cpsspwm调制技术研究及其fpga实现.docx
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cpsspwm调制技术研究及其fpga实现
安徽工业大学
毕业设计(论文)任务书
毕业设计(论文)的主要内容:
1.学习电力电子技术的主要内容。
2.研究CPS-SPWM技术的原理。
3.设计一种完全基于FPGA的CPS-SPWM调制波形产生的方案。
4.完成对系统的软硬件测试。
起止时间:
2010
年
3
月
5
日至
2010
年
6
月
1
日共
14
周
指导教师
签字
系主任
签字
院长
签字
摘要
在分析了多电平逆变原理的基础上,分别对双极性CPS-SPWM和单极倍频CPS-SPWM的调制原理和输出波形进行了严密的公式推导和理论分析。
在比较了几种CPS-SPWM调制脉冲产生方案后,为了解决一些存在的问题,提出了一种完全由FPGA产生CPS-SPWM调制波的设计方案,并在EP1C6上实现了基于该方案的调制波形发生模块。
该模块可产生三相共60路CPS-SPWM调制波形,使用该模块产生的调制波形控制三相五级全桥式逆变器,可产生多达11电平的输出正弦波。
设计加入了多样化设计,可通过用户接口进行电平数、调制度、载波比等参数设置。
通过优化设计,节省了芯片资源,提高了芯片效率。
仿真和实验证明了该设计的可行性。
关键词:
电力电子;多电平变换器;载波移相SPWM发生器
Abstract
Afterthoroughlyanalyzingthegenerationprincipleofmulti-levelconverter,theorticalanalysisofmodulatingprincipleandoutputvoltagewaveformofbipolarCPS-SPWMandsinglepoledoublefrequencyCPS-SPWMisdone.Thereareafewmethodsnow,theyhavetheiradvantageanddisadvantage,inordertosolvethedrawback,awholenewmethodtogeneratemultipathSPWMbyFPGAcompletelyisproposed,whichisrealizedinAlteraFPGA.Thisgeneratormayproduce60-waySPWMwaveformandadjusttheamplitudeandthefrequencyoftheSPWMwaveform.Amulti-levelinverterwith3phasecanbemodulatedbythesewaveform.Theveryoutputwaveformofthisinverterisa11-levelsinewave.Bymeansoftheoptimumdesign,thechipresourcesissavedandthechipefficiencyisenhanced.Thesimulativeandexperimentalresultsprovedthefeasibilityofthedesign.
Keyword:
Powerelectronics;Multilevel-converter;CarrierphaseshiftedSPWMgenerator
目录
1绪论·································································1
1.1逆变技术概述·····················································1
1.2多电平逆变技术概述···············································2
1.2.1多电平逆变器的结构············································2
1.2.2多电平逆变器的输出············································2
1.2.3多电平逆变器的控制············································3
1.3本课题的意义和任务···············································3
2CPS-SPWM技术研究··················································4
2.1CPS-SPWM技术概述···············································4
2.2载波相移SPWM(CPS-PWM)理论·····································5
2.2.1双极性CPS-SPWM·············································5
2.2.2单极倍频CPS-SPWM··········································10
2.3结论····························································15
3基于FPGA的CPS-SPWM脉冲产生设计方案····························16
3.1主控器件的选择··················································16
