CN102749566A - 基于fpga的变频串联谐振试验方法 - Google Patents

基于fpga的变频串联谐振试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于FPGA的变频串联谐振试验方法，包括步骤：对三相电源的电压信号和电流信号进行采集；利用VHS-ADC平台对电压信号和电流信号进行信号调理处理；根据调理处理获得数字电压信号和数字电流信号及正弦波和余弦波进行SVPWM调制，获得SVPWM调制信号；搭建基于FPGA芯片实现SVPWM调制方式的VHS-ADC控制系统；利用VHS-ADC控制系统将SVPWM调制信号生成SVPWM脉冲信号；根据所述SVPWM脉冲信号进行串联谐振试验。本发明的技术，提高了变频串联谐振试验装置交流输入侧电源的功率因数，降低输出直流电压的波动，使得变频电源输出侧电压波形的正弦化，光滑度好，提高了对电源利用率；基于FPGA的搭建VHS-ADC控制模型，使得在控制系统部分的开发过程中，开发周期短，调试工作量小，处理速度快。

Description

基于FPGA的变频串联谐振试验方法
技术领域
本发明涉及变频串联谐振试验技术，特别是涉及一种基于FPGA的变频串联谐振试验方法。
背景技术
在某些研究和工业应用领域，需要通过交流耐压试验对电气设备的绝缘强度进行判断，可以对电气设备绝缘强度耐受长时间工频电压的作用和工频电压升高的能力进行考验，进而决定电气设备能否出厂或能否投入运行。所以，一般电气设备在出厂试验、交接试验和绝缘预防性试验中，都要求进行交流耐压试验。
有些电气设备，如输电线、电力电缆、大型发电机、GIS组合电器等大容量被试品在进行交流耐压试验时，需要很大容量的电源和试验设备，一般现场不具备这些条件。因此，一般采用串联谐振的方法进行交流耐压试验。
传统的串联谐振试验技术，一般采用三相传统的相控及二极管不可控整流，逆变部分采用SPWM调制模式，采用模拟电路或单片机来设计，用DSP数字信号处理器来构成试验控制系统，但对于多参数的复杂系统，运算能力和速度难以满足，需手工编写大量的程序，需要反复的程序调试，调试工作量大，处理速度低；而且网侧输入功率因数低、交流输入侧电流谐波含量高、交流侧电网电压波形会产生畸变，使得电网产生大量谐波和无功，污染了电网，通过整流得到的直流电压存在较大波动，电压不稳定，导致逆变电路产生的交流输出电压波形光滑度差，影响了串联谐振试验的效果。
发明内容
基于此，有必要针对传统的串联谐振试验技术存在的程序调试工作量大和交流输出电压波形光滑度差的问题，提供一种基于FPGA的变频串联谐振试验方法。
一种基于FPGA的变频串联谐振试验方法，包括如下步骤：
对三相电源的电压信号和电流信号进行采集；
利用VHS-ADC平台对所述电压信号和电流信号进行信号调理处理，获得数字电压信号和数字电流信号以及正弦波和余弦波；
根据所述数字电压信号和数字电流信号及正弦波和余弦波进行SVPWM调制，获得SVPWM调制信号；
搭建基于FPGA芯片实现SVPWM调制方式的VHS-ADC控制系统；
利用所述VHS-ADC控制系统将所述SVPWM调制信号生成SVPWM脉冲信号；
根据所述SVPWM脉冲信号进行串联谐振试验。
上述基于FPGA的变频串联谐振试验方法，通过在整流、逆变这两个环节都采用基于FPGA的SVPWM控制技术，提高了变频串联谐振试验装置交流输入侧电源的功率因数，降低输出直流电压的波动，使得变频电源输出侧电压波形的正弦化，光滑度好，提高了对电源利用率；基于FPGA的搭建VHS-ADC控制模型，使得在控制系统部分的开发过程中，开发周期短，调试工作量小，处理速度快。
附图说明
图1为一个实施例的基于FPGA的变频串联谐振试验方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的基于FPGA的变频串联谐振试验方法的具体实施方式作详细描述。
图1示出了一个实施例的基于FPGA的变频串联谐振试验方法流程图，主要包括如下步骤：
步骤S101，对三相电源的电压信号和电流信号进行采集；
在一个实施例中，首先利用电压传感器和电流传感器分别对三相电源的电压信号和电流信号进行采集，然后将其输至VHS-ADC平台接口板的A\D接口；
在上述步骤中，通过电压、电流采集，可以获得经过初步滤波和固定变比的电网电压、电流信号，使得采集到的电压、电流信号能够满足VHS-ADC平台接口板的A\D口输入电压范围。
步骤S102，利用VHS-ADC平台对所述电压信号和电流信号进行信号调理处理，获得数字电压信号和数字电流信号以及正弦波和余弦波；
在一个实施例中，信号调理处理过程主要包括如下：
将所述A\D接口接收的所述电压信号和电流信号进行模数转换，获得数字化的电压信号和电流信号；
对所述数字化的电压信号和电流信号执行滤波处理，获得数字电压信号和数字电流信号；
