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基于SOPC的变频控制器IP核的研究.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于SOPC的变频控制器IP核的研究pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含武汉科技大学硕士学位论文基于SOPC的变频控制器IP核的研究姓名:王孟申请学位级别:硕士专业:控制理论与控制工程指导教师:陈林武汉科技大学硕士学位论符等。

武汉科技大学硕士学位论文基于SOPC的变频控制器IP核的研究姓名:王孟申请学位级别:硕士专业:控制理论与控制工程指导教师:陈林武汉科技大学硕士学位论文第页摘要以可编程片上系统SOPC(SystemOnaProgrammableChip)为核心的电子产品是近几年集成电路中发展最快的产品。随着SOPC性能的高速发展和设计人员自身能力的提高SOPC进一步扩大适用领域将复杂专用芯片推向高端和超复杂应用。另外随着能源、环保等问题的日益突出节能效果显著的变频器市场规模日益扩大但国内的变频器目前仅占据%左右的市场份额。运用SOPC技术开发核心控制芯片是改变这一现状的有效措施之一。本文基于FPGA解决方案的SOPC实现对SPWM变频控制器口核的研究。文中首先对变频调速的基本原理以及变频控制技术中的正弦脉宽调$(SPWM)相关内容进行研究在深入研究SPWM控制原理、各种SPWM的实现算法以及SPWM模式的优化方法的基础上给出本文SPWM的实现方法。然后具体介绍SOPC系统的设计与实现方法最后在QUARTUSII开发软件中综合VHDL硬件描述语言以及宏功能模块的设计方法采用数字化自然采样法实现变频控制器P核的设计并对口核的部分功能进行时序仿真验证。文中对如何实现变频控制器P核的设计进行详细的阐述。.‘为验证本文变频器D核的设计方法的可行性最后以ACEXlK系列的FPGA/SOPC开发板为实验测试平台对D核进行测试。通过对测试结果的分析进一步验证采用本文的方法来设计变频器P核的有效性和可行性。该P核的设计完全可以满足电机驱动和逆变电源的要求其中开关频率死区时间等参数可以进行修改P核可移植性好稍加优化改进后可应用到交流电机驱动控制系统中。关键词:可编程片上系统FPGA正弦脉宽调制VHDLIP核第I页武汉科技大学硕士学位论文AbstractElectronicproductsusingSOPCascoresarethefastestgrowingintegratedcircuitproductrecentyears.WiththerapiddevelopmentofSOPCcapabilityandtheimprovementofdesigners’abilitySOPCfurtherexpandthefieldsofapplicationandcomplexASICwillbededicatedtohi曲endandultracomplexapplications.Inadditionasenergyenvironmentalprotectionandotherissueshavebecomeincreasinglyprominentenergysavingsignificantinverterisexpandingthesizeofthemarketbutdomesticinvertercurrentlyonlyoccupyaboutpercentmarketshare.UsingSOPCtodevelopcontrolcorechipiSoneoftheeffectivemeasurestochangethestatus.ThepaperistoachievetheresearchofSPWMinverterIPcorebasedonSOPC.Firstly,thebasicprinciplesoffrequencycontroltechnologyandthecontentsrelatingtoSPWMarcstudied.BasedonindepthstudySPWMcontrolprincipletherealizationofvariousSPWMalgorithmsandtheoptimizationmethodSPWMmodeltherealizationofSPWMinthispaperisgiven.ThenthedesignandtherealizationmethodofSOPCareintroducedspecifically.Lastly,undertheQUARTUSIIsoftwareenvironmentusingVHDLandmacrofunctionsmoduledesignmethodandusingthedi西talnaturalsamplingthedesignoftheinverterIPCOreisachieved.SomefunctionsoftheIPcorearesimulatedbytiming.Inthispaper,howtoachievethedesignoftheinverterIPCOrewillbedescribeddetailed.TovenfythefeasibilityofthedesignmethodofthisinverterIPcoretheACEXlKseriesofFPGA/SOPCdevelopmentboardastheexperimentaltestplatformisusedtotesttheIPcore.TheanalysisofthetestresultsfurthervalidatethevalidityandfeasibilityofthemethodusedtodesignthisinverterIPcore.ThedesignoftheIPcoreisfullysatisfiedwiththerequirementsofthemotordriveandtheinverterpowerSOurCeandtheswitchingfrequencythedeadtimeandotherparametersCanbemodified.ThisIPcorehasgoodportability,andCanbeappliedtotheACmotordrivecontrsystemafteralittleimprovementandoptimization.Keywords:SOPCFPGASPWMVHDLIPCore武汉科技大学研究生学位论文创新性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的工作外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明.申请学位论文与资料若有不实之处本人承担一切相关责任。论文作者签名:圭皇日期:塑垒:鱼:.f研究生学位论文版权使用授权声明本论文的研究成果归武汉科技大学所有其研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本允许论文被查阅和借阅同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。论文作者签名:垒垒指导教师签名:!睑日期:o硼。.厂武汉科技大学硕士学位论文第l页.SOPC概述I.I.ISOPC的发展情况第一章绪论近年来随着半导体技术的飞速发展现代高密度现场可编程逻辑器件FPGA(FieldProgrammableGateArray)的设计性能及性价比已完全能够与ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)抗衡。在这样的背景下一种被称为SOPC(SystemaProgrammableChip)的新技术出现了。SOPC技术可以使设计人员充分利用FPGA的逻辑单元以及植入FPGA内部的存储模块和DSP模块并使用FPGA制造厂商提供的软核处理器设计出可灵活裁减、扩充、可升级的嵌入式处理系统【l】。在过去的几年中几种RISC(ReducedInstructionSetComputer精简指令集)软核处理器相继面世。使用SOPC开发产品或进行产品的原型设计可有效降低产品上市风险、降低开发成本、缩短产品上市周期。可编程逻辑器件已经得到广泛的应用。PLD(ProgrammableLogicDevice)和FPGA的系统门数已经发展到百万级为了简化设计降低成本和缩短产品周期可编程逻辑器件供应商以其芯片灵活性和功能完备性的技术优势掀起了一场设计可编程片上系统的潮流【】。SOPC技术其实质就是将PLD中嵌入更多模块特别是高端的微处理器和数字信号处理器。目前已有众多厂商推出了SOPC产品现列举几个主要供应商的主流产品它们分别是:Altera公司的ExcaliburEPXM系列SOPC产品集成了MHZ的MIPSKCPU内核和MIPS系统总线它可以与AlteraAPEXPLD组合使用是一个参数化的嵌入逻辑分析仪。Xilinx公司的Virtex和Spartan.II系列嵌/X,ARCcore位可配置处理器包含款可参数化配置IPC核心的全面坤库。Triscend公司新推出了可配置片上系统CSOC(ContigurableSystemOnaChip)产品它是一颗整合的Tubro核可以进行在线实时调试。同样SOPC技术在我国也受到前所未有的重视如国家科技部超大规模集成电路SOC专项工作内容包括:关键电子信息产品核心芯片开发SOC设计关键技术和制造技术超大规模集成电路设计产业化环境建设等。此外我国在嵌入式微处理器口核方面也有了长足进展如北大计算机系的JBCore中芯微系统的方舟一号中科院计算机所的GODSON这些位微处理器核可以证明中国的IC设计师已具有了设计较高性能的微处理器核的能力。..SOPC技术应用现状虽然大多数设计者希望采用系统集成技术来实现产品设计与开发从而达到节省功第页武汉科技大学硕士学位论文耗、空间和成本的目的但是他们中的绝大多数还未接触过系统级集成仍需依赖于离散标准产品的某种组合如处理器、存储器、数字信号处理器和可编程逻辑器件等来实现微电子应用产品开发。这种现实与愿望之间的差距就成为半导体供应商尚未涉及的真空地带而解决方案则是创建混合产品即可编程片上系统SOPC它可以在一块现成的可编程芯片上提供产品所需的系统级集成。许多IC供应商已经在可编程系统级集成的实现方面迈出了可喜的步伐。这些新的器件所提供的系统功能包括处理器、存储器和可编程逻辑从而解决了与ASIC相关的Ⅻ也(非经常性工程)费用或制造周期太长的问题。可编程系统级芯片提供了掩膜ASIC的高集成度(低功率、小尺寸、低成本)及FPGA的低风险、灵活性和快速上市的特性从而受到了极大的欢迎这也是SOPC技术目前遍及整个微电子行业的最为根本的原因。