PWM整流器設(shè)計電氣工程專業(yè)

iPWM 整流器設(shè)計摘摘 要要 煤炭、石油和天然氣等化石燃料的迅速消耗，不僅引起了能源危機(jī)，還造成了以及環(huán)境污染日益加劇，由于電力的清潔，輸送方便，在各國的國民工業(yè)發(fā)展中都占據(jù)著重要的地位，隨著電力的廣泛應(yīng)用，越來越多的負(fù)載對用電的種類提出了要求，需要一定的電力變換設(shè)備。電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，整流器的應(yīng)用領(lǐng)域也日益擴(kuò)大。在電壓平衡狀態(tài)下，PWM整流器具有能量的雙向流動，在用電和配電、各種工業(yè)場合領(lǐng)域占據(jù)了重要的地位。本文首先對PWM整流器系統(tǒng)進(jìn)行了研究。在查閱大量國內(nèi)外文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，對整流器及其控制器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及研究趨勢做了詳細(xì)的研究，并對課題研究的意義有了更深入的認(rèn)識。接下來對三相電壓型整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型、整流器的控制技術(shù)進(jìn)行了分析，并結(jié)合一定的平臺對PWM整流器進(jìn)行研究設(shè)計，對其控制方法運(yùn)用MATLAB 仿真軟件進(jìn)行了仿真。然后對 FPGA 的發(fā)展歷程、應(yīng)用、分類、開發(fā)工具、語言等內(nèi)容進(jìn)行了介紹。最后對滯環(huán)控制算法進(jìn)行了模塊劃分，將其劃分為 PI 算法模塊，限幅與指令電流生成模塊，滯環(huán)比較模塊，PWM 脈沖生成及死區(qū)保護(hù)模塊，AD 控制及數(shù)據(jù)儲存模塊，并在 Quartus II 軟件環(huán)境下，使用 VHDL 語言通過編程實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計。實(shí)踐證明，設(shè)計的 PWM整流器和控制算法是可行的。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：能源，PWM 整流器，控制方法，MATLABiiPWM RECTIFIER DESIGNABSTRACTThe rapid consumption of fossil fuels such as coal, oil and natural gas has not only caused an energy crisis, but also caused an increase in environmental pollution. Due to the clean and convenient transportation of electricity, it plays an important role in the development of national industries in various countries. With the widespread use of electricity, more and more loads place demands on the types of electricity used, and certain power conversion equipment is required. With the rapid development of power electronics technology, the application fields of rectifiers are also expanding. In the state of voltage balance, the PWM rectifier has a bidirectional flow of energy, and plays an important role in the field of electricity and power distribution, and various industrial occasions.This paper first studies the PWM rectifier system. On the basis of consulting a large number of domestic and foreign literatures, the domestic and foreign development status and research trends of rectifiers and their