摘要

本文針對(duì)微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)研究背景，設(shè)計(jì)了可編程邏輯器件FPGA為控制核心的兩個(gè)三相逆變器系統(tǒng)。本系統(tǒng)的硬件主要由逆變主電路系統(tǒng)和FPGA控制電路系統(tǒng)構(gòu)成，包括FPGA控制電路、CC2640的AD采樣電路、三相逆變驅(qū)動(dòng)電路、互感器電路、輔助電源電路、調(diào)壓整流電路、濾波及緩沖電路等。由FPGA控制電路輸出六路PWM信號(hào)(PWM1-PWM6)來(lái)控制逆變器的MOS管通斷，通過(guò)電流電壓互感器對(duì)輸出進(jìn)行反饋，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，傳給FPGA控制電路來(lái)調(diào)節(jié)輸出，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是利用Verilog HDL的FPGA邏輯門(mén)、IP核、時(shí)鐘(DMC)等資源生成SPWM模塊、并行通信模塊結(jié)合TI的CC260的A/D采集和顯示模塊。最后，將軟硬件系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，經(jīng)驗(yàn)證，軟硬件都達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，實(shí)際效果較好。

關(guān)鍵字：微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)；FPGA可編程邏輯；三相逆變；SPWM模塊

1. 方案論證

1.1 主控單元的比較與選擇

方案一：采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP。傳統(tǒng)基于DSP的逆變控制的設(shè)計(jì)雖然在計(jì)算的復(fù)雜度和軟件的靈活性上有一定優(yōu)勢(shì)，但是程序?yàn)轫樞蜻\(yùn)行從而導(dǎo)致逆變器控制算法在計(jì)算速度上受到很大的限制。

方案二：采用可編程邏輯器件FPGA?；贔PGA的逆變器的并行特點(diǎn)使其非常適合產(chǎn)生SPWM，從而在速度上占很大的優(yōu)勢(shì)，適合本題目要求。

綜上所述，選擇方案二。

1.2 SPWM模塊的比較與選擇

方案一：采用比較器對(duì)正弦波和三角波進(jìn)行比較得到PWM波，然后送入驅(qū)動(dòng)電路放大再驅(qū)動(dòng)MOSFET。但該方案受運(yùn)放參數(shù)影響較大，調(diào)試?yán)щy。

方案二：運(yùn)用可編程邏輯器件FPGA產(chǎn)生PWM通過(guò)正弦值查表法來(lái)產(chǎn)生SPWM。該方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，有較強(qiáng)的抗干擾能力。

綜上所述，選擇方案二。

1.3 驅(qū)動(dòng)模塊的比較與選擇

方案一：采用專用驅(qū)動(dòng)芯片IRS2186搭建驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)芯片配合外圍電路完成，該方法優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的集成度高，有良好的過(guò)載和短路保護(hù)功能。。

方案二：采用分立元器件搭建驅(qū)動(dòng)電路。電路中選用高速開(kāi)關(guān)管8050和8550，其反應(yīng)速度可以達(dá)到微秒級(jí)，可以避免信號(hào)在傳輸過(guò)程中的累加延遲，有利于減少輸出波形的失真度。但電路較復(fù)雜化，需要額外搭建保護(hù)電路。

綜上所述，選擇方案一。

1.4 方案描述

本設(shè)計(jì)的整體方案主要有FPGA控制模塊，SPWM模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，A/D采樣模塊，OLED顯示模塊和并行通信模塊組成。

圖1  總體系統(tǒng)方案框架圖

2 理論分析與計(jì)算

2.1 逆變器提高效率的方法

逆變器效率提升技術(shù)主要集中在兩個(gè)方面：結(jié)構(gòu)和器件等硬件；控制及調(diào)制策略。

結(jié)構(gòu)及器件上的改進(jìn)，采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)通過(guò)諧振電路，實(shí)現(xiàn)功率器件在零電壓狀態(tài)下開(kāi)通或者關(guān)斷，從而有效減小換流時(shí)MOS管的開(kāi)關(guān)損耗，達(dá)到提升逆變器效率的目的。

控制策略的改進(jìn)，采用電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)通過(guò)三相交流電壓綜合在一起，通過(guò)對(duì)稱排列方式，可獲得減小MOS管開(kāi)關(guān)次數(shù)的效果，從而能夠進(jìn)一步減小逆變器功率器件的開(kāi)關(guān)損耗。

2.2 運(yùn)行模式控制策略

本設(shè)計(jì)三相逆變器有單獨(dú)工作模式和并聯(lián)工作模式。通過(guò)分析逆變電源并聯(lián)基礎(chǔ)模型，采樣一種基于FPGA的無(wú)互連線復(fù)合控制方案。