目前已有几家IC供应商能够提供SOPC其中最为典型和著名的公司有Atmel、Xilinx和Altera。Atmel公司于年开发出首个基于RISC的现场可编程系统级集成电路(FPSL脚ieldProgrammableSystemLevelIC卜ATKFPGA。Xilinx公司和Altera公司也于年宣布开发各自的可编程系统的产品年亦已投产。Xilinx公司的SOC芯片型号为Spartan、Spartan.II、Virtex、Virtex.Ⅱ、XC和XC系列Altera公司的SOC芯片为APEXEPKE系列。除此之外推出SOPC芯片的公司还有:Tri.scend、IDT、Genesis、Cygnal、Cypress等公司。这些SOPC芯片的技术基本代表了当今SOPC技术水平。而在中国清华大学科教仪器厂的TPG.EDA/SOPC教学实验平台则为高校的学生提供了一个非常灵活的实验环境学生可以使用它构建自己项目所需的硬件和软件从而可以完成自己感兴趣的各种不同的项目。同时对于学生或者教师而言如果希望全面学习SOPC技术最好的方法就是完成一个系统设计因此除了需要使用SOPC软件工具还会用到数字电子技术、计算机体系结构、C语言编程以及VHDL和Verilog编程语言等相关背景知识。所以应用SOPC技术开展电子系统设计及相关课程的教学不仅可以使学生了解并掌握电子系统设计的方法也符合现代电子技术的发展趋势和应用实际有利于提高学生的综合素质和培养学生的创新精神符合培养高素质、高层次、多样化、创造性人才的总体培养目标。..SOPC技术的发展方向一直以来在开发一个典型的系统时设计人员仍不得不采用各种昂贵的、分立的模拟器件配合可编程逻辑器件或者混合信号的ASIC作为解决方案。固定的架构以及其他技术缺陷阻碍了将分立器件集成到一块单一的、低成本的、能够符合各种需求的芯片中。模拟技术是当今应用的关键系统元素但越来越多的模拟信号通过转换为数字信号进而采用数字电路来测量和控制。在进行数字信号处理时整个系统对嵌入式处理器的性能要求也随之日益提高从位逐步向位过渡。这一切的需求都迫切需要设计人员能够把所有的功能设计集中在一个芯片上。而SOPC是具有所有这些属性的现成部件利用它可以方便地选择器件来构成一个系统而且可以根据系统的需要对处理器的资源进行裁剪。此外武汉科技大学硕士学位论文第页由于各个器件之间通过总线之间的连接是自动生成的这就大大缩短了系统的开发周期因此针对于特定器件IP核的设计以及P核的重用成为SOPC技术发展的关键。基于SOPC的设计技术主要包括以下个方面】:()基于单片集成系统的软硬件协同设计和验证技术:主要是面向不同目标系统的软硬件功能划分理论和设计空间搜索技术。()口核生成及复用技术:口资源复用是指在集成电路设计过程中先继承、共享或购买所需的智力产权内核然后再利用电子设计自动化(EDA)工具进行设计、综合和验证从而加速流片设计过程降低开发风险。()模块以及模块界面间的综合分析和验证技术:综合分析和验证是难点要为硬件和软件的协同描述、验证及综合提供自动化的集成开发环境。与传统方法相比SOPC的设计方法必须有根本的改变即从以功能设计为基础的传统流程转变到以功能组装为基础的全新流程。总之SOPC技术的目标就是试图将尽可能大而完整的电子系统包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速器系统、DSP系统、数字通信系统、存储电路以及普通数字系统等在单一可编程片上系统中实现使得所设计的电路系统在规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指标、上市周期、开发成本、产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化而这也正是SOPC技术的发展的根本方tj。.变频器研究现状变频调速技术现在已被列为通用节能技术加以推广。变频调速装置具有体积小、重量轻、精度高、通用性强、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便等优点是节能、降耗、优质、高产的理想设备是世纪的首选传动技术。以SOPC为核心的电子产品是近几年集成电路中发展最快的产品。随着SOPC性能的高速发展和设计人员自身能力的提高SOPC将进一步扩大适用领域将复杂专用芯片挤向高端和超复杂应用。目前SOPC的发展趋势主要体现在以下个方面:一是向更高密度、更大容量的千万门系统级方向迈进二是向低成本、低电压、微功耗、微封装和绿色化方向发展三是m资源复用理念将得到普遍认同并成为主要的设计方式四是嵌入式处理器IP核将成为SOPC的核心。近十年国外已公开发表了很多关于变频控制器系统集成方面的文纠】【而且还相应地提出了一些便于用EDA方法及CPLD/FPGA器件实现的变频控制如电压空间矢量PWM】等。目前国外在变频控制器的集成研究方面已经比较先进从公开发表的文献上看诸如基于矢量控制【ll】【、直接转矩控制【】【的控制器已经可以用单片FPGA或CPLD实现省去了MCU、DSP其功能都由硬件来实现从而大大提高了运算速度提高了运行性能并且可移植能力强最近几年更新颖的控制手段如模糊控制、神经网络控制、自适应控制、专家控制等智能控制也已经有人实现了模块化做成TASIC】【】。从最新市场情况看目前一些国外厂家已经做出了能自动检测电机类型的智能型的集成控制器具第页武汉科技大学硕士学位论文有多种控制模式。