CN203206121U - 一种基于fpga的变频交流电源控制装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于FPGA的变频交流电源控制装置，包括由全桥整流电路、DC—DC电路以及逆变桥电路组成的逆电主电路，与逆变桥电路连接的LC滤波电路及负载，该装置还包括FPGA控制单元，所述的FPGA控制单元通过驱动隔离电路分别与DC—DC电路和逆变桥电路连接，在DC—DC电路和逆变桥电路之间，设有与FPGA控制单元连接的直流采样电路，在LC滤波电路和负载之间，设有与FPGA控制单元连接的交流采样电路，所述FPGA控制单元还连接有温度检测及散热电路。本实用新型利用FPGA产生SPWM波形驱动变频交流电源中的逆变桥，具有速度快、精度高、实现方便的特点；FPGA主要完成变频交流电源中逆变电路的驱动、电路异常状态的检测及控制、数据通信等功能。
Description
技术领域
本实用新型属变频交流电源技术领域，涉及FPGA和变频交流电源控制装置，具体涉及一种基于FPGA的变频交流电源控制装置。
背景技术
目前变频电源的控制***很多是以数字信号处理器DSP作为控制核心，用DSP生成SPWM波和PWM波驱动信号，其控制速度受工作频率的限制，在某种场合下使用速度还不够快，并且实时监控变频电源异常状态软件编程复杂，多个中断相互嵌套，工作在复杂的工业环境中，***容易收到干扰，而出现不稳定情况，影响负载设备的正常运行；如此同时其I/O接口数量少，功能扩展困难。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于FPGA的变频交流电源控制装置，以解决现有技术中的不足之处。该装置利用FPGA产生SPWM波形驱动变频交流电源中的逆变桥，具有速度快、精度高、实现方便的特点；FPGA主要完成变频交流电源中逆变电路的驱动、电路异常状态的检测及控制、数据通信等功能。
本实用新型采用的技术方案是：一种基于FPGA的变频交流电源控制装置，包括由全桥整流电路、DC—DC电路以及逆变桥电路组成的逆电主电路，与逆变桥电路连接的LC滤波电路及负载，该装置还包括FPGA控制单元，所述的FPGA控制单元通过驱动隔离电路分别与DC—DC电路和逆变桥电路连接，在DC—DC电路和逆变桥电路之间，设有与FPGA控制单元连接的直流采样电路，在LC滤波电路和负载之间，设有与FPGA控制单元连接的交流采样电路，所述FPGA控制单元还连接有温度检测及散热电路。
所述交流采样电路包括交流电压采集电路和交流电流采集电路。
所述温度检测及散热电路包括温度传感器和风扇。
所述FPGA控制单元内设有电压、电流峰值检测模块，温度检测模块，风扇转速控制模块来实现逆电主电路异常状态的检测及控制。
所述直流采样电路包括：电压互感器、电压跟随器、限幅电路、高速ADC芯片。
所述交流电压采集电路包括：整流桥电路、电阻分压电路、电压跟随器、限幅电路、高速ADC芯片。
所述交流电流采集电路包括：电流互感器、限幅电路、高速ADC芯片。
所述FPGA控制单元、驱动隔离电路、DC—DC电路和直流采样电路一起构成闭环反馈电路。
所述FPGA控制单元、驱动隔离电路、逆变桥电路、LC滤波电路和交流采样电路一起构成闭环反馈电路。
本实用新型相比现有技术，具有以下有益效果：
1、通过设置FPGA控制单元，与FPGA控制单元连接的直流采样电路、交流采样电路、驱动隔离电路、温度检测及散热电路，完成变频交流电源中逆变电路的驱动、电路异常状态的检测及控制、数据通信等功能，具有速度快、精度高、实现方便的特点；
2、FPGA控制单元通过温度传感器实时监控***温度，调节风扇转速，保证***温度处在安全范围；
3、FPGA控制单元与直流采样电路构成闭环反馈电路，通过调整PWM波的占空比保持母线电压的稳定；
4、FPGA控制单元与交流采样电路构成闭环反馈电路，通过调整调制度，保持输出电压的稳定，避免了因输入电压变化、负载变化等因素引起的电源的输出电压发生变化；
5、变频交流电压过温、过压、过流时，FPGA控制单元关断信号的输出，发出告警信号，保证***的安全。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是交流电压采集电路图；
图3是交流电流采集电路图；
图4是直流电压采集电路图；
图5是驱动隔离电路图；
图6是FPGA内部逻辑功能框图；