对所述数字电压信号和数字电流信号进行数字锁相环处理，获得SVPWM调制所需的正弦波和余弦波；
通过上述步骤，将电压、电流模拟信号首先转换成VHS-ADC平台可以识别的数字信号，然后再进行数字滤波滤，滤掉电网电压、电流信号中的高次谐波，避免对电源的干扰，再通过数字锁相环处理获得SVPWM（空间矢量脉宽调制）调制所需的sinθ信号和cosθ信号。
通过上述步骤，在采集信号和信号前端处理环节，设计信号调理环节，解决了基于FPGA和VHS-ADC平台的数字化系统中输入电压信号滤波和锁相的问题。
步骤S103，根据所述数字电压信号和数字电流信号及正弦波和余弦波进行SVPWM调制，获得SVPWM调制信号；
在一个实施例中，本步骤主要是将信号调理后的电压信号、电流信号、sinθ信号和cosθ信号进行SVPWM调制，调制过程如下：
对所述数字电压信号和数字电流信号进行解耦计算，获得两相同步旋转坐标系下的电压信号；
利用所述正弦波和余弦波，将两相同步旋转坐标系下的电压信号转换至两相静止坐标系下的空间电压矢量；
对所述空间电压矢量进行所在扇区判断；
将所述空间电压矢量的两相静止坐标系下的分量转换到60度坐标系，并判断相关矢量的作用时间；
根据所述判断获得的相关矢量作用时间，确定IGBT三相对应的切换时间，并根据所述切换时间产生SVPWM调制信号；
通过上述步骤，将SVPWM调制实现的变频整流环节数字化，实现整流、逆变这两个环节都采用基于FPGA的SVPWM技术，提高了网侧功率因数，降低了直流输出电压的波动率，使得逆变后的波形光滑。
步骤S104，搭建基于FPGA芯片实现SVPWM调制方式的VHS-ADC控制系统；
在一个实施例中，本步骤主要是在VHS-ADC平台中，建立包括板结构（Board configuration）模块、资源估计（Resource Estimator）模块、系统生成器（System Generator）模块的控制模型，然后将所述控制模型进行编译；
编译过程如下：
在板结构模块中，选择板卡类型为“VHS-DAC”，选择时钟源为“ADAC”时钟；
在资源估计模块中选择预设范围，确定系统占用资源不超过板卡的硬件资源；
将控制模型的接口输入模块和接口输出模块分别转换成编译生成代码的ADC模块和DAC模块；
利用系统生成器模块将控制模型进行编译生成bit流文件；在编译过程中，设置板卡类型为“VHS-DAC”，设置时钟源为ADAC时钟，设置编译类型为“VHS-ADAC”，设置合成工具为“XST”，设置硬件描述语言为“VHDL”，设置FPGA时钟周期为9ns（即约为100M的系统频率），设置系统周期为1e-5；
通过上述步骤，在高速数字信号处理平台上进行系统设计，基于FPGA模型实现了控制系统数字化,可以将本模型通过下载至FPGA板中实现变频串联谐振试验的控制部分，便于变频串联谐振试验的数字化和运行高速化。
步骤S105，利用所述VHS-ADC控制系统将所述SVPWM调制信号生成SVPWM脉冲信号；
具体地，首先将所述bit流文件下载到FPGA芯片中，构建VHS-ADC控制系统；然后将SVPWM调制信号输入FPGA芯片中的VHS-ADC控制系统；VHS-ADC平台的GPIO接口根据VHS-ADC控制系统的数据处理，输出SVPWM脉冲信号；
通过上述步骤，获得用于驱动IGBT开关动作的SVPWM脉冲信号，实现整流、逆变环节的SVPWM调制。
步骤S106，根据所述SVPWM脉冲信号进行串联谐振试验；
在一个实施例中，试验过程如下：
将所述SVPWM脉冲通过GPIO接口输出到保护电路；其中，保护电路起了对GPIO驱动电路的保护的作用；
将所述保护电路输出的SVPWM脉冲输至IGBT驱动电路；
所述IGBT驱动电路控制三相整流和逆变电路的频率调整三相电源的电压；具体地，三相电源通过交流侧电感接入三相整流环节，由IGBT驱动电路控制三相整流、逆变桥的工作，将交流电源变为直流电源后，再经过逆变环节获得交流电压；
利用调整后的所述三相电源的电压对试品进行谐振试验；具体地，通过励磁变压器将交流电压送入电抗器和分压器构成的谐振回路中，然后将所需电压加载在试品上进行试验。
综上所述，本发明的基于FPGA的变频串联谐振试验方法具有以下有益效果：
（1）可以利用较小的变频电源输出电压可以在试品上产生较高的试验电压；特别是对于以变频电源、励磁变压器、试验电抗器、电容分压器、谐振电容器、避雷器为主要组成部分的变频串联谐振试验装置中，可以实现自动或手动调频，寻找谐振点获得所需的电压。
（2）变频串联谐振试验的整流和逆变部分全部采用SVPWM调制模式，可以提高装置交流输入侧电源的功率因数，降低输出直流电压的波动，实现变频电源输出侧电压波形的正弦化，提高了对电源的利用率。
（3）变频电源部分采用SVPWM脉冲信号来调制IGBT开关电路，并以此为设计整个控制系统、外部接口电路、信号采样接口电路、驱动和保护电路等，明显提高信号采样和处理速度。