controllers have been studied in detail, and the significance of the research has been further understood. Next, the topology, mathematical model and rectifier control technology of the three-phase voltage rectifier are analyzed. The PWM rectifier is researched and designed with a certain platform. The control method is simulated by MATLAB simulation software. Then, the development history, application, classification, development tools, language and other contents of FPGA are introduced. Finally, the hysteresis control algorithm is divided into modules, which are divided into PI algorithm module, limiting and command current generation module, hysteresis comparison module, PWM pulse generation and dead zone protection module, AD control and data storage module, and In the Quartus II software environment, modular design is programmed through the VHDL language. Practice has proved that the designed PWM rectifier and control algorithm are feasible.Key words: Energy, PWM Rectifier, Control Method, MATLABiii目目 錄錄摘摘 要要.ivABSTRACT .v第一章第一章 緒緒 論論.11.1 課題研究的背景及意義 .11.2 整流器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 .11.3 PWM 整流器控制方法 .31.4 本文研究思路及安排.4第二章第二章 整流器系統(tǒng)工作原理分析整流器系統(tǒng)工作原理分析.52.1 整流器工作原理 .52.1.1 三相整流器.52.1.2 單相整流器.52.2 整流器中各個開關(guān)狀態(tài)分析 .62.3 整流控制原理 .72.3.1 間接電流控制.72.3.2 直接電流控制.82.4 整流器主控芯片選型 .82.4.1 主控芯片 FPGA 的特點(diǎn) .92.4.2 芯片開發(fā)語言.9第三章第三章 PWM 整流器參數(shù)設(shè)計整流器參數(shù)設(shè)計.113.1 整流器交流側(cè)電感設(shè)計 .11iv3.2 整流器功率器件的確定 .123.3 直流側(cè)電容設(shè)計 .12第四章第四章 PWM 整流器硬件電路設(shè)計整流器硬件電路設(shè)計.144.1 相關(guān)電路設(shè)計 .144.1.1 RC 濾波及 LM2902 電路設(shè)計.144.1.2 AD7656 與 FPGA 的連接.154.2 電源電路的設(shè)計 .154.3 驅(qū)動電路的設(shè)計 .164.4 PWM 產(chǎn)生模塊設(shè)計.17第五章第五章 整流控制方法設(shè)計整流控制方法設(shè)計.195.1 算法功能模塊劃分 .195.2 PI 算法模塊.205.3 PWM 限幅與指令電流生成模塊.215.4 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析 .22第六章第六章 總結(jié)及展望總結(jié)及展望.25參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).26致致 謝謝.291第一章第一章 緒緒 論論1.11.1 課題研究的背景及意義課題研究的背景及意義自上世紀(jì) 19 世紀(jì)末，人類社會經(jīng)過了第二次工業(yè)革命，進(jìn)入了電氣時代，電能成為了日常生活不可缺少的一部分，目前各國都在普遍關(guān)注如何能高效率、無污染地使用電能，不能直接被利用的電能占 70%以上，這些電能都要經(jīng)過電力電子裝置控制變換后才能使用，其中整流器占到 90%以上1，而大部分都是使用的相控整流或者不控整流，這些方式具有很強(qiáng)的非線性，無功功率大，會對電網(wǎng)注入大量諧波，污染電網(wǎng)，許多國家制定了諧波標(biāo)準(zhǔn)，如 IEC1000-3-2、IEEE519-1992 和 IEC555-2 等，用以限制電流諧波含量，傳統(tǒng)方式的整流大都達(dá)不到這些標(biāo)準(zhǔn)，所以功率因數(shù)校正技術(shù)成為國內(nèi)外的熱點(diǎn)2。