fpga的变频调速系统的实现(附件)【字数：17417】
摘 要摘 要变频调速是一种优秀的调速方法，但由于理论水平或者硬件设备等原因，它在交流电机调速中的发展一直受到限制。本文结合电力电子技术目前的发展方向，设计了将现场可编程门阵列器件FPGA(Field Programmable Gate Arrays)应用于变频调速控制系统的方案。 本系统的特点是数字化设计，将系统用硬件芯片的形式实现，减少了系统的外围硬件设备。该系统通过FPGA构建了若干DDS(直接数字频率合成器)来产生三相正弦调制波和三角载波。它们经过比较模块和窄脉宽剔除模块后输出一路SPWM波，再经过死区延时模块处理，则能产生三相六路SPWM波。本文详细论述了系统的实现方法，主要包括系统的理论分析，系统各模块的详细设计方案以及在 FPGA 硬件上进行的板级调试，最终验证了该控制系统的有效性。 本文设计的变频调速控制系统具有控制简单、修改方便、系统稳定性强等特点。系统还具有最小脉冲删除、互补输出、死区延时等功能，是变频调速系统的全数字化实现。关键词FPGA；SPWM；Verilog HDL；交流变频调速；DDS
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 EDA 技术的发展与应用 2
1.3 变频调速系统综述 3
1.3.1异步电动机调速原理概述 3
1.3.2 变频调速的现状 4
1.3.3 变频调速的未来发展 5
1.4 论文组织结构 5
第二章 FPGA与数字系统 7
2.1 FPGA概述及发展状况 7
2.1.1 FPGA的介绍 7
2.1.2 FPGA的发展 8
2.1.3 FPGA的开发流程 8
2.2数字系统设计的基本理论 9
2.2.1 数字系统介绍 9
2.2.2数字系统的设计 9
2.4开发工具简介 10
2.4.1 Quartus II 10
2.4.2 Modelsim 11
2.5 HDL语言 11
2.5.1概述 11
2.5.2 Verilog代码设计风格 12
第三章 系统设计原 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
理 14
3.1 正弦脉宽调制控制技术 14
3.1.1 SPWM控制技术的基本原理 14
3.1.2 SPWM的调制方式 14
3.1.3 SPWM波形实现方法 16
3.2 DDS技术 17
3.2.1 DDS简介 17
3.2.2 DDS原理分析 17
3.3系统总体结构及功能要求 18
3.3.1系统设计要求 18
3.3.2系统结构框图 19
第四章 系统的模块化设计 21
4.1分频模块的设计与仿真 21
4.1.1 分频模块的设计 21
4.1.2 分频模块的仿真 21
4.2正弦调制波模块的设计及仿真 22
4.2.1 正弦调制波模块的设计 22
4.2.2 正弦调制波模块的仿真 22
4.3 三角载波模块的设计及仿真 22
4.3.1 三角载波模块的设计 22
4.3.2 三角波载波模块的仿真 23
4.4比较器模块的设计 23
4.5窄脉冲剔除模块的设计及仿真 23
4.5.1 窄脉冲剔除原理 23
4.5.2 窄脉冲剔除模块设计 24
4.5.3 窄脉冲剔除模块的仿真 24
4.6死区延时模块的设计及仿真 25
4.6.1死区延时原理 25
4.6.2死区延时模块设计 26
4.6.3 死区延时模块仿真 26
4.7整个系统的仿真 27
第五章 系统的板级调试 28
5.1 DE2115开发板介绍 28
5.2 JTAG模式 28
5.3 系统验证方法 28
5.4 实验结果及分析 28
结论 33
致谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
在电力电子器件由工频逐渐发展到高频的这段时间里，电力电子电路的控制方式也迅速发展着，发生了翻天覆地的变化。集成控制电路在取代了由分立元件组成的控制电路后，又在此基础上发展到了现在的计算机控制，计算机控制以实现高频开关为目的。高频率、低损耗和全数字化已经成为当今电力电子器件的发展方向。
电力电子电路的控制线路大幅度的简化要归功于专用集成控制芯片。电路简化后稳定性提高了，但是由于外接了阻容元件，所以出现了模拟控制电路的精度不够、元件老化等问题。随着数字化系统的发展和应用，模拟控制电路存在的控制精度低、参数修改不方便、温漂严重[1]等缺点被有效的解决了。不仅如此，数字系统的运用还在很大程度上减少了实体硬件的使用，这就在很大程度上降低了由于硬件损坏而造成系统不稳定的概率。
单片机作为电力电子电路中的核心，可以完成多种综合性的复杂功能。例如数据采集、调节电压和电流、产生PWM信号等。虽然单片机通过数字化控制方式提高了控制的稳定性和精度，但是单片机的工作频率与控制精度仍然难以协调，使它们两个都达到较高的水平相对困难。且单片机在高频、高速变化的电路下，处理速度难以满足要求，DSP的应用则解决了这一问题。
DSP具有处理速度快、集成度高和容量大的特点。它不但能像单片机一样完成主电路的控制、系统的实时监控等任务，而且完成的比单片机好。应用DSP的电路主要有逆变电源、光伏发电逆变器、交流电机调速电路、谐波抑制电路等。虽然DSP有诸多优点，但它在采样频率的选择、PWM信号的频率及其精度的控制、运算时间等方面存在局限性。这些因素会在不同方面不同程度地影响整个电路的控制性能。
20世纪80年代横空出世的FPGA又为电力电子电路设计提供了新的思路。相对来说，当取样速率较低、软件复杂程度较高的场合，使用DSP比较合适；而当系统取样速率在MHZ级、数据传输速率在20MB/s以上、功能又比较固定时，FPGA更有优势，而且FPGA比DSP具有更好的实时性，其控制系统的延迟时间也较小。目前，FPGA已用于逆变器控制系统、交流电机调速、通讯、数字信号处理、卫星图像处理等领域。