图7是DDS波形发生模块产生正弦波的逻辑框图；
图8是自然采样法输出SPWM波的仿真图。
图中，1.全桥整流电路，2.DC—DC电路，3.逆变桥电路，4.逆电主电路，5.LC滤波电路，6.FPGA控制单元，7.驱动隔离电路，8.直流采样电路，9.交流采样电路，10.温度检测及散热电路，11.交流电压采样电路，12.交流电流采样电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
如图1所示，本实用新型一种基于FPGA的变频交流电源控制装置，其包括逆电主电路4、LC滤波电路5、负载、FPGA控制单元6、驱动隔离电路7、直流采样电路8，交流采样电路9、温度检测及散热电路10，其中：
逆电主电路4，包括全桥整流电路1、DC—DC电路2、逆变桥电路3。逆电主电路4，用于完成交流-直流-交流的转换过程，输出交流信号的频率、幅度、相位由FPGA控制单元6控制。
全桥整流电路1，用于将220V工频市电整流滤波后转变成直流。
DC—DC电路2与全桥整流电路1相连，用于实现直流斩波，将整流后的直流转换成适合的母线电压Ud，母线电压的幅度值可以通过PWM驱动信号的占空比调整。
交流采样电路9，包括交流电压采样电路11和交流电流采样电路12，用于采集LC滤波电路5之后的输出交流信号的电压、电流值，并将采集数据输出给FPGA控制单元6。如图2，交流电压采样电路11包括：四个二极管组成的整流桥电路，电阻R1、R2构成分压电路，将整流后的电压信号降为适合ADC采样的电压范围（0～3.3V），U4构成电压跟随器，二极管D2、D3构成限幅电路，12位高速ADC芯片U2将采集的数据通过第5脚传送给FPGA。如图3所示，交流电流采样电路12包括：电流互感器U7、U8，二极管D7、D9构成限幅电路，12位高速ADC芯片U3将采集的数据通过第5脚传送给FPGA，其中两个电流互感器U7、U8分别接在交流输出端的两端，在正负半周检测电路中的电流。FPGA控制单元6与交流采样电路构成闭环反馈电路，保持输出电压的稳定，避免了因输入电压变化、负载变化等因素引起的电源的输出电压发生变化。
如图4所示，直流采样电路8，用于采集直流斩波之后的母线电压Ud，并将数据传送给FPGA控制单元6，包括电压互感器U6，电压跟随器U5，二极管D4、D5构成限幅电路，12位高速ADC芯片U1将采集的数据通过第5脚传送给FPGA。当母线电压Ud低于设定的幅值时，FPGA控制单元6增大PWM驱动信号的占空比，增加DC—DC电路2中MOS管的导通时间，增大母线电压Ud，当母线电压Ud大于设定幅值时，FPGA控制单元6减小PWM驱动信号的占空比，减小母线电压Ud。FPGA控制单元6和直流采样电路8构成闭环反馈电路，保持电压Ud的稳定。
如图5所示，驱动隔离电路7，是利用U9实现FPGA驱动信号与逆电主电路4的电气隔离，提高***的抗干扰能力，同时将SPWM和PWM信号进行功率放大至能驱动MOS管。
逆变桥电路3是变频交流电源的核心电路，与LC滤波电路5相连。逆变桥电路3在FPGA控制单元6的驱动下用于实现直流逆变，将母线直流电压转换成交流，再通过LC滤波电路5滤除高次谐波信号，输出纯净的正弦波信号。
如图1、图6所示，FPGA控制单元6是变频交流电源的主控单元，完成变频交流电源中逆变主电路1的驱动、电路异常状态的检测及控制，其中电路异常状态的检测包括电压异常、电流异常、温度异常的检测。
该控制***的控制过程为：FPGA通过MCU通信模块接收用户设置信息，根据信号的参数控制DDS产生相应的数字化正弦波形Sin，然后将数字化正弦波乘以幅值调制度M得到MSin，采用计数器的方法产生数字化三角波Tri,将正弦波Sin和三角波Tri进行SPWM调制和PWM调制，进而输出SPWM波形和PWM波形。同时，通过电流和电压检测模块实时直流采样电路8采集的母线电压Ud，交流采样电路9采集的电流电压信号，温度检测模块采集功率电路的温度，中断与控制模块用来控制风扇的转速和检测风扇的工作状态，然后将电流、电压、温度、中断信号等送往检测与判断中心进行处理并执行相应的动作，PID控制模块对用户设置的电压参数和采集的电压参数进行计算处理得到控制参数M，通过控制参数M对数字化正弦波进行调整，以到达最终稳定。
分频与倍频模块：该模块为三角波发生模块和DDS波形发送模块提供时钟信号，设计采用FPGA的PLL模块进行产生时钟信号。