通常低功率因數(shù)負(fù)載會帶來電能質(zhì)量問題，這種負(fù)載會對電網(wǎng)產(chǎn)生一些危害，比如：電網(wǎng)產(chǎn)生無功電流，使得電網(wǎng)的總功率增加，損耗增加。增加了系統(tǒng)的發(fā)電負(fù)擔(dān)和輸電設(shè)備的負(fù)擔(dān)，降低了被傳送的有功功率的大小，通常有兩種方式可以抑制諧波的生成，一種是電感損耗大的有源或無源濾波電路，其功率因數(shù)提高能力也有限。另一種就是功率因素可達(dá)到 0.9 甚至接近于 1 的帶功率因數(shù)校正的變換器3。功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）可以分為有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction）、無源功率因數(shù)校正。無源 PFC 笨重且體積大4，功率因數(shù)低。有源 PFC 功率因數(shù)高、輸出電壓穩(wěn)定、體積小。因此對整流設(shè)備 PFC 的研究具有重要的的現(xiàn)實(shí)意義。和傳統(tǒng)的晶閘管相控整流或不控整流相比，將功率因數(shù)校正用于整流器控制中，使得控制之后的輸入的電流波形并跟蹤上三相輸入電壓，同時使直流側(cè)輸出電壓恒定，實(shí)現(xiàn) PFC。整流器設(shè)備動態(tài)響應(yīng)快，具有很強(qiáng)的生命力，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，PWM 技術(shù)也日漸成熟，電路的拓?fù)湟矎膯蜗嗟饺?，到多相組合及多電平結(jié)構(gòu)，并已有相應(yīng)的產(chǎn)品投入了使用，受到功率半導(dǎo)體的制造工藝限制，傳統(tǒng)的兩電平在大功率、高電壓的場合對器件有嚴(yán)格要求，所以一般使用功率器件串并的方式，但是它們又會產(chǎn)生均壓均流的問題，使得整流器不能達(dá)到理想的性能，多電平拓?fù)涞?PWM整流器能夠降低對器件的要求，同時能進(jìn)一步減小輸入電流的諧波含量，降低系統(tǒng)的損耗，提高系統(tǒng)的效率，所以多電平整流器收到越來越多的關(guān)注，同時為 PWM 整流器的發(fā)展開辟了新領(lǐng)域。21.21.2 整流器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢整流器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢國內(nèi)外多三相 PFC 的研究主要有以下一些方面：三相整流器的研究從不控整流開始，如下圖 1-1 所示，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但是缺點(diǎn)也很突出，直流側(cè)電容充放電引起輸入三相電流諧波含量高，功率因數(shù)也很低6。圖 1-1 三相不控整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖半控或者全控型器件出現(xiàn)之后，不控整流的二極管被這些新器件替代所演化出來的新拓?fù)湟约疤砑尤匦推骷男峦負(fù)渚彤a(chǎn)生了，如單開關(guān)的三相功率因數(shù)校正拓?fù)洌送負(fù)浔炔豢卣魍負(fù)涠嗔艘粋€二極管和一個全控型開關(guān)7-9，開關(guān)管的動作加上二極管的作用可以使電路工作在兩種模式下，使得輸入電流產(chǎn)生不同的變化，通過對拓?fù)涞慕７治?，可以通過控制開關(guān)管的占空比來降低輸入電流諧波提高功率因素，單開關(guān)三相功率因數(shù)校正拓?fù)鋱D如下圖 1-2 所示：圖 1-2 單開關(guān)三相功率因數(shù)校正拓?fù)湓谠械脑O(shè)計基礎(chǔ)上，后來研究者對 PWM 整流器的整個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提出了更為性能優(yōu)良的整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1-3 所示10。