2017全国电子设计大赛一等奖论文设计三相逆变微电网并联.pdf

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1、实用文档 文案大全 微电网模拟系统设计报告 实用文档 文案大全 题目：微电网模拟系统 摘要 本文针对微电网模拟系统研究背景，设计了可编程逻辑器件FPGA为控制核 心的两个三相逆变器系统。本系统的硬件主要由逆变主电路系统和FPGA 控制电 路系统构成， 包括 FPGA 控制电路、CC2640的 AD采样电路、三相逆变驱动电路、 互感器电路、辅助电源电路、调压整流电路、滤波及缓冲电路等。由FPGA 控制 电路输出六路 PWM 信号 (PWM1-PWM6)来控制逆变器的 MOS 管通断，通过电流电压 互感器对输出进行反馈，再经A/D 转换器进行采样，传给FPGA 控制电路来调节 输出，构成闭环控制系

2、统。 本系统软件设计是利用Verilog HDL的 FPGA 逻辑门、 IP 核、时钟 (DMC) 等资源生成 SPWM 模块、并行通信模块结合TI 的 CC260的 A/D 采集和显示模块。最后，将软硬件系统联合调试，经验证，软硬件都达到预期目 标，实际效果较好。 关键字：微电网模拟系统； FPGA 可编程逻辑；三相逆变； SPWM 模块 目录 1 方案论证 . 1 实用文档 文案大全 1.1 主控单元的比较与选择. 1 1.2 SPWM 模块的比较与选择. 1 1.3 驱动模块的比较与选择. 1 1.4 方案描述 . 2 2 理论分析与计算. 2 2.1 逆变器提高效率的方法. 2 2.2

3、 运行模式控制策略. 3 3 电路与程序设计. 3 3.1 逆变器主电路与器件选择. 3 3.1.1 总体系统电路. 4 3.1.2 逆变电路 . 4 3.1.3 滤波电路 . 4 3.2 控制电路与控制程序. 5 3.2.1 控制电路 . 错误！未定义书签。 3.2.2 控制程序 . 5 4 测试方案与测试结果. 5 4.1 测试方案及测试条件. 错误！未定义书签。 4.2 测试结果 . 6 4.3 测试结果分析. 6 5 总结 . 6 参考文献 . 6 附件 . 7 附 1：元器件明细表 7 附 2：仪器设备清单 7 附 3：电路图图纸 8 附 4：PCB图 9 附 6：程序清单 10 实

4、用文档 文案大全 1方案论证 1.1 主控单元的比较与选择 方案一：采用数字信号处理器DSP 。传统基于 DSP的逆变控制的设计虽然在 计算的复杂度和软件的灵活性上有一定优势，但是程序为顺序运行从而导致逆变 器控制算法在计算速度上受到很大的限制。 方案二：采用可编程逻辑器件FPGA 。基于 FPGA的逆变器的并行特点使其非 常适合产生 SPWM，从而在速度上占很大的优势，适合本题目要求。 综上所述，选择方案二。 1.2 SPWM 模块的比较与选择 方案一：采用比较器对正弦波和三角波进行比较得到PWM 波，然后送入驱 动电路放大再驱动MOSFET 。但该方案受运放参数影响较大，调试困难。 方案二

5、：运用可编程逻辑器件FPGA产生 PWM 通过正弦值查表法来产生 SPWM。该方案实现简单，有较强的抗干扰能力。 综上所述，选择方案二。 1.3 驱动模块的比较与选择 方案一：采用专用驱动芯片IRS2186搭建驱动电路。驱动芯片配合外围电路 完成，该方法优点是系统的集成度高，有良好的过载和短路保护功能。 方案二： 采用分立元器件搭建驱动电路。 电路中选用高速开关管8050和 8550， 其反应速度可以达到微秒级， 可以避免信号在传输过程中的累加延迟，有利于减 少输出波形的失真度。但电路较复杂化，需要额外搭建保护电路。 综上所述，选择方案一。 实用文档 文案大全 1.4 方案描述 本设计的整体方

6、案主要有FPGA控制模块， SPWM模块，驱动模块， A/D 采 样模块， OLED显示模块和并行通信模块组成。 图 1 总体系统方案框架图 2理论分析与计算 2.1 逆变器提高效率的方法 逆变器效率提升技术主要集中在两个方面：结构和器件等硬件； 控制及调制 策略。 结构及器件上的改进， 采用软开关技术通过谐振电路，实现功率器件在零电 压状态下开通或者关断，从而有效减小换流时MOS 管的开关损耗，达到提升逆 变器效率的目的。 控制策略的改进， 采用电压空间矢量脉宽调制技术通过三相交流电压综合在 一起，通过对称排列方式，可获得减小MOS 管开关次数的效果，从而能够进一 步减小逆变器功率器件的开关