随着技术的进一步发展未来年内有可能把模拟电路或模数混合电路也很方便地由用户做成符合自己要求的ASIC。在国内从各种刊物上看进行同类研究的文章比较少而且大部分进行的只是SPWM的模块化研究【其它的也只是在理论上探讨了一些但不深入而且尚未进行实质性的开发。市场上也未见国内厂家自主开发生产的高水平产品。因此变频控制器的单片集成化研究已经成为控制领域的一个新的发展方向也是技术发展的必然趋势。.论文研究意义硬件电路设计的软件化是电路设计的发展趋势用硬件描述语言来描述模拟数字电路系统是这一趋势的重要组成部分。由于开发工具的通用性、设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用的CPLD/FPGA器件的硬件结构没有关系所以设计成功的各类逻辑功能块有很好的兼容性和可移植性它几乎可用于任何型号的CPLD/FPGA中由此还可以知识产权的方式得到确认并被注册成为所谓的口芯核从而使得片上系统的产品设计效率大幅度提高。由于相应的软件功能完善而强大仿真方式便捷而实时开发过程形象而直观兼之硬件因素涉及甚少因此可以在很短时间内完成十分复杂的系统设计。这正是产品快速进入市场的最宝贵的特征。采用FPGA和CPLD不仅是电子设计自动化技术发展的必然趋势而且也是衡量产品技术先进性和竞争力的一个重要标志。基于EDA的CPLD原PGA的应用和技术推广将是我国未来电子设计技术发展的主流。这些新型器件的出现为我们进行变频集成控制器的研究提供了物质基础和技术手段大大地拓广了我们的设计思路使得诸如变频控制器等的片上系统集成有了可能。片上系统的出现对大幅度降低功耗、提高抗干扰性、增加技术保密性以及减少电路板面积等都提供了良好的解决方案在系统可编程(ISP)技术又使得设计者可以随时通过软件对器件编程从而达到改变硬件结构的目的。所以基于片上可编程系统(SOPC)技术和CPLD/FPGA器件进行变频控制器系统的研究将是未来变频控制领域的一个重要发展方向。本文主要内容及结构安排本文基于SOPC技术的嵌入式解决方案通过在FPGA芯片中嵌入NIOSⅡ软核处理器和正弦脉宽调N(SPWM)W核实现SPWM变频控制器的研究。着重研究基于SOPC的正弦脉宽调制口核的设计以及采用参考波注入三次谐波法对SPWM模式进行优化。本文主要工作和内容结构安排如下:第一章介绍本文研究的技术背景以及变频控制器的研究现状给出论文的研究意义及主要的工作。第二章介绍论文研究的理论基础。阐述SPWM变频控制原理在对各种SPWM算法进行比较分析以及对SPWM模式的优化方法进行研究提出本文SPWM的实现方法。第三章阐述SOPC系统的开发流程介绍基于SOPC的变频控制器系统的实现方法武汉科技大学硕士学位论文第页对如何实现变频控制器IP核进行深入的研究。第四章详细介绍SPWM变频控制器P核的实现过程。在QU咏TUSⅡ软件中综合VHDL硬件描述语言以及宏功模块的设计方法实现SPWM变频控制器P核。着重介绍基于数字化自然采样法的SPWM的实现方法和过程。第五章对所设计的变频器P核进行硬件测试。在ACEXlK系列的FPGMSOPC开板上通过实验测试进一步验证本文变频器口核设计方法的有效性和可行性。第六章对本文所做工作的总结。指出本文研究的不足之处对下一步工作进行展望。第页武汉科技大学硕士学位论文第二章变频控制的理论基础本章主要介绍变频调速的基本原理然后对变频控制技术中的正弦脉宽调匍(SPWM)进行阐述详细介绍SPWM控制原理、各种SPWM的实现算法以及SPWM模式的优化给出本文SPWM采用的实现方法。.变频调速的理论根据电机学原理异步电机的同步转速是由电源频率和电机极对数决定的在改变供电频率时电机的同步转速也相应地改变。当电机在负载条件下运行时电机转速低于电机的同步转速转差的大小与电机的负载有关【】【。异步电机的T型等效电路如图.所示。图.异步电机的T型等效电路电机定子每相的感应电动势的有效值为E。=.f,N。ku胁(.),式(.)中晟为气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值m石为定子频率(Hz)越为定子每相绕组串联匝数‰为基波绕组系数:西m为每极气隙磁通(啪)。而步电机的转速方程为刀=f,(一s)/p(.)式(.)中n为电动机的转数石为电源频率s为转差率p为定子旋转磁场的极对数由公式(.)可以看出要想改变电动机的转速可以改变五sP这三个量中的任意一个就能够实现调速其中改变电源频*fs是比较方便和有效的方法只要改变了电源频率卮就能够改变电动机的转速。由公式(.)可以看出如果减JⅥ而届保持不变那么西m必然变大因为电机的磁路设计都是按照一定的磁通量设计的如果m增大那么磁路有可能就进入了饱和状态丽磁通出现饱和后将会电机中的励磁电流过大增加电机的铜耗和铁耗使电机温升过高严重时会烧毁电机。因此在改变电机频率时应对电机的感应电动势进行控制以保持纠石恒定值即可以保持磁通m不变。忽略定子阻抗压降认为定子相电压以最则磁通可以用式(.)表示并保持为恒定值。武汉科技大学硕士学位论文第页dO==KUs*=瑚f‘(.)由式(.)可见如果同时均匀地改变电动机定子供电电压和频率则可以平滑地改变电动机的同步转速。这就是恒压频比(V/F)控制方式【l】。.