（4）采用基于FPGA的VHS-ADC平台，在控制模型搭建正确的基础上，利用VHS-ADC平台的系统生成器（System Generator）模块将控制模型进行编译成代码（bit流文件）下载至FPGA中，相对于传统的通过编程实现控制部分导致开发周期长，系统调试难的问题，本发明构建控制系统的方式，开发周期短，采样速度快，采样频率可以达到100M。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的变频串联谐振试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
对三相电源的电压信号和电流信号进行采集；
利用VHS-ADC平台对所述电压信号和电流信号进行信号调理处理，获得数字电压信号和数字电流信号以及正弦波和余弦波；
根据所述数字电压信号和数字电流信号及正弦波和余弦波进行SVPWM调制，获得SVPWM调制信号；
搭建基于FPGA芯片实现SVPWM调制方式的VHS-ADC控制系统；
利用所述VHS-ADC控制系统将所述SVPWM调制信号生成SVPWM脉冲信号；
根据所述SVPWM脉冲信号进行串联谐振试验。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的变频串联谐振试验方法，其特征在于，所述对三相电源的电压信号和电流信号进行采集步骤包括：
利用电压传感器和电流传感器分别对三相电源的电压信号和电流信号进行采集，并将其输至VHS-ADC平台接口板的A\D接口。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的变频串联谐振试验方法，其特征在于，所述利用VHS-ADC平台对所述电压信号和电流信号进行信号调理处理，获得数字电压信号和数字电流信号以及正弦波和余弦波步骤包括：
将所述A\D接口接收的所述电压信号和电流信号进行模数转换，获得数字化的电压信号和电流信号；
对所述数字化的电压信号和电流信号执行滤波处理，获得数字电压信号和数字电流信号；
对所述数字电压信号和数字电流信号进行数字锁相环处理，获得SVPWM调制所需的正弦波和余弦波。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的变频串联谐振试验方法，其特征在于，所述搭建实现SVPWM调制方式的VHS-ADC控制系统步骤包括：
对所述数字电压信号和数字电流信号进行解耦计算，获得两相同步旋转坐标系下的电压信号；
利用所述正弦波和余弦波，将两相同步旋转坐标系下的电压信号转换至两相静止坐标系下的空间电压矢量；
对所述空间电压矢量进行所在扇区判断；
将所述空间电压矢量的两相静止坐标系下的分量转换到60度坐标系，并判断相关矢量的作用时间；
根据所述判断获得的相关矢量作用时间，确定IGBT三相对应的切换时间，并根据所述切换时间产生SVPWM调制信号。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA的变频串联谐振试验方法，其特征在于，所述搭建基于FPGA芯片实现SVPWM调制方式的VHS-ADC控制系统步骤包括：
在VHS-ADC平台中，建立包括板结构模块、资源估计模块、系统生成器模块的控制模型，然后将所述控制模型进行编译；
所述编译步骤如下：
在板结构模块中，选择板卡类型为“VHS-DAC”，选择时钟源为“ADAC”时钟；
在资源估计模块中选择预设范围，确定系统占用资源不超过板卡的硬件资源；
将控制模型的接口输入模块和接口输出模块分别转换成编译生成代码的ADC模块和DAC模块；
利用系统生成器模块将控制模型进行编译生成bit流文件；其中，设置板卡类型为“VHS-DAC”，设置时钟源为ADAC时钟，设置编译类型为“VHS-ADAC”，设置合成工具为“XST”，设置硬件描述语言为“VHDL”，设置FPGA时钟周期为9ns，设置系统周期为1e-5。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA的变频串联谐振试验方法，其特征在于，所述利用所述VHS-ADC控制系统将所述SVPWM调制信号生成SVPWM脉冲信号步骤包括：
将所述bit流文件下载到FPGA芯片中；
将所述SVPWM调制信号输入FPGA芯片中的VHS-ADC控制系统；
根据所述VHS-ADC控制系统输出SVPWM脉冲信号。
7.根据权利要求1所述的基于FPGA的变频串联谐振试验方法，其特征在于，所述根据所述SVPWM脉冲信号进行串联谐振试验步骤包括：
将所述SVPWM脉冲通过GPIO接口输出到保护电路；
将所述保护电路输出的SVPWM脉冲输至IGBT驱动电路；
所述IGBT驱动电路控制三相整流和逆变电路的频率调整三相电源的电压；
利用调整后的所述三相电源的电压对试品进行谐振试验。
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