3圖 1-3 改進(jìn)整流電路圖改進(jìn)的 PWM 整流器的拓?fù)渚哂幸韵碌膬?yōu)點(diǎn)：（1）屬于 boost 升壓型整流器，在正常工作的情況下，輸入三相功率電感工作在連續(xù)模式下，比較容易實(shí)現(xiàn)輸入電流正弦化，從而實(shí)現(xiàn)趨于單位功率因數(shù)運(yùn)行11-12；（2）由于改進(jìn)后的整流器也屬于三電平的 PWM 整流器拓?fù)?，所以所有的二極管和開關(guān)管在正常工作時最大承受電壓為輸出側(cè)直流電壓的一半；（3）電壓跳變小，和其它拓?fù)湎啾?，在開關(guān)頻率不變是，電感電流紋波小，所以電感的體積較小，整流器的功率密度相對較大；（4）能量只能單向流動，工作于整流狀態(tài)。1.3 PWMPWM 整流器控制方法整流器控制方法整流的控制策略種類繁多，從電感電流是否連續(xù)的角度出發(fā)，可以把 APFC(Active Power Factor Correction)分為連續(xù)電流模式（CCM）、臨界電流模式（BCM）、斷續(xù)電流模式（DCM）以及在 CCM、DCM 混聯(lián)模式（MCM），臨界電流模式和斷續(xù)電流模式的電流峰值和電流紋波相等，諧波大，平均電流小，同時斷續(xù)工作模式的控制方式簡單，所以比較適用于小功率的應(yīng)用；連續(xù)電流模式的電感電流連續(xù)，諧波小，常用于大功率應(yīng)用13。就電流控制環(huán)而言，可以分為峰值、峰谷電流控制，固定導(dǎo)通、關(guān)斷時間控制、平均電流控制、滯環(huán)電流控制和脈沖序列控制等，其中最常用的是：峰值、滯環(huán)、平均電流控制。除此之外，各種新型非線性的控制策略層出不窮，如單周控制、SVPWM 控制、無差拍控制、滑?？刂?、模糊 PID 控制等14-16。PI 控制是工業(yè)中常用的控制方式，控制器中的積分環(huán)節(jié)可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)使它無差的跟蹤給定信號，常規(guī)的積分控制器只能在參考信號是直流量時保證系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，而對周期性的參考信號無能為力，現(xiàn)在的三相 PWM 整流器都是從三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系，把對交流信號的分析變?yōu)閷χ绷髁康姆治觯媒?jīng)典控制理論的控制方法進(jìn)行控制17。41.4 本文研究思路及安排本文研究思路及安排本文主要對整流器的硬件電路和控制方法進(jìn)行了研究，設(shè)計了整流器的應(yīng)用場景，根據(jù)前的新能源領(lǐng)域電動汽車的發(fā)展對 PWM 整流器的需求，整定了設(shè)計指標(biāo)，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗，全文總共分為六章，具體章節(jié)安排如下：第一章是緒論，分析了 PWM 整流器設(shè)計課題的背景和意義，論述了國內(nèi)外整流器研究的現(xiàn)狀，以及今后的發(fā)展趨勢，并對控制方法進(jìn)行了闡述。第二章對整流器的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對三相和單相整流器的工作原理的區(qū)別重點(diǎn)論述，分析了整流器中的開關(guān)管的工作狀態(tài)，對整流器的主控芯片進(jìn)行了選擇。第三章對 PWM 整流器的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計，通過對電路中的電感、功率器件電容等各個元器件的餐數(shù)進(jìn)行設(shè)計，獲得了整個電路的設(shè)計參數(shù)。第四章在第三章參數(shù)設(shè)計的基礎(chǔ)上設(shè)計了整流器的整個硬件電路，并對重要的電路模塊進(jìn)行了分析，給出了模塊的電路結(jié)構(gòu)。 第五章利用了電流控制方法實(shí)現(xiàn)對整流器的控制，對算法的功能進(jìn)行分析，給出了算法 PI 的模塊和電流生成模塊，并進(jìn)行了仿真驗證。第六章對全文進(jìn)行了總結(jié)和展望，對設(shè)計的不足進(jìn)行了分析，為以后的改進(jìn)提出了研究建議。5第二章第二章 整流器系統(tǒng)工作原理分析整流器系統(tǒng)工作原理分析2.12.1 整流器工作原理整流器工作原理隨著三相大功率電力電子裝置在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，人們對電力電子設(shè)備 產(chǎn)生的諧波污染也日益的重視起來。 