CN106998129A - 一种基于fpga的变频调压电源控制系统 - Google Patents

一种基于fpga的变频调压电源控制系统 Download PDF

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孙英云
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Abstract

本发明提供一种基于FPGA的变频调压电源控制系统，包括搭载EP3C120F780芯片的控制板，光耦隔离模块，功率板，交流电源模块，变频调压电源，测量模块，保护模块，上位机。各模块之间的连接关系为，EP3C120F780芯片对测量模块输出的数据进行采样，根据采样回来的数据产生并发送PWM控制信号，再经光耦隔离模块处理后送至功率板，功率板由交流电源模块供电，收到控制信号后通过其上的功率开关器件实现对变频调压电源电压和频率的控制，同时将数据上传至上位机监测，保护模块主要负责对变频调压电源的过压、过流和过热保护。本发明使用新型高性能低功耗的硬件系统，程序兼容性好，外围器件少，成本低，提高了系统的运行效率和控制精度。

Description

一种基于FPGA的变频调压电源控制系统
技术领域
本发明属于电力系统领域，具体涉及一种基于FPGA的变频调压电源控制系统的设计。
背景技术
变频技术是电力电子技术的主要组成部分，它主要应用在交流电机的调速和需要改变频率的供电电源两个领域，所谓变频就是利用大功率电子器件将220V/50Hz的市电变换为用户所要求的交流电源或其他电源，变频调压电源是逆变技术应用大家族中的重要一员，变频调压电源是一种输出正弦波的交流电源，它可以根据客户的不同要求改变输出电源的电压和频率，它广泛应用在电子类产品出口企业、民航军航系统及企业、军工产品企业、舰船码头及需特殊供电的企业等等，在我国将具有很广阔的应用前景。
控制器是变频调压电源的核心部件之一，它通过产生并控制驱动开关器件的脉冲来控制变频调压电源的各种行为，完成变频调压电源的控制任务，设计良好的控制器，选用合适的控制策略是变频调压电源工作好坏的决定性因素；由于微处理器MCU技术和电力电子相关技术的更新换代，脉冲宽度调制（PWM）技术被广泛地应用于电气系统领域中，在脉冲宽度调制控制策略中，SVPWM不同于传统技术，它在算法和实现方式上做了特殊的优化，可以很大程度排除逆变器的输出波形中的谐波成分，并且减少变频调压电源的能耗损失；另一方面，为保证SVPWM控制策略的性能，单片的运行速度已经远远无法满足，随着人们对于高性能的数字处理芯片的需求，FPGA的发展也得到了推进，FPGA有着强大的运算性能，以及芯片内部集成功能的完整性。
由于变频调压电源控制环节计算量大，流程复杂，精度要求高，传统的以单片机作为控制核心的控制器由于受硬件资源与速度的限制，采样精度不高，每周波的采样点少，只能选择计算量小的算法，结果限制了测量的精度，已无法实现对变频调压电源的实时控制，而采用高性能FPGA为控制核心的控制器，利用其快速强大的运算和处理能力以及并行运行的能力，不但可以满足装置的实时性和处理算法的复杂性等更高的要求，而且具有运算速度快、精度高、扩展性好等优点，也就意味着可以在FPGA中实现更加高级复杂的算法来实现控制，包括神经元控制、卡尔曼滤波、自适应控制、模糊控制等，很大程度上提高了系统的反应速度以及控制的精确度，FPGA控制器以其结构紧凑，使用方便，性能可靠，功能强，价格低廉等优点得到了众多使用者的偏爱。
一般的变频调压电源控制应用传统控制算法使得系统的反应速度较慢，控制精度有限，无法满足实际需求，本发明基于EP3C120F780芯片对空间脉宽调制波实现了数字化控制，减小了对外围器件的依赖，降低了成本，应用范围广泛，在变频调压电源的驱动控制中有着良好的发展前景。
发明内容
本发明的目的是设计一种基于FPGA的变频调压电源控制系统，解决当前变频调压电源控制中能耗大，控制技术落后，系统反应速度慢与效率低的问题。
为了实现上述发明目的，本发明设计了硬件部分与软件部分。
硬件部分包括搭载EP3C120F780芯片的控制板，光耦隔离模块，功率板，交流电源模块，变频调压电源，测量模块，保护模块，上位机，各模块之间的连接关系为，EP3C120F780芯片对测量模块输出的数据进行采样，根据采样回来的数据发送控制命令，并发出空间矢量PWM波（SVPWM）控制信号，再经光耦隔离模块处理后送至功率板，功率板由交流电源模块供电，收到PWM控制信号后通过其上的功率开关器件实现对变频调压电源电压和频率的控制，同时将数据上传至上位机监测，保护模块主要负责对变频调压电源的过压、过流和过热保护。