雙閉環(huán)反饋控制中，設(shè)，為電壓環(huán)的比例系數(shù)和反饋系數(shù)，，為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和反饋系數(shù)，為參考的指令電壓。忽略參數(shù)r的影響，經(jīng)過(guò)環(huán)路分析， 設(shè) ，可推導(dǎo)出系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

（公式1）

故空載時(shí)逆變系統(tǒng)的幅值靜差：

（公式2）

可見(jiàn)， 系統(tǒng)的靜差可隨，和，的增大而不斷減小?；趦?nèi)模原理的重復(fù)控制技術(shù)，對(duì)于給定或具有重復(fù)性干擾的系統(tǒng)具有較好的控制效果，有效降低并聯(lián)電流波形的 THD。結(jié)合雙閉環(huán)和重復(fù)控制的并聯(lián)波形控制方法，解決并聯(lián)逆變電源的功率分配問(wèn)題， 不用模式切換即可方便地并聯(lián)使用。

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 逆變器主電路與器件選擇

本系統(tǒng)器件選擇FPGA主控，LC濾波電路，全橋AOTF298L芯片，電壓電流互感器，OLED顯示屏，以及薄膜按鍵。

3.1.1 總體系統(tǒng)電路

圖2  總體系統(tǒng)電路圖

3.1.2 逆變電路

逆變電路的設(shè)計(jì)采用全控型MOSFET三相橋式逆變電路。由FPGA控制器產(chǎn)生SPWM到IRS2186芯片搭建的驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路控制MOSFET管的通斷，逆變輸出經(jīng)過(guò)低通濾波器將SPWM波形變換成較穩(wěn)定的正弦波電壓。在此電路中存在布線電感，在開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷的過(guò)程中容易出現(xiàn)過(guò)尖峰電壓，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞開(kāi)關(guān)器件，因此需要設(shè)置保護(hù)電路來(lái)抑制尖峰電壓，而且設(shè)置瞬態(tài)電壓抑制器和快速二極管組成的鉗位電路可將MOSFET關(guān)斷過(guò)程產(chǎn)生的尖峰電壓限制在安全范圍內(nèi)，同時(shí)可以減少開(kāi)關(guān)損耗。逆變電路圖如下：

圖3  逆變電路圖

3.1.3  濾波電路

濾波電路的設(shè)計(jì)在逆變器的輸出中含有逆變器開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)頻率整數(shù)倍附近的諧波，如果不濾除這些高頻諧波，將會(huì)給電路帶來(lái)諧波污染。因此本設(shè)計(jì)選擇LC濾波電路。逆變?nèi)珮蜉敵龅氖?00KHz的SPWM方波，基波為工頻50Hz，還含有低次和高次諧波，其中幅值最大的是200KHz的諧波。在實(shí)際應(yīng)用中，忽略電感對(duì)負(fù)載的分壓作用及電容對(duì)負(fù)載的分流作用，并考慮變壓器的電感，經(jīng)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)調(diào)整后，取L =100u H，C=4.7uF/100V。

3.2 控制電路與控制程序

本系統(tǒng)采用FPGA和CC2640聯(lián)合控制方案，能更好的實(shí)現(xiàn)均流和任意比例電流輸出，達(dá)到較好并聯(lián)的效果。(控制電路見(jiàn)附錄)

3.2.1 控制程序

圖 4 主程序程序流程圖

3.3 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

第一步：將四通道示波器的三個(gè)探針接在單片機(jī)輸出PWM的引腳；

第二步：記錄輸出三相波形數(shù)據(jù)；

第三步：改變單片機(jī)輸出SPWM的頻率，返回第一步操作，直到調(diào)出50HZ的SPWM波測(cè)試完。

3.4 測(cè)試結(jié)果

圖 5 三相輸出波形圖

3.5 測(cè)試結(jié)果分析

結(jié)果分析由數(shù)據(jù)表明，三相逆變電源輸出每路相位相差120度的頻率可調(diào)的正弦波，電壓有效值24V，電流最大輸出3A?；緦?shí)現(xiàn)所有功能，滿足題目要求。

4 總結(jié)

通過(guò)比賽，大大提高了我們的創(chuàng)新精神，動(dòng)手能力，團(tuán)隊(duì)協(xié)作和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)。充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)合作精神，工作進(jìn)展很順利。我們?cè)诒荣愔凶龅骄媲缶谕瓿苫竟δ苤?，又向發(fā)揮部分進(jìn)發(fā)，最后完成了所有的基本功能和發(fā)揮部分，較好的達(dá)到了題目要求的各項(xiàng)指標(biāo)。