基于FPGA的逆变控制系统的研究

摘要：在研究Delta变换型UPS拓扑结构的基础上，通过改进逆变器的控制方法，提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的SPWM控制器实现方案。该控制器具有载波、调制波的频率和幅度均可在线调节，死区时间可预置，并具有闭环调节功能等特点。整个电路通过FPGA芯片实现，采用硬件描述语言(VHDL)与原理图输入相结合的方法，完成了整个功能模块的设计，使得控制系统更加简单可靠。对所设计的控制器进行了功能和时序仿真，仿真结果验证了设计的正确性和可行性。
关键词：Delta变换型UPS；现场可编程门阵列；正弦脉宽调制；逆变器

0 引言
    UPS(Uninterrupted Power Suapply)又称为不间断电源，它通常被置于市电电网和用电负载之间，其目的是改善对负载的供电质量，并在市电故障时，保证负载设备的正常运行。随着电力电子技术的发展，一种全新的UPS拓扑被提出，即Delta变换型UPS。这种UPS由两个变换器构成，既保留了传统在线式UPS的全部在线功能和输出电压高质量，又使得很多关键性能指标得到改善，不仅消除了对电网的污染，更重要的是输出能力高、可靠性强，可以说是目前比较理想的UPS系统。
    除了主功率拓扑以外，UPS的控制部分对其整体性能的影响也是至关重要的。当今逆变控制器多以通用微处理器(DSP／MCU)为核心进行全数字化控制，这种以软件为主的方案较大程度上依赖于微处理器的性能，从而限制了逆变器性能的发挥。FPGA以其可靠性高、功耗低、保密性强、灵活的程序设计等特点，大大简化了控制系统结构，并可实现多种高速算法，具有较高的性价比。与由纯软件控制的数字系统相比，它用硬件连线实现算法，加快了运算速度，可以实现真正意义上的并行计算，提高了系统抗干扰性能。为此，近几年来逆变控制器的FPGA实现技术的研究越来越受到关注，已成为逆变控制器发展的新方向之一。

1 Delta变换型UPS的结构
    Delta变换型UPS主要由Delta变压器、Delta逆变器、主逆变器、主静态开关、旁路静态开关、输入／输出滤波器及蓄电池组等部分构成(见图1)。Delta逆变器通过Delta变压器串联在市电电源与负载之间，其容量约为系统总容量的20％，主逆变器并联在系统输出端，其容量等于UPS系统容量。当输入电源电压波动小于±15％，频率波动小于±3％时，由Delta逆变器和市电电源共同对负载供电，其稳压精度为±1％(其中85％～100％来自市电电源，0％～15％来自Delta逆变器)；当输入电源超过上述电压和频率范围时，系统转入蓄电池供电方式，由主逆变器为负载提供100％的不间断纯净正弦波电源。市电正常时，Delta逆变器只需补偿与市电电压和系统输出电压差有关的功率，故损耗小，效率高，功率余量大，过载能力强。

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    2 SPWM控制器的硬件实现
    在Delta变换型UPS的各个组成部分中，最关键的部分是逆变器，对逆变器的控制在很大程度上决定了整个电源的性能。现采用FPGA完成了SPWM控制器的设计，整体框图如图2所示，主要包括：标准正弦信号产生模块、三角波产生模块、SPWM信号产生模块、A／D控制模块及反馈模块等。下面采用VHDL语言对每一个模块进行RTL级代码设计。

2．1 标准正弦信号产生模块
    采用DDS技术将一个完整周期的正弦波1 024等分后，把数据存储到ROM中，在每次系统时钟的上升沿到来时，相位累加器(32位)将频率控制字与相位输出值相加，取累加器的高10位作为地址进行ROM查表，调用ROM中的数据即可实现正弦信号。
    正弦输出信号的频率f0由系统时钟频率fs与频率控制字K共同决定：
   
    其中频率控制字K通过键盘输入，因此可通过改变频率控制字来改变输出信号的频率，从而得到频率可调的正弦波信号。
    该系统需要三个相位彼此相差120°的SPWM脉冲信号。传统设计需要在FPGA内部存储三个正弦函数表，非常浪费芯片的逻辑资源。本文只对A相进行离散化处理，另外两相依据相位差±120°，即取B相时，将A相时刻的地址位加上1／3的周期约341，取C相时，将A相时刻的地址位减去1／3的周期约341即可。
2．2 三角波产生模块
    这里通过一个10位的可逆计数器来产生数字化的三角波。可逆计数器对系统时钟不断地进行计数，先执行加法从0计数到1 024，再执行减法从1 024到0，周而复始，生成数字化三角载波。
2．3 反馈模块
    为了保证输出电压的稳定，采用电压瞬时值反馈，将逆变器输出的电压瞬时值按一定比例采样处理后，与标准正弦形状的逆变器输出基准电压相减，以得到瞬时的输出电压误差，然后再对此误差进行比例积分调节，并将其作为调制波与三角载波进行比较得到SPWM脉冲。由于跟踪的是瞬时电压的变化，其输出波形畸变较低。
2．4 SPWM信号产生模块
    采用双极性自然采样法，将FPGA生成的 3 路正弦波与三角波进行数字量比较。当正弦波数值大于等于三角波数值时，比较器输出高电平；当正弦波数值小于三角波数值时，比较器输出低电平，从而产生6路SPWM波。由于开关器件的开关速率限制，为了防止上下桥臂产生直通现象而损坏开关器件，在产生SPWM波时要设置死区时间。
    本模块的设计采用状态机的设计方法，将反馈模块输出的调制波幅值取为sin，三角波计数器的计数值为tri，死区时间控制量为ed，在生成SPWM波的过程中，设置4个状态S0，S1，S2，S3。
    (1)S0状态为三角波计数器增计数，且tri=sin，双路输出DH，DL均为0；延时一段时间，进入S1状态；
    (2)S1状态为三角波计数器增计数，且tri=sin+ed，DH输出为0，DL输出为1；延时一段时间，进入S2状态；
    (3)S2状态为三角波计数器减计数，且tri=sin，双路输出DH，DL均为0；延时一段时间，进入S3状态；
    (4)S3状态为三角波计数器减计数，且tri=sin-ed，DH输出为1，DL输出为0；延时一段时间，进入S0状态。[page]

    更改ed值就可以实现任意死区的控制，死区时间的选取取决于逆变电路的设计要求。仿真波形如图3所示。

2．5 系统仿真
    完成各个模块代码设计后，对SPWM控制系统进行仿真。根据需要，取调制波频率为400Hz，载波频率为20 kHz，仿真结果如图4所示，可以看出输出信号DHA，DLA，DHB，DLB，DHC，DLC都是按正弦规律变化的，设计满足要求。

3 结语
    本文在研究Delta变换型UPS拓扑结构的基础上，通过FPGA实现了数字化SPWM逆变控制器的设计，仿真结果基本满足系统的要求。与传统控制电路相比，该控制器具有速度快、精度高、通用性强，性能稳定、结构紧凑、研制周期短等优点。可以根据需要在线调节输出频率，死区时间等值，系统更具人性化。该控制器可以广泛应用于电力电子器件的驱动控制，具有很好的应用价值，为课题的后续研究奠定了基础。