交流调速的脉宽调制(PwM)控制技术所谓脉宽调$J(PulscWidthModulationPWM)技术是利用全控制型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列实现变压、变频控制并且消除谐波的技术简称PWM技术【】.【。目前PWM技术已经广泛应用到变频调速系统中。利用微处理器实现PWM数字化后PWM技术不断优化和翻新从追求电压波形正弦到电流波形正弦再到磁通波形正弦从效率最优转矩形脉动最小再到消除谐波噪声等。变频调速系统采用PWM技术不仅能够及时、准确地实现变压变频的控制要求而且更重要的意义是抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量降低或消除变频高速时电机的转矩脉动提高电机的工作效率扩大调速系统的调速范围。实际工程中主要采用的PWM技术是正弦PWM(E|SPWM)这是因为变频器输出的电压或电流波形更接近于正弦波形。..正弦脉宽调制法的基本思想在采样控制理论中有一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同指环节的输出响应波形基本相同。如果对各输出波形用傅氏变换进行分析则其低频特性非常接近仅在高频段略有差异。这一结论是PWM控制的重要理论基础。对于正弦PWM来说可以把正弦半波分为N等份如图.(a)所示(图中N.=)然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合如图.(b)。这样由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。同样正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。图.(b)所示的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形就是所希望逆变器输出的SPWM波形。由于每个脉冲的幅值相等所以逆变器可由恒定的直流电源供电也就是说这种交直交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了。当逆变器各功率开关器件都是在理想状态下工作时驱动相应功率开关器件的信号也应为与图.(b)开关一致的一系列脉冲波形。第页武汉科技大学硕士学位论文(a)电压正弦(b)等效的SP图.正弦半波与正弦半波等效的等幅矩形脉冲序列波在SPWM中常用等腰三角波作为载波因为等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波形当它与一个正弦波曲线相交时在交点时刻产生控制信号用来控制功率开关器件的通断就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲这就是SPWM法的基本思想。..正弦脉宽调制法的工作原理图.(a)是SPWM变频器的主电路VTl~VT是逆变器的六个IGBT功率开关器件各有一个续流二极管反并联连接逆变器所需要的恒值直流电压由三相整流器提供。图.(b)是它的控制电路由参考信号发生器提供一组三相对称可调正弦参考电压信号UMAUMBuMc其频率决定逆变器输出的基波频率。参考信号的幅值也可在一定范围内变化以决定输出电压的大小。三角载波信号lC是共用的分别与每相参考电压比较后给出“正”或“零”的饱和输出产生SPWM脉冲序列波lldAu,mUdC作为逆变器功率开关器件的控制信号。为了分析方便设功率开关器件为理想开关因而当逆变器任一相功率开关器件导通时电机绕组上所获得的对直流电源假想中点的电位为Ud/或Ud/。改变参考信号UM的幅值时脉宽随之改变从而改变了逆变器输出电压的大小当改变UM的频率时输出电压频率也随之改变。但一般情况下参考信号的最大幅值必须小于三角波幅值否则输出电压的大小和频率将失去所要求的配合关系。:(a)主电路武汉科技大学硕士学位论文第页..SPWM信号生成方法(b)控制电路框图图.SPWM变频器电路原理图()单极性三角波调制法单极性SPWM调制是指参加调制的载波三角波和正弦波参考信号极性不变。单极性调制时在正弦波的半个周期内每相只有一个开关器件开通和关断。单极性调制的基本原理如图.所示。电压比较器反向输入端输入的三角波调制电压与同极性的参考电压比较如图.(a)输出单极性的PWM脉冲信号图.(b)在将单极性的PWM脉冲信号与所示的反相器信号图.(c)相乘得正负半波对称的PWM脉冲信号图.(d)。“图.单极性调制原理.图()双极性三角波调制法双极性SPWM调制是指载波三角波Uc和正弦参考信号“是具有正负性变化的信号。双极性调制时逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断处于互补的方式。将正负交变的双极性三角波与参考波电压在电压比较器两端输入通过直接比较就得到双极性PWM脉冲如图.所示。第lO页武汉科技大学硕士学位论文Jl(叠)^^^^A^^^栅\/潲八八八八/。垤VV}V/|、\V讨Vi£罗|好一|{i:秭图.双极性调制原理图对于双极性调制由于同一桥臂上的两个开关器件始终是轮流交替通断而一般开关器件的关断时间总是比开通时间长因此容易引起电源短路为此必须增加延时触发装置即“死区时间”控制。而单极性调制当同一桥臂上的两个开关器件中一个按正弦规律在半个周期内开通和关断的同时另一个开关器件始终是关断的因此可以省去延时触发环节既简化了线路又防止了延时引起的失真。此外由于减少了开关次数可以大在降低开关损耗提高了整个逆变器的输出效率。