VIENNA 整流器作為一種優(yōu)秀的功率因數(shù)校正拓 撲結(jié)構(gòu)，其每個橋臂只需一個功率開關(guān)管，三個橋臂的驅(qū)動相互獨(dú)立，不需要設(shè)置死區(qū) 時間，電路中的任意功率元器件所承受的電壓均為直流側(cè)母線電壓的一半，輸出直流電壓不存在直通危險，基于上述的諸多優(yōu)點(diǎn)而受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并對其進(jìn)行了大量的研究。2.1.12.1.1 三相整流器三相整流器三相三線制整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示，它由三個功率電感（工作在 boost 模式下） 、一個三相整流橋（由超快恢復(fù)二極管構(gòu)成） 、三組雙向功率開關(guān)（電流可以雙向流動）和一組串聯(lián)的輸出電容構(gòu)成。將每一相上的兩個超快恢復(fù)二極管和其所對應(yīng)的雙向功率開關(guān)定義為此相的功率橋臂18。圖2-1 三相三線制整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.1.22.1.2 單相整流器單相整流器單相整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2-2 所示，單相整流器電路結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)管承受的電壓為輸出電壓的一半，同等輸出電壓情況下，能有效地降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力。 另6外，該電路具有三電平結(jié)構(gòu)19-20，因而，在確定電流紋波要求下，可以采用較小的濾波電感。由于上述特點(diǎn)使得該電路在單相功率因數(shù)校正（ PFC）場合具有良好應(yīng)用前景。研究了一種基于單周期控制技術(shù)、采用簡單模擬控制電路的單相整流器。圖 2-2 單相整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.22.2 整流器中各個開關(guān)狀態(tài)分析整流器中各個開關(guān)狀態(tài)分析在工作過程中，整流器的工作狀態(tài)由交流側(cè)的輸入電流方向決定，不同的開關(guān)狀態(tài)組合在各相電流不同的時刻下會產(chǎn)生不同的控制效果。因為整流器的三相電路完全對稱，所以在此以其中某一相為例，分析其工作狀態(tài)，其余相工作狀態(tài)可將此相作為參考。將電流流出電網(wǎng)方向定義為正方向，由于雙向開關(guān)中的 SUP 和 SUN 的控制方式相同21，所以在任何時刻都是同時動作。下面以單相為例，對不同狀態(tài)下的開關(guān)狀態(tài)和工作原理進(jìn)行介紹。（a）IA0，Ua0，SAP、SAN 閉合（b）IA0，Ua 0，SAP、SAN 斷開圖 2-3 相電流為正時的工作狀態(tài)當(dāng) a 相電流 IA0，a 相電壓也為正，雙向開關(guān)導(dǎo)通時，a 相電流流向如圖 2-4(a)所示，此時 A 點(diǎn)的電位被雙向開關(guān)鉗位，A 點(diǎn)相對于 O 點(diǎn)的電壓為 0V；當(dāng)雙向開關(guān)7關(guān)斷時，a 相電流的流向如圖 2-4(b)所示，此時對上電容 C1 充電，A 點(diǎn)相對于 O 點(diǎn)的電位為 Uo/2（Uo 為直流側(cè)電容輸出電壓）。2.32.3 整流控制原理整流控制原理目前在工業(yè)領(lǐng)域采用的幾乎都是傳統(tǒng)的整流裝置。但是傳統(tǒng)的整流裝置有的是功率因數(shù)低，有的則是諧波含量大。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展各種新型的功率器件和更先進(jìn)的控制方式層出不窮，近幾年 SPWM 控制在電源和變頻器等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。我們通過將上述控制方法移植到整流電路中，就形成了所謂的 PWM 整流裝置，通過采用適當(dāng)?shù)目刂品桨?，即可使整流器工作于單位功率因?shù)狀態(tài)22-23。為了達(dá)到這種要求，目前有多種控制策略，主要有以下兩種控制方法：間接電流控制和直接電流控制。2.3.12.3.1 間接電流控制間接電流控制間接電流控制也稱為幅相控制。是通過控制整流器網(wǎng)側(cè)輸入電壓的幅值和相位來實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流。