三角波发生模块：该模块主要是产生数字化三角波作为SPWM调制的载波信号，采用加减计数器从0加到设定值，再从设定值减到0，周而复始，生成数字化的载波信号。
DDS波形发生模块参见图7，该模块根据接收MCU传送的用户设置信息，设置频率控制字m、相位控制字Pc，从正弦波存储器中获得需要的数字化正弦波基波Sin。其中，频率字寄存器和相位字寄存器分别用来存储用户设置的频率控制字m、相位控制字Pc；相位累加器对频率控制字m进行线性累加，得到的相位码作为地址去寻址波形存储器得到数字化正弦基波，当频率控制字取不同值时，相位累加器的溢出时间则不同，从而改变信号的输出频率；相位控制字由0跃变为Pc时，移相累加器输出的幅度编码相位会增加，从而使最后输出的信号移相。
SPWM和PWM产生模块：该模块采用自然采样法将数字化的三角波和数字化的正弦波进行调制，用载波三角波与正弦调制波的交点来自然地确定脉冲的采样点和开关点，进而控制开关器件的通断。采样点和开关点采用比较器进行比较确定，从而调制出SPWM和PWM波形。
乘法器模块：该模块主要用PID的反馈参数M对数字化正弦波进行规格化处理，采用FPGA内部的嵌入式乘法器件进行计算，将数字化正弦波进行调整。
MCU通信模块：该模块主要为接收数据和发送数据，采用的SCI通信接口将用户设置参数进行接收和处理后配置到DDS波形发生模块和PID控制模块。
PID控制模块：该模块主要计算控制参数幅值调制度M，将电流/电压检测到的电压有效值和用户设置的电压有效值进行相减，得到输出电压的差值，然后与前一个控制参数进行相加。当输出电压小于参考电压时，M增大,当输出电压大于参考电压时，M减少，使输出达到稳定。
检测与判断中心：接收电流、电压、温度、中断数据，采用FIFO对数据用进行缓存，缓存之后对电流和电压数据进行分析处理得到电流电压的有效值，再将该值进行寄存到结果寄存器；对温度信号和正常运行的温度信号进行比较以判断温度是否异常，并寄存判断结果到结果寄存器；对中断信号判断、寄存判断结构到结果寄存器、执行相应动作。最后将结果寄存器的信号发送到MCU通信模块。
电流/电压检测：该模块主要是驱动电流、电压采集ADC7277芯片，并将采集的数据进行处理和寄存，并发送到检测与判断中心。
温度检测：该模块主要是采集温度信号，并将温度信号发送到检测与判断中心。
中断与控制模块：该模块为采集中断信号和控制风扇的转速，将采集到的中断信号进行寄存然后发送至检测与判断中心；根据电流/电压检测分析得到功率数据和温度检测得到的温度数据对风扇的转速进行控制，当温度超过安全值时加快风扇转速，及时降低功率电路的温度。
上述SPWM波的具体实现方法如下：FPGA根据接收MCU传送的用户设置信息，设置DDS（直接数字式频率合成器）模块的频率控制字寄存器、相位控制字寄存器、幅值调制度寄存器（如图7），获得需要的调制正弦基波。然后将调制正弦基波乘以幅值调制度M，与数字化等腰三角波发生单元产生的数字化等腰三角载波分别在SPWM与PWM产生模块中采用自然采样法比较，得出获得A路SPWM输出（参见图8），将A路SPWM波反相后获得B路SPWM输出。
需要说明的是调制正弦基波的频率调节理论公式：
其中，fout为输出频率，fc为采样时钟，N为相位累加器位宽，m为频率控制字；相位调节理论公式：
其中，Poffset为相位偏移，Pc为相位字控制，n移相累加器的位宽。幅度调节理论公式：uout=Msin(2πfoutt+Poffset)，uout为输出信号，M为幅值调制度。
上述SPWM与PWM均留有死区，即采取延时导通和双边对称死区设置方式，保证同一桥臂上的一只MOS管可靠关断后，另一只开关管才能开通，避免H桥对管同时导通而短路。并且SPWM波与PWM波驱动信号均经过驱动隔离电路7后接入后一级的开关管，提高***的抗干扰能力。
