基于FPGA的变频调速控制系统设计综述

1、基于FPGA的变频调速控制系统设计摘要:现代电力电子电路的控制旨在实现高速开关的计算机控制，并且朝着更高频率更低损耗和全数字化的方向发展。现场可编程门阵列器件是最近这些年来崭露头角的一类新型集成电 路，它的优势是简洁，经济，高速度，低功耗等。同时具有全集成化，适用性强，方便开发 和维护等明显优点。同单片机，和DSP相比FPGA的频率更高，速度更快。这些特点适应了电力电子电路的逐步高频化和复杂化发展的需要。所以越来越多的领域中FPGA获得了日益广泛的发展和使用。FPGA进行设计可以简化系统的硬件结构，降低成本，并且显著改 变系统的处理能力。本文提出的FPGA设计方案可以实现数字化变频调速控制。该

2、系统能够产生三相正弦脉宽波形，该系统具有控制简洁，精确，易修改，可现场编程等特点，可以 广泛应用于PMW变频调速系统的全数字化控制。文中对方案的进行进行了详细的论述。主要包括系统设计的理论分析，系统结构设计，以及在FPGA硬件上的实现，最终验证了该控制系统的可行性和有效性。数字化是该系统的特点，系统最终生成的三相SPMW脉冲三相正弦调制波和三角载波比较得到的。设计过程中，充分结合FPGA器件的结构特点，产生三项正弦调制波，同三角载波通过比较器比较厚，最终得到三相SPWM脉冲序列。概述：设计所要实现的功能：产生多路 PWM波形从而实现变频调速的功能。设计所采用的基本思想：通过调节电源频率可以调节

3、电机的实际转速。基于FPGA可以将所选定的变频调速控制方式和控制算法实现出来，形成输出目标控制信号的硬件电路。系统模块设计与仿真根据系统所要实现的功能系统总体结构可以分为正弦信号生成模块，三角波产生电路D/A转换器正弦波和三角波比较模块。正弦波信号生成模块：生成正弦波样本，有直接数字频率合成器实现。它主要是针对系统所需要的针线信号，做出正弦调制波模块的设计，同时在生成正弦信号的过程中完成对波形 幅值的控制。三角载波生成模块：生成三角载波，通过mif文件生成器生成三角波文件，得到三角波数据，与正弦信号生成模块中得到的数字正弦波进行比较，生成脉宽调制信号。D/A转换器：将生成的数字信号正弦波及三角

4、波转换成模拟信号波形输出。 波形比较：完成正弦调制波和三角载波的比较，得到初始化的SPWM波形。直接数字频率合成器：主要由相位累加器，相位调制器，波形存储ROM， D/A转换器组成NHi馳控制和DDS结构图ROMKn atfd鼻就:ipi jr知諒_Z坤吨LL ；lracrackfl：的 耳 Ws Uej*至1；贋叫DDS电路图相位累加器32加法器和32为位寄存器构成了相位累加器32位加法器代码Module add32 (sum,count,a.b, cin);output31:0 sum;output count;input31 : 0 a,b;in put cin;assig n (co

5、un t,sum)=a+b+ci n;en dmodule32位寄存器代码：Module reg32( qout, i n, clk, clr);output 31:0 qout;in put31:0 in;in put clk, clr;Reg31:0 qout;always(posedge clk or posedge clr)else qout=in;enden dmodule最后给模块加上输入输出端口就构成了一个完整的相位累加器电路如图所示:叩1 DI0P1 Q| IJFpl bftl DI相位累加器电路图相位调制器12位加法器和12位寄存器构成了相位调制器与相位累加器相似也可以构成一

6、个相位调制电 路如图所示：Lr fi Tn* -!曲ri y -相位调制器电路乘法器乘法器mult用来调节DDS的步进频率步骤：打开Quartusll的图形编辑界面，双击界面就可以弹出宏模块编辑界面。，根据需求依次设计,lxVr-l us h Ihh-jj-Fi Jn Iii hi, 4 ii jkil |i i i III* *订屮 ii；S 曲幅盯 f a meualtp 脚 ll 购U tubb u Ij 口札.usmg?WlhM I h与訐由 Of心坪止“山的业I卜住Ll诃艮FrT l.t ! I色也IC r ahdl畑 VMQtVc*llti HfiLXVhrfl p I tfiif

7、l* iJi v iJu W4vil (! th* fi li hh*Ve鬲 ALT FP_ SQRTI Rrfl.1Al T Mid L I AI - I I IM 3 ALT MULT IX， F 7H Tiqi tLT .EOMPI 已a f rjH i 吐LfM Afiy J LFMADD.-UD| FMrriMFAFIE j I pm i nijN 11 m打叫jfrerinn F-AHALLFL_AI I - Eornmi 嗣e尸 MUiri i in Hm g i.iijM h iiri 】屮i 丨：耳血八“化讪、Mair I mu口帥pdJu-mhi11 .ariosi-4ik

8、hrMHH個呻lhnr d 1r j meIn eral fPlpehnnq巧t:;l:-mg.the dcrtab Input have a coritarit valued* Yes, the ue is 21*Which typs or multiplejticn do you want + LMisincdlSignedWhich fnulhplier rTupfemerttabOn whcuJd be used?Use the default inplementaticnUse dedhcated rmultjpher circuitry (Notfor ail Use logic

9、elementsResource Lrsage12Q UnCaritfij ENe. Finiih乘法器类型设置乘法器优化设计后生成乘法器模块如图所示:生成的乘法器模块生成的15位有符号乘法器电路图如图所示:ipmjnu 而dataa|15r.O1Unstgnd irolttpikatiOT ：i U.S. . a=lkU I Afanl d 1.1 .J BJ I Bf | fa mldl M 1 U L P*I7L!厂、PR? DJInst乘法器电路数据选择器数据选择器mux是将单片机发过来的数据每四位为一组赋给频率控制字的不同一位。其源代码和顶层设计图为：Module mux1(a in

10、 ,bout);in put7:0ai n;output15:0bout;reh15:0bout; always(posedge ain 4)begin bout3:0=ai n3:0;e ndalways(posedge ain5)begin bout7:4=ai n3:0;e ndalways(posedge ain 6)begin bout11:8=ain3:0;endalways(posedge ain 7)begin bout15:12=ain3:0;enden dmodule；nuxlainp .0；aout(15.0 -i jl,s f I-|.r- nr- *I * I t I

11、 f I t I f 1 t l V *#4mux的顶层设计图 锁相环锁相环电路的基本框图:CPi(t)黑相器环路滤波器压控振陽器(PD)hr(LPF)）(VCO)MwmnwwnMnMwmwmjw三角波仿真图比较器模块的设计比较器是以组合逻辑电路，三角载波和正弦波任意幅度值的变化都会引起比较器的工作。如图为比较器模块。lpm匚皿呻如 吨b C OFTipiraeb aneb dataa(7.0| agb dsrtab(7.01 ageb aib aleb比较器模块整个系统模块的仿真下图是整个系统模块的最终仿真波形图。图中为三相六路SPWM波形图，在性能上完全达到设计要求。系统仿真波形图由仿真系统波形图可以看到产生了三相六路PWM波形图，根据 PWM信号控制逆变电路的六个逆变器件的导通和关断，为1时导通，为0是关断。就可以得到三相频率可变的交流输出，去拖动电动机。改变信号的周期与幅值也就改变了主开关的输出脉冲周期与占空比， 从而实现电机的变频调速控制。结论：伴随着电力电子技术的逐渐高频和复杂化，使电力电子技术的数字化控制将变成电力电子控制技术中的一个重要的发展趋势。本次基于F