3.2单相脉冲发生模块设计············································17
3.3三相脉冲发生结构设计············································18
4基于FPGA的CPS-SPWM脉冲发生模块的实现···························19
4.1单相各模块的实现················································19
4.1.1系统复位及时钟分频模块·······································19
4.1.2正弦波/三角波ROM表·········································21
4.1.3三角波/正弦波地址累加器······································23
4.1.4正反相调制比较器·············································25
4.1.5死区控制模块·················································27
4.1.6正弦调制波的幅频控制·········································29
4.1.6单相仿真·····················································30
4.2三相集成························································31
4.2.1B相、C相的设计··············································31
4.2.2顶层设计·····················································32
4.3实验调试························································33
4.3.1实验平台·····················································33
4.3.2调试工具·····················································34
4.3.3相关测试·····················································35
5结论································································38
致谢···································································38
参考文献·······························································38
1绪论
1.1逆变技术概述
通俗的说,逆变技术就是把直流电变为交流电的技术。
完成这个功能的器件称之为逆变器。
在电力电子技术中,逆变技术是最主要、最核心的技术,它主要应用于各种逆变电源、变频电源、开关电源、UPS电源、交流稳压电源、电力系统的无功补偿、电力有源滤波器、变频调整器、电动汽车、电气火车、燃料电池静置式发电站等[1]。
逆变电路种类很多,本文涉及到的即如图1-1所示,为一种全桥式逆变电路。
它共有4个桥臂,把桥臂1和桥臂4作为一对,桥臂2和桥臂3作为一对,成对的两个桥臂同时通断和关断。
开关器件S1(S4)与S2(S3)的控制信号是互补的。
图1-2,是这种全桥逆变电路的工作原理,其中(a),(b)是控制方式。
图(c)是感性负载时输出的电压和电流,红色的是正向时(即图a所示的通断情况),黑色是反向(即图b所示的通断情况)。
从(c)可看出当输入为之流的Ud时,输出电压为180o方波。
图1-1全桥式逆变电路
图1-2单相全桥式逆变电路工作原理
1.2多电平逆变技术概述
在电压型逆变器中,最早广泛应用的是两电平逆变器。
如1-1节中提到的全桥式逆变电路,就是一种两电平逆变器。
这种变化器一个最大的弱点是,受开关管功率和耐压的限制,不宜实现高压大功率输出。
而且其高次谐波较多。
为解决上述问题,一种新型的、适合于环保节能应用的逆变器新思路—多电平逆变器(MultilevelInverter)开始出现。
多电平逆变器与传统的两电平逆变器相比,具有很多优势,如控制方式灵活、输出电压的相位和幅值便于调节和控制、输出电压的谐波含量低、逆变效率高、可以使用价格便宜的低频高压大功率开关器件、适合于高压大功率输出等。
1.2.1多电平逆变器的结构
多电平逆变器主要有两种结构,一种是在半桥式结构的基础上,另一种则是利用单相全桥式逆变器(俗称FBI桥或H桥),通过直接串联叠加组成级联式多电平逆变器。
图1-3就是这种全桥式级联多电平逆变器。
其中图(a)是单相,图(b)是三相的。
[2]
(a)单相级联型全桥式多电平逆变器(b)三相级联型全桥式多电平逆变器
图1-3级联型全桥式多电平逆变器
1.2.2多电平逆变器的输出
逆变器输出的波形好坏的一个重要参数就是输出波形的电平数,所谓电平数,对于电压型逆变器而言,指的是输出电压波形中,从正的最大值到负的最大值之间所包含的阶梯数。
而多电平逆变器就是指这种逆变器输出电压波形中的电平数等于或大于3的逆变器,如三电平逆变器,五电平逆变器和七电平逆变器等。