圖 2-4 為間接電流控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中的整流電路為三相橋式整流電路?？刂品椒ú捎玫氖菃伍]環(huán)調(diào)節(jié)，具體控制過程如下：通過傳感器檢測實(shí)時的被控量即直流側(cè)電壓 ud，通過和給定電壓 ud*進(jìn)行比較得出一誤差，該誤差通過 PI 調(diào)節(jié)控制輸出指令電流 id，該指令電流值的大小是和網(wǎng)側(cè)電流成正比例關(guān)系。id 分別和網(wǎng)側(cè)內(nèi)阻R 以及網(wǎng)側(cè)電感 L 的感抗即可得出二者上面的壓降，兩者之和即為整個網(wǎng)側(cè)壓降，由電網(wǎng)電壓 ua、ub、uc 分別減去該網(wǎng)側(cè)壓降即可得出整流器網(wǎng)側(cè)兩端的直流電壓24，即指令調(diào)制信號，該信號經(jīng)過三角載波進(jìn)行調(diào)制，得到的控制脈沖驅(qū)動整流橋路功率器件，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)。該方法是對整流器網(wǎng)側(cè)端電壓進(jìn)行直接控制來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的間接調(diào)節(jié)，即間接電流控制方式。圖 2-4 整流間接電流控制圖 從以上間接電流控制方案的分析可以看出，該種控制方法在實(shí)際實(shí)現(xiàn)過程當(dāng)中需要用到電路參數(shù)，當(dāng)電路參數(shù)的理論計算值和實(shí)際值存在誤差時，必將會影響系統(tǒng)的控8制效果。此外，這種控制方法使基于系統(tǒng)的靜態(tài)模型設(shè)計的，其動態(tài)特性較差。因此，間接電流控制的系統(tǒng)應(yīng)用較少。2.3.22.3.2 直接電流控制直接電流控制間接控制方式雖然首先在 PWM 整流電路中得到應(yīng)用，但存在動態(tài)響應(yīng)慢和受系統(tǒng)參數(shù)影響大等弱點(diǎn)，針對這些問題才提出電流直接控制策略，簡稱直接控制。在這種控制方法中，通過運(yùn)算求出交流輸入電流指令值25-27，再引入交流電流反饋，通過對交流電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值，因此這種方法稱為直接電流控制。直接電流控制方案中有不同的方法，包括滯環(huán)電流控制和空間矢量控制。圖 2-5 給出的是一種最常用的采用電流滯環(huán)比較方式的直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖 2-5 整流滯環(huán)電流控制系統(tǒng)由于諸如滯環(huán)電流跟蹤技術(shù)和矢量控制等技術(shù)方案均可在該策略中得到應(yīng)用，因而很受各方面關(guān)注。采用滯環(huán)電流跟蹤比較的直流電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，電流相應(yīng)速度快，控制運(yùn)算中未使用電路參數(shù)，系統(tǒng)魯棒性好，因而獲得了較多的應(yīng)用，從發(fā)展趨勢看，有望成為主導(dǎo)變流控制技術(shù)。2.42.4 整流器主控芯片選型整流器主控芯片選型在工業(yè)控制領(lǐng)域，目前主要的控制器大多以 MCU/DSP 等微處理器為核心，通過軟件實(shí)現(xiàn)控制算法，但這種以軟件為主的微處理器方案的性能在很多程度上取決于控制器的性能。而諸如 DSP 等控制核心，由于其內(nèi)部軟件是順序執(zhí)行的，所以大量的控制算法計算會占用較長的時間，控制系統(tǒng)的實(shí)時性和快速性受到了影響29-30。當(dāng)需要一個控制器控制多個對象時，DSP 等控制核心很難完成，如果采用多個控制系統(tǒng)并聯(lián)執(zhí)行的話又會增加成本，使控制系統(tǒng)復(fù)雜，降低實(shí)用性和可靠性。隨著科技的發(fā)展，F(xiàn)PGA 的出現(xiàn)使此類問題有了一個全新的解決方案。本設(shè)計采用 EP2C20F256 作為主控芯片，EP2C20F256 是 Altera 公司 2004 年推出的新款 Cyclone II 系列 FPGA 芯片。Cyclone II 系列 FPGA 的成本比第一代 Cyclone 器件低 30%，而邏輯容量卻大了很多。Cyclone II 器件包含了許多新的特性，9如嵌入存儲器、嵌入乘法器、PLL 和低成本的封裝等。因此，CycloneII 系列器件被廣泛應(yīng)用于通信、工業(yè)等諸多領(lǐng)域，可滿足大多項目設(shè)計要求。