以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种基于FPGA的变频交流电源控制装置，包括由全桥整流电路（1）、DC—DC电路（2）以及逆变桥电路（3）组成的逆电主电路（4），与逆变桥电路（3）连接的LC滤波电路（5）及负载，其特征在于，该装置还包括FPGA控制单元（6），所述的FPGA控制单元（6）通过驱动隔离电路（7）分别与DC—DC电路（2）和逆变桥电路（3）连接，在DC—DC电路（2）和逆变桥电路（3）之间，设有与FPGA控制单元（6）连接的直流采样电路（8），在LC滤波电路（5）和负载之间，设有与FPGA控制单元（6）连接的交流采样电路（9），所述FPGA控制单元（6）还连接有温度检测及散热电路（10）。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的变频交流电源控制装置，其特征在于，所述交流采样电路（9）包括交流电压采集电路（11）和交流电流采集电路（12）。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的变频交流电源控制装置，其特征在于，所述温度检测及散热电路（10）包括温度传感器和风扇。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的变频交流电源控制装置，其特征在于，所述FPGA控制单元（6）内设有电压、电流峰值检测模块，温度检测模块，风扇转速控制模块来实现逆电主电路异常状态的检测及控制。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的变频交流电源控制装置，其特征在于，所述FPGA控制单元（6）和温度检测及散热电路（10）构成一个闭环控制电路。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的变频交流电源控制装置，其特征在于，所述直流采样电路（8）包括：电压互感器、电压跟随器、限幅电路、高速ADC芯片。
7.根据权利要求2所述变频交流电源控制装置，其特征在于，所述交流电压采集电路（11）包括：整流桥电路、电阻分压电路、电压跟随器、限幅电路、高速ADC芯片。
8.根据权利要求2所述变频交流电源控制装置，其特征在于，所述交流电流采集电路（12）包括：电流互感器、限幅电路、高速ADC芯片。
9.根据权利要求1所述变频交流电源控制装置，其特征在于，所述FPGA控制单元（6）、驱动隔离电路（7）、DC—DC电路（2）和直流采样电路（8）一起构成闭环反馈电路。
10.根据权利要求1所述变频交流电源控制装置，其特征在于，所述FPGA控制单元（6）、驱动隔离电路（7）、逆变桥电路（3）、LC滤波电路（5）和交流采样电路（9）一起构成闭环反馈电路。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN104283434A (zh) * | 2014-10-27 | 2015-01-14 | 艾德克斯电子（南京）有限公司 | 无工频变压器供电的低功耗交流电源及线性适配方法 |
| CN106685253A (zh) * | 2017-03-22 | 2017-05-17 | 广州炫通电气科技有限公司 | 实现逆变交流电高精度可调的逆变装置及方法 |
| CN112564695A (zh) * | 2020-12-10 | 2021-03-26 | 北京北广科技股份有限公司 | 基于温度补偿的射频功率源低电平闭环幅度控制*** |
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Cited By (6)
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|---|---|---|---|---|
| CN104283434A (zh) * | 2014-10-27 | 2015-01-14 | 艾德克斯电子（南京）有限公司 | 无工频变压器供电的低功耗交流电源及线性适配方法 |
| CN104283434B (zh) * | 2014-10-27 | 2017-09-05 | 艾德克斯电子（南京）有限公司 | 无工频变压器供电的低功耗交流电源及线性适配方法 |
| CN106685253A (zh) * | 2017-03-22 | 2017-05-17 | 广州炫通电气科技有限公司 | 实现逆变交流电高精度可调的逆变装置及方法 |
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| CN112564695A (zh) * | 2020-12-10 | 2021-03-26 | 北京北广科技股份有限公司 | 基于温度补偿的射频功率源低电平闭环幅度控制*** |
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