图1-4为九电平电压波形。
与1.1节中的图1-2中两电平的逆变器输出相比,可以看出输出电平数越多,波形越接近正弦波。
图1-4九电平逆变器输出电压波形
1.2.3多电平逆变器的控制
要想得到1.2.3节中那样的输出电压波形,就必须对多电平逆变器进行控制,即用调制脉冲对逆变器上的开关元件的通断进行控制。
目前控制的方法有很多种,如空间向量控制法,PWM(PulseWidthModulation脉冲宽度调制)法等。
其中PWM控制法是一个研究热点,诸如消除谐波SHPWM法、开关频率优化SFOPWM法、载波相移CPS-PWM(CarrierPhaseShift-SinusoidalPulseWidthModulation)法等多种载波PWM调制技术和控制策略相应问世,其中载波相移CPS-SPWM由自然采样SPWM技术和多重化技术发展而来,是级联型多电平变换器中常用的一种调制方法,具有等效开关频率高和总谐波含量低的特点,尤其适用于电平数>5的场合。
本课题所要研究的正是这种CPS-SPWM调制法的原理及如何将其实现。
1.3本课题意义与任务
从上节的介绍,CPS-SPWM技术是一种优秀的调制方法,其有着广泛的应用。
本课题首先深入地研究了CPS-SPWM技术的原理,然后在分析了几种已有的CPS-SPWM调制波产生的方法后,为了克服几种方案的不足之处,提出了一种全新的设计方案,即完全基于FPGA的调制波产生方案。
设计了一个基于EP1C6的三相共60路调制波形的脉冲产生模块。
采用VHDL进行具体模块的实现。
2CPS-SPWM技术研究
2.1CPS-SPWM技术概述
在介绍CPS-SPWM(CarrierPhaseShift-SinusoidalPulseWidthModulation)之前有必要简要说明PWM技术。
PWM的全称是PulseWidthModulation(脉冲宽度调制),它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。
广泛地用于电动机调速和阀门控制,比如我们现在的电动车电机调速就是使用这种方式。
所谓SPWM(SinusoidalPWM),就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式,脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列,这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。
它广泛地用于直流交流逆变器等,比如高级一些的UPS就是一个例子。
SPWM法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法。
采样控制理论中的一个重要结论就是:
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。
SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。
该方法的实现有几种方案,其中一种就是自然采样法。
以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法。
下图即是自然采样的SPWM调制原理。
图2-1自然采样的双极性SPWM调制原理
CPS-SPWM的全称是载波移相正弦脉宽调制(CarrierPhaseShift-SinusoidalPulseWidthModulation)。
CPS-SPWM技术是在综合自然采样SPWM技术和多重化技术的基础上产生的,其理论渊源于自然采样SPWM技术和多重化原理。
简要的说就是根据逆变电路的串联的级数,将三角形载波进行相应级数的移相,仍利用调制正弦波与载波比较,在交点时刻控制开关器件的通断。
以此产生电路的调制波形。
CPS-SPWM技术是一种适用于大功率电力开关变流器的优秀调制策略,能够在较低的器件开关频率下实现较高等效开关频率的效果,不但使SPWM技术应用于特大功率场合成为可能,而且在提高装置容量的同时,有效地减小输出谐波,提高了整个装置的信号传输带宽。
除此之外,该技术还具备输入输出线性度好,控制性能优越等一系列优点。
下面详细的分析CPS-SPWM技术的原理。
2.2载波相移SPWM(CPS-PWM)理论
载波相移正弦脉宽调制(CPS-SPWM)是适用于大功率电力电子装置的开关调制策略,主要应用于多电平变流器和组合变流器。
CPS-SPWM技术的基本思想是(以一相为例):
在变流器单元数为N的级联型逆变器中,各逆变器单元采用共同的调制波信号us(ωst),其频率为ωs,逆变器单元的三角载波频率为kcωs,将各三角载波的相位互相错开一定的角度,那么级联逆变器的输出电压就能得到多电平的输出波形。
下面将分别介绍由这两种调制方法产生的载波相移正弦脉宽调制方法:
双极性CPS-SPWM和单极倍频CPS-SPWM。
[3]
2.2.1双极性CPS-SPWM
(A)调制原理
双极性CPS-SPWM调制方法是在双极性SPWM的基础上产生的一种载波相移调制方法。
以级联型逆变器的一相为例,双极性CPS-SPWM技术的基本思想是:
在变流器单元数为N的级联型逆变器中,各逆变器单元采用共同的调制波信号us(ωst),其频率为ωs,各逆变器单元的三角载波频率为kcωs,将各三角载波的相位互相错开三角载波周期的1/N,则第L个逆变器三角载波的相角φL=φc+2πL/N。
其调制波形如图2-3所示,参数为N=5,kc=8,M=0.8。