但也应该指出采用单极性调制随着负载的变化当同臂上下两个开关器件均为不导通时会出现输出端电压的不确定性从而对输出电压波形会产生一定影响。综合两种调制方法的优缺点本文选用双极性调制的方法来实现SPWM调制信号。..正弦脉宽调制(SP'WIVI)信号的调制方式在SPWM逆变器中载波频率尼与调制波频fM(flP逆变器输出的基波频瓤)之比ⅣCM糸饷称为载波比也称调制比。对于单极式调制而言由于一个周期内有N个脉冲则ⅣcM=Ⅳ而双极性调制由于一周期内有N个脉冲则^CM=.Ⅳ。根据载波比的变化与否SPWM逆变器可以有同步调制和异步调制两种调制方式。而为了使输出波形保持三相对称且谐波少可采用同步调制与异步调制相结合的分段同步调制。()同步调制载波比ⅣCM等于常数即在变频时使载波信号的频率与调制波信号的频率保持同步变化的调制方式称为同步调制。在该调制方式中调制波信号频率变化时载波比Ⅳ凶不变因而逆变器输出电压半个周期内的矩形脉冲数是固定的。在三相PW'M逆变器中‰为的整数倍以使三相输出波形严格对称。当逆变器输出频率很低时由于在半周期内输出脉冲的数目是固定的所以相邻两脉冲间的间距增大谐波会显著增加使负载电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声给电动机的工作带来不利影响。()异步调制为了消除上述同步调制的缺点可以采用异步调制方式。这种载波信号和调制波信号不保持同步关系的调制方式称为异步调制。在异步调制方式中在逆变器的整个变频范围内武汉科技大学硕士学位论文第I页载波比ⅣcM是不等于常数的。一般在改变调制波信号频率加时保持三角波频率尼不变因而提高了低频时的载波比这样逆变器输出电压半周期内的矩形脉冲数可随输出频率的降低而增加相应地可减少负载电机的转矩脉冲和噪声改善了低频工作特性。异步调制在改善低频特性的同时又会失去同步调制的优点当载波比随输出频率的改变而连续变化时势必使逆变器输出电压的波形及其相位都发生变化很难保持三相输出间的对称关系。另一方面当逆变器输出频率增高时载波比减小半周期内输出脉冲的数目减少输出脉冲的不对称影响就变大同时输出波形和正弦波之间的差异也变大从而使输出特性变坏引起电动机工作的不平稳。‘为了扬长避短可将同步和异步两种调制方式结合起来成为分段同步的调制方式。()分段同步调制在一定频率范围内采用同步调制保持输出波形对称的优点。当频率降低较多时使载波比分段有级地增加又发挥了异步调制的优势这就是分段同步调制。具体地说将逆变器输出的整个变频范围划分为若干个频段在每个频段内都保持载波比ⅣCM为恒定不同频段载波比不同。在输出频率为高频段时采用较低的载波比使载波频率不致过高以满足功率开关器件对开关频率的限制。在输出频率为低频段时采用较高的载波比以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。表.给出一个变频器实际系统的频段和载波比分配。表.分段同步调制的频段和载波比逆变器输出基波频率fM(HZ)载波比ⅣcM开关频率疋(Hz)~.~l帖~l~~l~~一石l..正弦脉宽调制的微机算法SPWM波就是根据三角载波与正弦调制波的交点而得到的一系列脉冲其幅值不变而宽度按正弦规律变化】。SPWM波可以通过模拟电子电路、数字电路或专用的集成电路芯片等硬件实现也可以用微型计算机通过软件实现。模拟电路结构复杂难以实现精度的控制但它的原理是其他控制方法的基础。数字控制是sPwM目前常用的控制方法。可以采用微机存储预先计算好的数据表控制时根据指令调出或通过软件实时的生成SPWM波形此外还可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWIVl信号。()自然采样法在载波三角波与调制正弦波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断这种生成SPWM波的方法称为自然采样法闭】。由于正弦波在不同相位角时其幅值不同因而与三角第页武汉科技大学硕士学位论文波相交所得到的脉冲宽度也不同。另外当正弦波频率变化或幅值变化时各脉冲的宽度也相应变化。所以要准确生成SPWM波就要准确地计算出正弦波与三角波的交点即功率开关器件的导通时刻tA和关断时刻tB。功率开关器件导通的区间就是脉冲宽度tptI其关断区间就是脉冲的间隙时间to仃和t|o仃如图.所示。‘么YuB/\/UMAK\一{\/l/tAVb\。ttoIIlt。一广t磕。lE丑l卜一Tc一图.生成SPWM波的自然采样法自然采样法虽然能真实反映脉冲产生和结束的时刻却难以在实时控制中在线实现。当然也可以事先把计算出的数据存入计算机内存中控制时利用查表法来获取数据这样做当调速系统频率变化范围较大时将占用较多的内存空间。所以此法仅适于调速范围有限的场合。.()规则采样法规则采样法是利用载波三角波的正峰值点、负峰值点所对应的正弦函数值来代替三角波与正弦波自然交点处正弦函数值这一规则求取脉冲宽度来生成SPWM波的方法。在规则采样法中每个载波周期的开关点都是确定的。依据脉冲的中点是否以相应的三角波峰值为对称有对称规则采样法和不对称规则采样法【l】。.“对称规则采样法对称规则采样法只在三角载波的底点采样求取脉宽的计算量小易于微机或可编程逻辑器件的实现其采样原理如图.所示.一瓦.牟一一式\/\/‘\彰面cr/\\/Vrl薹/弋图.对称规则采样法生成SPWM武汉科技大学硕士学位论文第页图.