2.4.12.4.1 主控芯片主控芯片 FPGAFPGA 的特點(diǎn)的特點(diǎn)一個復(fù)雜的大型數(shù)字控制系統(tǒng)必須依靠其控制核心來完成對系統(tǒng)執(zhí)行流程的控制以及高精度算法的實(shí)現(xiàn)。而系統(tǒng)控制核心可供選擇的方案包括：專用微處理器(MCU、ARM 或 DSP )、專用大規(guī)模集成電路( ASIC )以及現(xiàn)場可編程門陣列( FPGA )等。跟前兩者相比，F(xiàn)PGA 具有以下的優(yōu)勢31-32：(1)可以實(shí)現(xiàn)高速地運(yùn)行或計算。設(shè)計者可以通過軟件在 FPGA 內(nèi)部的控制邏輯中添加鎖相環(huán)，對外部時鐘進(jìn)行倍頻，使其核心頻率高達(dá)幾百兆。這比一般的微處理器的執(zhí)行速度要快的多。(2)具有更多的外部引腳，可以連接更多的外部資源。跟外部引腳數(shù)目有限的單片機(jī)相比，F(xiàn)PGA 的引腳數(shù)目動輒可以達(dá)到數(shù)百個，極大地方便了外圍器件的連接，使得系統(tǒng)擴(kuò)充變得更容易。(3)具備強(qiáng)大的并行處理能力。眾所周知，微處理器只能按一定順序來對指令進(jìn)行串行執(zhí)行，遇到突發(fā)事件只能調(diào)用很有限的中斷資源來進(jìn)行處理。而 FPGA 打破了傳統(tǒng)處理器的順序執(zhí)行模式，允許多個內(nèi)部邏輯單元在一個周期內(nèi)同時執(zhí)行。其運(yùn)算能力在一定程度上也超越了 DSP。(4)可以內(nèi)嵌大量的 IP 資源。隨著 FPGA 技術(shù)的進(jìn)一步成熟，越來越多的軟核資源已經(jīng)被投入使用，這其中甚至包括 MCU 和 DSP 的相應(yīng)軟核。換句話說，大部分單片機(jī)和 DSP 的功能 FPGA 也能實(shí)現(xiàn)。(5)可以給予設(shè)計者極大的靈活性。ASIC 一旦生產(chǎn)完成就不能再對其內(nèi)部電路進(jìn)行修改，而 FPGA 則可以根據(jù)需求的變化隨時對它的內(nèi)部邏輯進(jìn)行改變，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的量身定制。(6)較低的生產(chǎn)和設(shè)計成本。FPGA 比具備同樣計算能力的 ARM 處理器的生產(chǎn)成本更低，而且其后期的設(shè)計成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相應(yīng)的 ASIC。2.4.22.4.2 芯片開發(fā)語言芯片開發(fā)語言主流的 FPGA 開發(fā)語言包括 VHDL 和 Verilog HDL 兩種。因為本系統(tǒng)控制邏輯的編寫使用的是 VHDL 語言，所以此處僅對 VHDL 進(jìn)行簡單地介紹。VHDL (VHSIC Hardware Description Language)是目前使用最為廣泛的兩種硬件描述語言之一33。從字面意思便可以看出，VHDL 語言主要用來描述，它既可以詳盡地描述芯片的接口和行為參數(shù)，又可以作為一門編程語言來配置可編程邏輯器件。VHDL 支持多層次抽象描述。VHDL 對數(shù)字邏輯電路的描述形式可以抽象為行為層次、寄存器傳10輸層次、邏輯門層以及布圖層次。行為層次考慮的是如何完成模塊的功能描述和仿真驗證；寄存器傳輸層次側(cè)重考慮的則是代碼的可綜合性；而邏輯門層次考慮的是將問題對應(yīng)到門電路的解決方案；布圖層次關(guān)注的則是最底層的硬件電路的設(shè)計方法。抽象層次越高，相應(yīng)的電路細(xì)節(jié)描述就會越少，設(shè)計和仿真消耗的時間也就越少。11第三章第三章 PWMPWM 整流器參數(shù)設(shè)計整流器參數(shù)設(shè)計本文設(shè)計的整流器的核心是主拓?fù)潆娐?，整個裝置的最終執(zhí)行部分也是主拓?fù)潆娐?，其安全性和可靠性是整個系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。本論文根據(jù)現(xiàn)在應(yīng)用比較熱的電動汽車的應(yīng)用為設(shè)計目標(biāo)，設(shè)計將要實(shí)驗的指標(biāo)如下：（1）輸入工頻 220V 相電壓。（2）輸出直流電壓 300V/1A。（3）功率因數(shù) 0.95 以上。