7、损耗。 FPGA 可编程逻辑主控 CC2640 低功耗 MCU 并行通信 三相全桥 逆变电路 MOS 驱动电路 LC滤波器 按键设置显示模块 滤波电路 输 入 输 出 实用文档 文案大全 2.2 运行模式控制策略 本设计三相逆变器有单独工作模式和并联工作模式。通过分析逆变电源并联 基础模型，采样一种基于FPGA 的无互连线复合控制方案。 双闭环反馈控制中，设，为电压环的比例系数和反馈系数，为 电流调节器的比例系数和反馈系数，为参考的指令电压。忽略参数 r 的影 响，经过环路分析，设，可推导出系统传递函数为： （公式 1） 故空载时逆变系统的幅值静差： （公式 2） 可见， 系统的静差可随，和，

8、的增大而不断减小。基于内模原 理的重复控制技术， 对于给定或具有重复性干扰的系统具有较好的控制效果，有 效降低并联电流波形的 THD。结合双闭环和重复控制的并联波形控制方法，解决 并联逆变电源的功率分配问题，不用模式切换即可方便地并联使用。 3电路与程序设计 3.1 逆变器主电路与器件选择 本系统器件选择 FPGA 主控，LC滤波电路，全桥 AOTF298L 芯片，电压电流互 感器， OLED 显示屏，以及薄膜按键。 实用文档 文案大全 3.1.1 总体系统电路 图 2 总体系统电路图 3.1.2 逆变电路 逆变电路的设计采用全控型MOSFET 三相桥式逆变电路。 由 FPGA 控制器产生 S

9、PWM 到 IRS2186芯片搭建的驱动电路，驱动电路控制MOSFET 管的通断，逆变输 出经过低通滤波器将SPWM 波形变换成较稳定的正弦波电压。在此电路中存在布 线电感，在开关器件关断的过程中容易出现过尖峰电压，严重时会损坏开关器件， 因此需要设置保护电路来抑制尖峰电压，而且设置瞬态电压抑制器和快速二极管 组成的钳位电路可将MOSFET 关断过程产生的尖峰电压限制在安全范围内，同时 可以减少开关损耗。逆变电路图如下： 图 3 逆变电路图 3.1.3 滤波电路 滤波电路的设计在逆变器的输出中含有逆变器开关频率和开关频率整数倍 附近的谐波，如果不滤除这些高频谐波，将会给电路带来谐波污染。 因此

10、本设计 选择 LC滤波电路。逆变全桥输出的是200KHz的 SPWM 方波，基波为工频50Hz， 还含有低次和高次谐波，其中幅值最大的是200KHz的谐波。在实际应用中，忽 略电感对负载的分压作用及电容对负载的分流作用，并考虑变压器的电感， 经计 算及实验调整后，取L =100u H，C=4.7uF/100V。 FPGA 主控制器 三相 SPWM IRS2186 驱动电路 三相逆变 滤波输出 实用文档 文案大全 3.2 控制电路与控制程序 本系统采用 FPGA 和 CC2640联合控制方案， 能更好的实现均流和任意比例电 流输出，达到较好并联的效果。(控制电路见附录 ) 3.2.1 控制程序

11、图 4 主程序程序流程图 3.3 测试方案与测试结果 第一步：将四通道示波器的三个探针接在单片机输出PWM 的引脚； 第二步：记录输出三相波形数据； 第三步：改变单片机输出SPWM 的频率，返回第一步操作，直到调出50HZ 的 SPWM波测试完。 开始 装载正弦值 按键？ SPWM 输出 结束 调 幅 调 频 实用文档 文案大全 3.4 测试结果 图 5 三相输出波形图 3.5 测试结果分析 结果分析由数据表明，三相逆变电源输出每路相位相差120 度的频率可调的 正弦波，电压有效值24V，电流最大输出3A。基本实现所有功能，满足题目要 求。 4总结 通过比赛，大大提高了我们的创新精神，动手能力

12、，团队协作和竞争意识。 充分发挥团队合作精神，工作进展很顺利。我们在比赛中做到精益求精，在完成 基本功能之后，又向发挥部分进发，最后完成了所有的基本功能和发挥部分，较 好的达到了题目要求的各项指标。 参考文献 1 邱关源 .电路M. 北京：高等教育出版社， 2003 2 华成英，童诗白 .模拟电子技术基础 M. 北京：高等教育出版社， 2006 3 李练兵，光伏发电并网逆变技术：化学工业出版社，2016 4 路秋生，中大功率开关变换器：机械工业出版社，2017 实用文档 文案大全 附件 附 1：元器件明细表 序号元器件数量 1 可编程逻辑器件FPGA 2 2 TLC272 1 3 MOS管12

