进行初始相位等的一些基本参数的设定73,OxFF编辑器属性设定0度时对应的波形文件为：DEPTH=128;WEDTH=8;ADDRESS_RADIX=HEX;DATA_RADIX=DEG;CONTENTBEGIN0000:0;0001:6;0002:12;0003:18;将ROM的初始化文件加入到lpm_rom中去，随后将已编辑好的 mif文件添加进来，如图所 示：ROM数据参数印2年寸1 1 0iichckq7inrtl?lp
12、m_rom 模块首先设置芯片的系列，存储单元的数目和数据线。本设计采用的是10比特的D/A转换器,所以波形ROM的地址位数设为12位。然后进行控制端口设置增加时钟使能信号和异步清零信号。他们只对寄存器方式的端口有效，输出端口设为寄存器类型。mif文件编辑器生成rom初始化文件三角波模块设计三角波由计数器和三角波发生器组成，可通过三角波mif文件三角波一记事本文件CF)编辑0E)格式(0)查看也 帮助”DEPTH = 32；WIDTH = 8；ADDRESS_RfiDIX = HEX；DATARADIX = DEC；CONTENTBEGIN0000：0；0001：-16；0002：-32；对lp
13、m_counter按如上的方法进行初始化要将wide改为5, mudulus改为31,对lpm _rom也要进行初始化，将三角波mif加载进去，画出三角波的电路图，对其进行仿真。)?! 觥揩 160 Qiu 施。必机。招 闻6用 SOD k 6肌m12%心Ipuumnmmn皿nn皿nnmmnnmmw三角波仿真图比较器模块的设计比较器是以组合逻辑电路，三角载波和正弦波任意幅度值的变化都会引起比较器的工作。如图为比较器模块。gm mmp3M期，工.；坨4 c orTipiraeb aneb dataa(7.0| agtdsrtab(7.01 ageb aib alebint6比较器模块整个系统模块
14、的仿真下图是整个系统模块的最终仿真波形图。图中为三相六路SPWM波形图，在性能上完全达到 设计要求。F4 q中斗叶.中中 gww r 勺+匚-卜中，卜事F -7+-.中*通七*工,* 寺中卜卜4dH二一Jw . 1H1 4 石耳 . 用叮.真* 缶系统仿真波形图由仿真系统波形图可以看到产生了三相六路PWM波形图，根据 PWM信号控制逆变电路的六个逆变器件的导通和关断，为1时导通，为0是关断。就可以得到三相频率可变的交流输出，去拖动电动机。改变信号的周期与幅值也就改变了主开关的输出脉冲周期与占空比， 从而实现电机的变频调速控制。结论：伴随着电力电子技术的逐渐高频和复杂化，使电力电子技术的数字化控制将变成电力电子控制技术中的一个重要的发展趋势。本次基于FPGA来实现变频调速的设计，且取得了成功。该控制系统可以产生多路 PWM 波形。实现电源频率可调，每路脉冲之间的相位也可调，而且具有接口也简单，响应速度也较快，容易修改，可进行现场编程等优点。可以应用在PWM数字化的控制。除此之外，FPGA不仅可以直接应用在变频调速控制系统中，还可以作为电力电子系统 的控制芯片以及电力电子集成系统的芯片设计与验证的重要工具和方法。