中珥、以为三角载波和基波的幅值正为采样周期三角波的顶点和底点。经过简单的数学推倒可得:丁f=詈(Msinot)二式(.)中:M为调制比且MIⅥk。不对称规则采样法为脉宽时间t、t别对应(.)不对称规则采样法同时在三角载波的顶点和底点采样与对称规则采样法相比虽然其求取脉宽的计算量增加了但是其PWM输出波形更接近于自然采样的结果其采样原理如图.所示.经数学推倒可得:。=(砒in国t)(.)。=(椭inot)(.)。=扣争删sinot)J(.)式(.)、(.)、(.)中:五和瓦分别为采样周期与载波周期且正瓦。L一瓦一一瓦一{忒/‘\/‘\\配Shltr\f\./N‘/\i{L~!图.不对称规则采样法生成SPWM波在由微机实现对称和不对称规则采样法的SPWM波时可把幅值为的调制正弦波的函数值(sin。t)预先计算出来存储在程序存储器EPROM中以形成基准的正弦函数表。另外为了改善SPWM波形可采用分段同步的调制方式在整个调整范围内载波比ⅣCM取若干不同的值根据指令频fi确定该频率区段的ⅣCM值由此计算出三角波的周期耻/(ⅣCM掌向)。同时调制系数m与指令频率厢也有确定的关系可由所要求的硼曲线来确定。可以将此曲线预先算出制成表格存储在EPROM中。在介绍SPWM变压变频器的原理时把逆变器中的功率开关器件都看成是理想的开关也就是它们的导通和关断都随其驱动信号同步地、无时滞地完成。但实际上功率开关器件都不是理想的开关它们都存在导通时延与关断时延。因此为了保证逆变电路的安全工第页武汉科技大学硕士学位论文作必须在同一桥臂上、下两个开关器件的通断信号问设置一段死区时间td(或称滞时)。即在上(下)边器件得到关断信号后要经过td时间才允许给下(上)边器件送入导通信号以防止其中一个器件尚未完全关断另一个器件已被导通而导致上、下两器件同时导通逆变器直流侧被短路的事故。死区时间一般随所用开关器件的开关频率而有所不同一般对BJT元件可选呲s对IGBT元件为“s左右。死区时间的存在使得SPWM变压变频器不能完全精确地复现SPWM控制信号的理想波形必然产生更多的谐波并影响电气传动系统在低速下的运行性能。..SPWM模式的优化正弦波脉宽调制法虽然各脉冲面积之和与正弦波下的面积成正比例使其调制波形更接近于正弦波谐波分量已很小。但一般在正常工作情况下要求正弦波参考信号的UM最大幅值UMm不能大于三角波幅值U伽即调NmSl。当m>l时正弦波脉宽调制波中将出现饱和现象。不但输出电压与频率失去所要求的配合关系而且输出电压中的谐波分量增大特别是较低次的谐波分量增加较大对电机运行不利。为了解决这个问题可以在正弦参考波UM上叠加适当幅度与相位的三次谐波分量UM(如图.所示)。使得合成的参考信号urM最大值减小这样做虽然会在逆变器输出电压中产生大量三次谐波分量但由于三相交流电机负载的连接方式可使线电流中不出现三次谐波并不影响电机的运行。U图.正弦参考波上叠加三次谐波分量由于在正弦参考波UM上叠加了适当幅度和相位的三次谐波使合成参考信号u’M最大值减小从而可以进一步提高正弦参考波uM的幅值即可以使m>l而且高次谐波分量又不大增加从而进一步发挥了脉宽调制法的优点。由理论分析在正弦参考信号uM上叠加正弦基波的/幅值的三次谐波其结果是按O.的系数降低了uM波形的幅值。按系数k增加调制正弦基波的幅值以重新利用逆变器的满输出电压这是可能的因此调制波变为uM=耕sinsin()/】(.)假定没有最小脉宽的限制U’Mm可以等于l如果原设计的U。Mm为.则有l=.k即k=.。即叠力H/幅值的三次谐波后在调制波不发生饱和的条件下使正弦参考信号ur的幅值增加.%使m>l。最终可使主回路输出相电压基波幅值产生.%的增量。武汉科技大学硕士学位论文第页从而使系统在不增加高次谐波分量的条件下又充分利用了逆变器回路的输出电压使得逆变器输出电压几乎等于交流电源送给逆变器的电压。.本章小结本章对变频调速原理和正弦脉宽调制(SPWM)相关知识进行研究从而为本论文的设计实现提供了基本理论知识。通过对SPWM的工作原理、SPWM信号的生成方式和调制方式、算法的研究综合考虑本文的SPWM信号采用数字化自然采样法、双极性生成方式来实现并采用正弦波参考信号叠加三次谐波的方法对其优化。在后面的第四章将做详细的介绍。第页武汉科技大学硕士学位论文第三章SOPC系统的设计与实现.SOPC系统的开发流程与传统的嵌入式系统设计不同基于NIOSII软核处理器的SOPC系统开发分为硬件开发和软件开发两个流程。硬件开发过程包括由用户定制系统硬件的构建然后由计算机完成硬件系统的生成软件开发则与传统的方式比较接近在构建的硬件系统之上建立软件设计。图.为基于NIOSII的SOPC系统开发整体设计流程【】。图.基于NIOSII的SOPC系统开发整体流程一般来说基于SOPC系统的开发流程具体将分为以下几个步骤【:()在QUARTUSII软件中创建一个工程并指定合适的参数包括:工程所在的目录、工程名需要包含的硬件模型库需要用到的第三方EDAT具信息所选用的FPGA参数左盘号予。武汉科技大学硕士学位论文第页()在工程中创建一个原理图设计文件并使其保存的文件名和工程名相同。尽管QUARTUSII还支持其他多种输入描述包括Verilog、VHDL文本描述等但是电路原理图是最直观的。此时创建的原理图将作为整个工程的顶层设计模块最后该原理图将被综合得到FPGA的配置文件。()调用SOPCBuilder以便得到一个基于SOPC的片上可编程系统。