各波形皆由MATLAB仿真所得。
图2-2双极性CPS-SPWM调制原理
图2-2所示的中间5个波形分别为5个逆变器单元的输出,将各个逆变器单元的输出叠加形成级联逆变器装置的输出波形,从图中可以看出,级联逆变器总的输出是6电平波形,比逆变器单元的输出波形更接近正弦波,谐波分量较小,波形较好。
下面将通过数学分析方法对双极性CPS-SPWM技术进行定量分析。
(B)波形分析
每个逆变器单元输出的双极性SPWM波形的傅立叶级数表达式为:
(2-1)
级联逆变器总的输出波形的傅立叶级数表达式为
=
=
=
(2-2)
再用双重傅立叶变换对各个波形及总的输出波形进行深入地分析,每个逆变器单元输出的双极性SPWM波形的双重傅立叶级数均如式(2-3)所示,只是三角载波的初始相角不同,第L个逆变器单元的三角载波的相位角为:
φL=2πL/N,那么相应输出波形的双重傅立叶级数表达式为:
(2-3)
级联逆变器的总输出波形为N个逆变器单元输出的叠加,则总输出波形FT(t)的双重傅立叶级数表达式为:
(2-4)
利用三角函数的一些特征,分析式(2-13),可以发现:
a)当m为N的整数倍时,存在下述两个等式:
(2-5)
(2-6)
b)当m为其它整数时,存在下述两个等式:
(2-7)
(2-8)
结合式(2-5)~(2-8),式(2-4)还可以写为:
(2-9)
对式(2-9)中的三个部分分析如下:
1)基波分量
当k=1时,可得基波分量:
=NME
ϕT1=ϕ(2-10)
比较式(2-10)可以看出,级联逆变器总输出的基波分量幅值为单个逆变器单元得N倍,相位不变。
2)载波谐波
当k=mNkc,m=1,3,5,…∞时,可得载波谐波:
(2-11)
从式(2-11)可以看出,最低次载波谐波(m=1)出现在Nkc,比较式(2-5)可知,双极性CPS-SPWM的等效开关频率提高了N倍,从式(2-7)可以证明,等效开关频率的提高并不是简单地将低次谐波往高次推移,而是低次谐波的数值相互抵消了。
而且当逆变器级联单元数为偶数时,载波谐波幅值系数为零。
3)边带谐波
当k=mNkc+n,m=1,2,3,…∞,n=±1,±2,…±∞时,可得边带谐波:
(2-12)
从式(2-12)可看出,mN+n为偶数时,边带谐波不存在。
综合上述分析,可以得出双极性CPS-SPWM信号具备下述几个特征:
(1)基波分量是单个双极性SPWM波形基波成分的N倍,也就是说双极性载波相移SPWM在输出波形叠加后没有基波损失;
(2)次数最低的谐波群出现在Nkc附近,也就是说采用双极性CPS-SPWM的级联逆变器的等效开关频率提高了N倍,可以在较低的器件开关频率下,得到较高等效开关频率的输出,输出波形的谐波特性大大改善;
(3)当逆变器级联单元数N为偶数时,双极性CPS-SPWM信号中不含载波谐波,而且n为偶数时的边带谐波也不存在,只有n为奇数的边带谐波存在。
所以,不论频率调制比kc取奇数还是偶数,一定不会产生直流分量。
(4)在逆变器级联单元数N为奇数的情况下,当m=1,3,5⋯⋯时,n为偶数,此时若频率调制比取偶数,则边带谐波的次数(k=mNkc+n)为偶次,单个逆变器会产生直流分量(N=1)。
所以普通的单个电压型SPWM逆变器频率调制比必须取奇数。
而对于逆变器单元数为偶数的级联逆变器则不受这一条件的限制。
2.2.2单极倍频CPS-SPWM
前面介绍的双极性CPS-SPWM法是在双极性SPWM基础上产生的,如果每个模块采用单极倍频SPWM调制,相邻模块的载波移相,结果会怎样呢?
以下将对这种以单极倍频SPWM为基础产生的CPS-SPWM进行介绍。
(A)调制原理
以级联型逆变器的一相为例,单极倍频CPS-SPWM技术的基本思想是:
在变流器单元数为N的级联型逆变器中,各逆变器单元采用共同的调制波信号us(ωst),其频率为ωs,各逆变器单元的三角载波频率为kcωs,将各三角载波的相位互相错开三角载波周期一半的1/N,则第L个逆变器三角载波的相角φL=φc+πL/N,将各逆变器单元输出叠加,就能得到电平数为(2N+1)的级联逆变器总的输出电压。
其调制波形如图2-4所示,参数为N=5,kc=4,M=0.8。
图2-3单极倍频CPS-SPWM调制原理
图2-5所示的中间5个波形分别为5个逆变器单元的输出,将各个逆变器单元的输出叠加,形成级联逆变器装置的输出是如图示11电平的PWM波形,从图中可以看出,采用单极倍频CPS-SPWM调制的级联逆变器总的输出波形比采用双极性CPS-SPWM调制的输出波形电平数更多、更接近正弦波、谐波分量更小、波形更好。
下面将通过数学分析方法对单极倍频CPS-SPWM技术进行定量分析。
(B)波形分析
由式(2-2)可得每个逆变器单元输出的SPWM波形的傅立叶级数表达式为:
(2-13)
级联逆变器总的输出波形的傅立叶级数表达式为
(2-14)
再用双重傅立叶变换对各个波形及总的输出波形进行深入地分析,每个逆变器单元输出的单极倍频SPWM波形的双重傅立叶级数与上式,只是三角载波的初始相角不同,第L个逆变器单元的三角载波的相位角为:
φL=πL/N,那么相应输出波形的双重傅立叶级数表达式为:
(2-15)
级联逆变器的总输出波形为N个逆变器单元输出的叠加,则总输出波形FT(t)的双重傅立叶级数表达式为:
(2-16)
利用三角函数的一些有趣的特征,分析式(2-16),可以发现:
a)当m为N的整数倍时,由于m为偶数,存在下述等式:
(2-17)
b)当m为其它整数时,存在下述等式
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