（4）輸入電流的 THDmax) THEN dataout=max(0 to 11); ELSIF (datainmin) THEN dataout=min(0 to 11); ELSE dataout=datain(47)&datain(10 downto 0); END IF; END IF; END PROCESS; END arch;5.45.4 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析基于 FPGA 使用 VHDL 代碼對增量式 PID 算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的設(shè)計方案。而本節(jié)內(nèi)容則主要對增量式 PID 算法邏輯代碼的綜合及 PID 控制一定條件下的仿真結(jié)果進(jìn)行介紹，以便從理論上證明在控制邏輯中使用該控制方法的可行性。為了從理論上證明 PID 算法的有效性，首先使用 Matlab 中的工具包 Simulink 對 PID 算法在非線性23條件下的控制效果進(jìn)行了仿真實(shí)驗。因為典型的工業(yè)過程在長時間運(yùn)行中都存在一定的滯后性，所以在本次仿真中，被控對象的數(shù)學(xué)模型為加入了滯后環(huán)節(jié)的二階函數(shù)（該函數(shù)同樣為式中的二階函數(shù)） 。輸入值仍為一個階躍信號，KP 取值為 0.2，KI 取值為 0.1，KD 取值為 0.1，時間到 300s 停止。仿真結(jié)果如圖 5-4 所示。圖 5-4 PID 控制的 Simulink 模型及仿真波形從上圖中可以看出，PID 調(diào)節(jié)在 200s 左右的時候使控制量趨于穩(wěn)定，而且之后的波形抖動不大，控制偏差穩(wěn)定在一個較小的范圍之內(nèi)。由此可知，控制邏輯中加入PID 模塊之后，必定會在一定程度上提高控制過程的穩(wěn)定性和精度。 其次，使用 Qusrtus II 自帶的仿真工具對控制邏輯中的增量式 PID 模塊進(jìn)行給定條件下的時序仿真，得到了如圖 5.9 所示的時序圖，利用輸入數(shù)值計算分析可知，輸出數(shù)值符合設(shè)計要求。24圖 5-.5 增量式 PID 模塊綜合仿真時序圖上述內(nèi)容僅在理論上證明了控制邏輯中加入 PID 模塊的可行性。而在實(shí)際的應(yīng)用場合中，PID 控制的核心內(nèi)容是對三個控制參數(shù)的整定。所以，要想在系統(tǒng)真正運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)更好的控制效果，就必須結(jié)合實(shí)際條件進(jìn)行反復(fù)測試，從而找到最為合適的控制參數(shù)。25第六章第六章 總結(jié)及展望總結(jié)及展望隨著大規(guī)模集成電路和可編程邏輯器件的迅速普及，PWM 整流器的應(yīng)用越來越廣泛。本文按照從硬件解決方案到軟件解決方案的次序詳細(xì)闡述了基于 FPGA 的 PWM 整流控制器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。PWM 整流控制器設(shè)計實(shí)現(xiàn)過程中完成的工作主要包括以下幾個方面：(1)硬件電路的搭建。首先對可控硅元件和三相全控橋式整流電路的工作原理及工作特點(diǎn)進(jìn)行了深入地學(xué)習(xí)和研究。然后在此基礎(chǔ)上結(jié)合具體的功能需求確立了數(shù)字觸發(fā)控制器的硬件電路的整體框架。緊接著分別完成了對各個核心子模塊控制電路的搭建。采用 Altera 公司的 CycloneIV 系列 FPGA 芯片作為控制器的核心，其豐富的硬件和引腳資源、高速的并行運(yùn)算能力在很大程度上簡化了外圍電路的設(shè)計，確保了高精度控制的實(shí)現(xiàn)。采用成熟的 AD 采樣電路、過零檢測電路以及脈沖功放電路，確保了閉環(huán)控制的順利實(shí)現(xiàn)。(2)PID 控制的 PWM 整流的實(shí)現(xiàn)。首先對 PID 控制算法的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了分析和研究。然后結(jié)合具體的功能需求，引入了分階段 PID 的設(shè)計思路，把 PID 控制過程分為快速調(diào)整和穩(wěn)定控制兩個階段。緊接著采用層次化設(shè)計方法實(shí)現(xiàn)了基于 FPGA 的增量式PID 控制器。最后對 PID 控制進(jìn)行了一定條件下的仿真實(shí)驗，從理論上確定了該控制方案的正確性和可行性。26參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 錢坤, 高格, 盛志才. 三相 PWM 整流器交流側(cè)電感的設(shè)計J. 電力電子技術(shù), 2017(5):24-26.2 Mao H, Boroyevich D, Lee F C Y. 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