13、 4 散热片2 5 电容若干 6 INA282 10 7 电阻若干 附 2：仪器设备清单 序号仪器数量 1 四位半数字万用表4 2 数字电桥1 3 直流稳压电源1 4 函数信发生器1 5 500MHz 4GSa/s数字示波器1 实用文档 文案大全 附 3：电路图图纸 附图 1 过压保护电路图 附图 2 主控制电路图 实用文档 文案大全 附 4：PCB图 附图 3 主控板 PCB正面图 附图 4 主控板 PCB背面图 实用文档 文案大全 附 6：程序清单 FPGA代码： module sanxiangA (clk,ah,al,bh,bl,ch,cl,hafeh,hafel,led,key_in,

14、key_in1,key_out,data_in, control_jk,din,sclk,sync,enable,ldac,v_back,flag_out,flag_in); input clk;/ 输入时钟50M input1:0 data_in; input v_back;/ 电压采样反馈 input4:0 key_in1;/映射按键key4是并联控制信号 input4:0 key_in; /按键输入 output4:0 key_out; /按键输出 wire4:0 key_out;/ assign key_out3:0=key_in3:0; assign key_out4=key_tem

15、p; reg key_temp; output control_jk;/并联继电器控制 reg control_jk=0;/0为继电器断开 input flag_in; output flag_out; wire flag_out; assign flag_out=flag_a; output hafeh;/50%pwm高管 output hafel;/50%pwm低管 output3:0 led; parameter25:0 pwm_timer_full = 26d1000;/pwm总计数 1000 次 即 1000 档 reg9:0 pwm_timer_high = 10d450;/pwm

16、最高档位不应大于pwm_timer_full 用于调幅 reg9:0 pwm_hold_a = 10d10;/pwm高电平所用计数数量 reg9:0 pwm_hold_b = 10d10;/pwm高电平所用计数数量 reg9:0 pwm_hold_c = 10d10;/pwm高电平所用计数数量 reg25:0 count_pwm_count_a=26d0;/a通道的 pwm 计数 reg25:0 count_pwm_count_b=26d0;/b通道的 pwm 计数 reg25:0 count_pwm_count_c=26d0;/c通道的 pwm 计数 parameter25:0 spwm_t

17、imer_1hz = 26d25_000;/spwm计数计数值为25 d24_999_999 时为 1HZ 实质为半周期 reg7:0 spwm_f = 8d50;/spwm频率 reg25:0 count_spwm = 26d49_999;/spwm计数 即一周期 pwm 波的总数量用于设置 spwm 波的频率最大为 25d24_999_999 且 count_spwm= spwm_timer_1hz / spwm_f 实用文档 文案大全 reg25:0 count=26d0; reg3:0 led; reg flag=0;/ 为 0 时是单通道为 1 时为并联 reg flag_a=1;/

18、 为 1 时为上半波为 0 时为下班波 reg flag_b=1; reg flag_c=1; reg25:0 data_tatol=26d500;/总数据量 reg15:0 datax0:500;/偏转值数据库 always(posedge clk) begin channelcount_spwm) #endif / USE_DEFAULT_USER_CFG /*Exception handler*/ void exceptionHandler() volatile uint8_t i = 1; while(i) 实用文档 文案大全 #ifdef FEATURE_OAD #if define

19、d(_IAR_SYSTEMS_ICC_) extern uint32_t _vector_table; #elif defined (_TI_COMPILER_VERSION_) extern uint32_t ti_sysbios_family_arm_m3_Hwi_resetVectors; #endif /Compiler #endif /FEATURE_OAD /*= main =*/ int main() PIN_init(BoardGpioInitTable); #ifndef POWER_SAVING Power_setConstraint(Power_SB_DISALLOW);

20、 Power_setConstraint(Power_IDLE_PD_DISALLOW); #endif / POWER_SAVING /* Initialize ICall module */ ICall_init(); /* Start tasks of external images - Priority 5 */ ICall_createRemoteTasks(); /* Kick off profile - Priority 3 */ GAPRole_createTask(); SimpleBLEPeripheral_createTask(); #ifdef FEATURE_OAD

21、uint8_t counter; uint32_t *vectorTable = (uint32_t*) 0x20000000; #if defined(_IAR_SYSTEMS_ICC_) uint32_t *flashVectors = #elif defined(_TI_COMPILER_VERSION_) uint32_t *flashVectors = #endif /Compiler. / Write image specific interrupt vectors into RAM vector table. for(counter = 0; counter 15; +counter) *vectorTable+ = *flashVectors+; #endif /FEATURE_OAD /* enable interrupts and start SYS/BIOS */ BIOS_start(); return 0;