在这一步中需要做的工作有:指定使用Verilog还是VHDL作为硬件描述语言从p核库或自定义的口核中选择合适的口核并对他们进行合适的配置确定口之间的相互连接关系、I/O地址空间分配、中断资源分配以及一些系统启动选项包括系统复位时的程序开始运行地址程序代码存放在区域等。最后就可以命令SOPCBuilder自动生成相应的硬件描述文件和软件函数代码。()在完成上一步操作后SOPCBuilder还会自动生成一个原理符号(Symb)。打开第二步所创建的原理图将刚才利用SOPCBuilder生成的新系统的Symbol放置到原理图中然后添加合适的外部I/O引脚从而得到一个完成的系统设置图。()完成系统原理图以后可以调用QUARTUSII进行系统硬件的综合工作。综合过程将分为以下几个部分:设计文件分析、设计文件编程、针对FPGA器件进行布局和布线、时序分析、生成硬件仿真文件。完成编译工作以后得到的是一个FPGA配置文件。硬件综合过程相当复杂因此速度比较慢尤其是在布局和布线阶段。()得到FPGA的配置文件就意味着硬件部件工作基本上结束。下面的工作是进行用户程序开发。在第三步中SOPCBuilder已经自动为用户生成了一些底层的支撑函数包括对定时器的配置、利用UART进行数据接受和发数函数等因此用户可以直接进行调用。另外SOPCBuilder已经为用户自动设置好了开发环境包括系统头文件的引用、库函数的引用各种编程工具的路径。”()自定义外围器件的驱动和例程并将文件夹加入到系统软件开发驱动程序目录中为应用程序的编写打好基础。()调用NIOSIIIDE以便创建系统的应用程序。在这一步中需要做的工作有新建一个C/C应用工程选择相应硬件系统的配置文件套用系统自带的工程模板(n以选择嵌入操作系统的工程模板)然后根据系统设计要求编写应用程序。同时产生一个系统描述库该库提供硬件系统的基本信息。.()设置系统库相关的属性调用NIOSIIIDE集成的开发环境中的C/C编译整个软件系统。()在QUARTUSII程序中调用FPGA编程器将第五步得到的FPGA配置文件下载到开发板中。()在NIOSIIIDE集成开发环境中调用运行命令将用户应用程序下载到开发板中。()当用户程序下载以后将自动运行。用户可以观察程序的执行情况判断是硬件的错误还是软件的错误。如果是硬件的错误则需要返回到第三步进行检查然后再重新综合、下载、测试。如果是软件的错误则需要回到第八步找出错误的地方重新进行第页武汉科技大学硕士学位论文编译、下载、测试。这个下载测试一修改编译再下载的过程需要反复进行直到系统运行正常。由于本文所要设计的系统同时包括硬件和软件两个部分而且两个部分关系非常密切因此在这个过程中要花费大量的时间和精力。.基于SOPC的变频控制系统本文使用集成在QUARTUSⅡ中的SOPCBuilder工具来配置生成变频控制器硬件的片上系统其硬件系统主要分为片内和片外两个部分。片外部分主要包括静态随机访问存储器SRAM大容量可擦写的存储器FLASH以及网络控制芯片RTLS。之所以将这些器件放到FPGA的外面是因为芯片本身的限制。比如它片上的存储空间有限它不能处理物理层等模拟信号。片外的硬件系统通过Avalontristate数据总线与片内的NIOSCPU相连。FPGA芯片内的硬件模块也分为两个部分分别是用户自定义的口核模块以及NIOS开发系统自带的硬件口核。为了完成控制系统设计目标本文自行设计了一个P核即自定义的SPWM变频控制D核该Ⅲ核根据实际电机控制系统的要求产生一组或几组不同的控制信号来控制不同的电机这两个D模块通过FPGA芯片内的数据和指令总线直接与NIOSCPU相连。变频控制器SOPC系统设计框图如图.所示。FPGANios位CPU卜、~《\广一/。自定义变$黪控越器lp核#SDRk秒SRAM~AMl旷ROM心》AVUARTA电平/L矧uARTkL蚓F甜b一FLASH转换犷o/器NlTIMERk》总线AVALONl刊控器篓口}一网络控吲三繁线P一制芯片lLED忙纠LED接口kIlRJI图.变频控制器SOPC系统设计框图对于NIOS开发系统自带的硬件P核可以直接在SOPCBuilderdP进行配置实现起来比较容易。而自定义变频控制器触发口核的实现将是本文重点研究的对象。.SPWM变频控制器触发IP核在第二章已经介绍三相正弦脉宽调制的原理、调制方式以及实现方法。在此基础上结合SOPC设计的方法给出本文三相SPwM变频控制器触发D核的实现框图【】【】如图.所示。由图.可知变频控制器触发口核电路主要包括两个部分:接口部分和主电路功能实现部分。武汉科技大学硕士学位论文第页图三相SPWM变频控制器触发lP核实现框图接口部分通过Aavlon总线实现与MOSCPU的通信根据P核的功能将其设计成为被动工作模式(slave)。其接口按照Avalon从端口接口要求设置个接口信号。接口部分主要包括:地址数据总线译码器、总线控制单元、寄存器组、初始化寄存器、控制寄存器。主电路部分的功能是用数字的方法生成三角波信号和用ROM查找表的方式生成三相正弦波通过比较产生三相六路的脉冲序列并对输出的六路脉冲进行脉冲延迟和封锁处理。主电路部分主要包括:时钟分频、三角载波发生器、正弦波寻址、正弦波数据ROM、触发封锁。主电路部分功能模块介绍如下:()三角载波信号生成模块:它用于生成三角载波设计中充分结合FPGA器件的特点利用加减计数器得到数字三角载波数据与正弦信号生成

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