所述FPGA控制芯片采用Altera公司生产的EP3C120F780作为控制核心，可接收与存储测量数据，完成测量数据的A/D转换，产生SVPWM信号后驱动功率开关器件实现对变频调压电源电压和频率的控制，与上位机进行通信。
所述交流电源选用一块TPS70151芯片，将5V输入的电源稳压出1.8V，3.3V的多路电源，并通过电感隔离成多路，以便给数字电路与模拟电路分别供电。
所述光耦隔离模块，选用6N137系列隔离芯片，处理控制板上输出的电信号来驱动变频调压电源。
所述测量模块传感器均采用高性能霍尔元件，主要包括对三相电流，三相电压6个信号的测量。
所述保护模块，包括变频调压电源过压、过流和过热保护，一旦测量值大于预设值，立即产生信号封锁驱动脉冲信号，与此同时进行故障报警保护。
所述变频调压电源控制系统采用FPGA作为主CPU，包括8MB SRAM、64MB Flash存储器、12位或16位ADC模/数转换器芯片、100M以太网接口芯片、4*4键盘和LCD显示器。
所述变频调压电源控制系统采用A/D转换器对测量模块输出的电压信号进行A/D转换，将A/D转换器输出的数据接收并存储到变频调压电源控制系统上的8MB SRAM中，通过100M以太网接口芯片通过数据线将数据传送到上位机。
本发明软件编程主要解决以下几个问题，初始化程序，根据SVPWM控制策略算法的推算，结合EP3C120F780的芯片特点，程序主要是初始化系统，包含数据存储空间的检测和初始化、通讯方式的设置、液晶显示方式设置、事件管理器工作方式设置、中断设置（中断寄存器和中断优先级设置）、启动硬件看门狗、禁止开关动作等；数据采集与处理，主要完成三相电流、三相电压的数据测量采集工作，根据采集到的数据去计算相关的电力参数；SVPWM脉冲生成，根据计算得到的参数，运用控制策略控制脉冲发出，从而达到改变电源电压和频率的目的，这样就有了控制变频调压电源的基础。
与现有技术相比，本发明的创新与益处在于，一般的变频调压电源控制反应速度慢，控制精度有限，本发明节省了芯片占用资源，可很大程度提高系统的运行效率与控制精度；使用新型的高性能低功耗硬件，将软件算法与EP3C120F780芯片结合，所设计的程序兼容性好，硬件系统减小了对外围器件的依赖，成本低，应用范围广。
附图说明
图1是本发明所述一种基于FPGA的变频调压电源控制系统的硬件总体结构框图。
图2是本发明所述一种基于FPGA的变频调压电源控制系统的软件部分中系统主程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1所示为本发明所述一种基于FPGA的变频调压电源控制系统的硬件总体结构框图，主要包括搭载EP3C120F780芯片的控制板，光耦隔离模块，功率板，交流电源模块，变频调压电源，测量模块，保护模块，上位机；各模块之间的连接关系为，EP3C120F780芯片对测量模块输出的数据进行采样，根据采样回来的数据发送控制命令，并发出空间矢量PWM波（SVPWM）控制信号，再经光耦隔离模块处理后送至功率板，功率板由交流电源模块供电，收到PWM控制信号后通过其上的功率开关器件实现对变频调压电源电压和频率的控制，FPGA芯片通过以太网接口将测量与计算数据上传至上位机进行显示与监测，保护模块主要负责对变频调压电源的过压、过流和过热保护。
所述FPGA控制芯片采用Altera公司生产的EP3C120F780作为控制核心，可接收与存储测量数据，完成测量数据的A/D转换，产生SVPWM信号后驱动功率开关器件实现对变频调压电源电压和频率的控制，与上位机进行通信。
所述交流电源选用一块TPS70151芯片，将5V输入的电源稳压出1.8V，3.3V的多路电源，并通过电感隔离成多路，以便给数字电路与模拟电路分别供电。
所述光耦隔离模块，选用6N137系列隔离芯片，处理控制板上输出的电信号来驱动变频调压电源。
所述测量模块传感器均采用高性能霍尔元件，主要包括对三相电流，三相电压6个信号的测量。
所述保护模块模块，包括变频调压电源过压、过流和过热保护，一旦测量值大于预设值，立即产生信号封锁驱动脉冲信号，与此同时进行故障报警保护。
所述变频调压电源控制系统采用FPGA作为主CPU，包括8MB SRAM、64MB Flash存储器、12位或16位ADC模/数转换器芯片、100M以太网接口芯片、4*4键盘和LCD显示器。