交流变频调速系统现在已经在工业领域中得到广泛应用，并且随着工业技术的发展，不断提高变频调速系统的性能将是大势所趋。FPGA拥有的灵活性强、开发周期短等特点使其成为发展变频调速技术的绝佳器件。使用FPGA，在提高系统的稳定性的同时还能使系统拥有良好的动态响应。
1.2 EDA 技术的发展与应用
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 EDA 技术的发展与应用 2
1.3 变频调速系统综述 3
1.3.1异步电动机调速原理概述 3
1.3.2 变频调速的现状 4
1.3.3 变频调速的未来发展 5
1.4 论文组织结构 5
第二章 FPGA与数字系统 7
2.1 FPGA概述及发展状况 7
2.1.1 FPGA的介绍 7
2.1.2 FPGA的发展 8
2.1.3 FPGA的开发流程 8
2.2数字系统设计的基本理论 9
2.2.1 数字系统介绍 9
2.2.2数字系统的设计 9
2.4开发工具简介 10
2.4.1 Quartus II 10
2.4.2 Modelsim 11
2.5 HDL语言 11
2.5.1概述 11
2.5.2 Verilog代码设计风格 12
第三章 系统设计原 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
理 14
3.1 正弦脉宽调制控制技术 14
3.1.1 SPWM控制技术的基本原理 14
3.1.2 SPWM的调制方式 14
3.1.3 SPWM波形实现方法 16
3.2 DDS技术 17
3.2.1 DDS简介 17
3.2.2 DDS原理分析 17
3.3系统总体结构及功能要求 18
3.3.1系统设计要求 18
3.3.2系统结构框图 19
第四章 系统的模块化设计 21
4.1分频模块的设计与仿真 21
4.1.1 分频模块的设计 21
4.1.2 分频模块的仿真 21
4.2正弦调制波模块的设计及仿真 22
4.2.1 正弦调制波模块的设计 22
4.2.2 正弦调制波模块的仿真 22
4.3 三角载波模块的设计及仿真 22
4.3.1 三角载波模块的设计 22
4.3.2 三角波载波模块的仿真 23
4.4比较器模块的设计 23
4.5窄脉冲剔除模块的设计及仿真 23
4.5.1 窄脉冲剔除原理 23
4.5.2 窄脉冲剔除模块设计 24
4.5.3 窄脉冲剔除模块的仿真 24
4.6死区延时模块的设计及仿真 25
4.6.1死区延时原理 25
4.6.2死区延时模块设计 26
4.6.3 死区延时模块仿真 26
4.7整个系统的仿真 27
第五章 系统的板级调试 28
5.1 DE2115开发板介绍 28
5.2 JTAG模式 28
5.3 系统验证方法 28
5.4 实验结果及分析 28
结论 33
致谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
在电力电子器件由工频逐渐发展到高频的这段时间里，电力电子电路的控制方式也迅速发展着，发生了翻天覆地的变化。集成控制电路在取代了由分立元件组成的控制电路后，又在此基础上发展到了现在的计算机控制，计算机控制以实现高频开关为目的。高频率、低损耗和全数字化已经成为当今电力电子器件的发展方向。
电力电子电路的控制线路大幅度的简化要归功于专用集成控制芯片。电路简化后稳定性提高了，但是由于外接了阻容元件，所以出现了模拟控制电路的精度不够、元件老化等问题。随着数字化系统的发展和应用，模拟控制电路存在的控制精度低、参数修改不方便、温漂严重[1]等缺点被有效的解决了。不仅如此，数字系统的运用还在很大程度上减少了实体硬件的使用，这就在很大程度上降低了由于硬件损坏而造成系统不稳定的概率。
单片机作为电力电子电路中的核心，可以完成多种综合性的复杂功能。例如数据采集、调节电压和电流、产生PWM信号等。虽然单片机通过数字化控制方式提高了控制的稳定性和精度，但是单片机的工作频率与控制精度仍然难以协调，使它们两个都达到较高的水平相对困难。且单片机在高频、高速变化的电路下，处理速度难以满足要求，DSP的应用则解决了这一问题。
DSP具有处理速度快、集成度高和容量大的特点。它不但能像单片机一样完成主电路的控制、系统的实时监控等任务，而且完成的比单片机好。应用DSP的电路主要有逆变电源、光伏发电逆变器、交流电机调速电路、谐波抑制电路等。虽然DSP有诸多优点，但它在采样频率的选择、PWM信号的频率及其精度的控制、运算时间等方面存在局限性。这些因素会在不同方面不同程度地影响整个电路的控制性能。
20世纪80年代横空出世的FPGA又为电力电子电路设计提供了新的思路。相对来说，当取样速率较低、软件复杂程度较高的场合，使用DSP比较合适；而当系统取样速率在MHZ级、数据传输速率在20MB/s以上、功能又比较固定时，FPGA更有优势，而且FPGA比DSP具有更好的实时性，其控制系统的延迟时间也较小。目前，FPGA已用于逆变器控制系统、交流电机调速、通讯、数字信号处理、卫星图像处理等领域。
交流变频调速系统现在已经在工业领域中得到广泛应用，并且随着工业技术的发展，不断提高变频调速系统的性能将是大势所趋。FPGA拥有的灵活性强、开发周期短等特点使其成为发展变频调速技术的绝佳器件。使用FPGA，在提高系统的稳定性的同时还能使系统拥有良好的动态响应。
1.2 EDA 技术的发展与应用
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