所述变频调压电源控制系统采用A/D转换器对测量模块输出的电压信号进行A/D转换，将A/D转换器输出的数据接收并存储到变频调压电源控制系统上的8MB SRAM中，通过100M以太网接口芯片通过数据线将数据传送到上位机。
图2所示为本发明所述一种基于FPGA的变频调压电源控制系统的软件部分中系统主程序流程图。整个变频调压电源控制系统的主程序主要实现系统初始化和各个变量的初始化，以及各个前台子程序的循环等；前台子程序主要包括电压采样计算程序、电流采样计算程序、输出电压调整程序、输出频率调整程序、保护程序、串口通讯，以及数据存储程序等。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于FPGA的变频调压电源控制系统，包括搭载EP3C120F780芯片的控制板，光耦隔离模块，功率板，交流电源模块，变频调压电源，测量模块，保护模块，上位机，各模块之间的连接关系为，EP3C120F780芯片对测量模块输出的数据进行采样，根据采样回来的数据产生并发送空间矢量PWM波（SVPWM）作为控制信号，再经光耦隔离模块处理后送至功率板，功率板由交流电源模块供电，收到PWM控制信号后通过其上的功率开关器件实现对变频调压电源电压和频率的控制，测量数据均通过控制板上的以太网接口上传到上位机进行监测，保护模块主要负责对变频调压电源的过压、过流和过热保护。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的变频调压电源控制系统，其特征在于，所述FPGA控制芯片采用Altera公司生产的EP3C120F780作为控制核心，可接收与存储测量数据，完成测量数据的A/D转换，产生SVPWM信号后驱动功率开关器件实现对变频调压电源电压和频率的控制，与上位机进行通信。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的变频调压电源控制系统，其特征在于，交流电源选用一块TPS70151芯片，将5V输入的电源稳压出1.8V，3.3V的多路电源，并通过电感隔离成多路，以便给数字电路与模拟电路分别供电。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的变频调压电源控制系统，其特征在于，光耦隔离模块选用6N137系列隔离芯片，处理控制板上输出的电信号来驱动变频调压电源。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的变频调压电源控制系统，其特征在于，测量模块传感器均采用高性能霍尔元件，主要包括对三相电流，三相电压6个信号的测量。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的变频调压电源控制系统，其特征在于，保护模块包括变频调压电源过压、过流和过热保护，一旦测量值大于预设值，立即产生信号封锁驱动脉冲信号，与此同时进行故障报警保护。
7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的变频调压电源控制系统，其特征在于，所述变频调压电源控制系统采用FPGA作为主CPU，包括8MB SRAM、64MB Flash存储器、12位或16位ADC模/数转换器芯片、100M以太网接口芯片、4*4键盘和LCD显示器。
8.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的变频调压电源控制系统，其特征在于，所述变频调压电源控制系统采用A/D转换器对测量模块输出的电压信号进行A/D转换，将A/D转换器输出的数据接收并存储到变频调压电源控制系统上的8MB SRAM中，通过100M以太网接口芯片通过数据线将数据传送到上位机。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108134517A (zh) * 2018-01-31 2018-06-08 南京溯远基因科技有限公司 高压电源及dna测序仪
CN109995108A (zh) * 2019-03-29 2019-07-09 西安微电子技术研究所 一种空间特种充电电源的控制计算机

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