基于FPGA的三相变频电源系统设计

周 欣，李 乐，刘瑞安，王 为

（1.天津师范大学 物理与电子信息学院，天津 300387；2.天津职业技术 师范大学 工程实训中心，天津 300222）

基于FPGA的三相变频电源系统设计

周 欣1，李 乐2，刘瑞安1，王 为1

（1.天津师范大学 物理与电子信息学院，天津 300387；2.天津职业技术 师范大学 工程实训中心，天津 300222）

基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）设计了一种单相输入三相输出的数字式控制变频电源.将单相市电输入该系统后，经过整流、升压、滤波、三相桥式逆变和低通滤波输出三相近似正弦交流电.根据三相异步电动机的调速特性，系统由控制器改变内部调制波的幅值和频率，进而调节三相正弦脉冲宽度调制（Sinusoidal Pulse Width Modulaton，SPWM）波的脉宽和频率，最终实现三相交流异步电动机的变压变频调速（Variable Voltage Variable Freguency，VVVF）控制.系统调制结果证明该电源的设计是可行的，且系统操作方便快捷、界面友好，可为实现全数字智能控制提供参考.

变频电源；FPGA；SPWM

三相变频逆变电源可以实现单相交流电到三相交流电的转换［1］，从而为没有三相交流电供给的设备提供电源，其变频功能还可以改变三相交流电的输出频率，很方便地用于一些中小功率三相电机的变频调速等，因此，三相变频逆变电源的应用非常广泛［2－3］.但由于传统微处理器（如51系列单片机）存在指令功能不强、处理速度慢、乘除法指令周期过长和外围电路数据转换速度慢等缺点，导致现有变频电源的性能得不到充分发挥，难以实现现代工业对逆变电源高精度、实时性的要求.本研究提出一种以FPGA为主处理器，采用SPWM实现三相变频电源的方法，以满足变频电源的输出具有高频率、高精度、小畸变、高实时性以及较宽的调频范围等特点.

1 系统的整体设计

三相变频电源由逆变部分、信号驱动部分和SPWM产生部分组成.该电源以现场可编程门阵列EP2C5T144为控制核心，利用直接数字频率合成（Direct Digital Synthesizer，DDS）技术产生SP－WM脉宽调制信号控制逆变电路，实现对输出信号的调频调幅.输出电源的频率可以由键盘和外接电位器设定，并通过液晶显示当前频率等信息.三相变频电源的系统框图如图1所示，电路的工作原理为：单相交流电经过电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）共模滤波、整流和滤波之后变为平滑的直流电，再经过逆变环节和电感滤波变成正弦波，供异步电机使用.

图1 系统结构框图Fig.1 System structure diagram

1.1 系统的硬件设计

电路主要由以下几部分组成：EMI滤波器、整流电路、逆变电路、控制器、参数设定模块、显示模块、脉冲封锁电路、驱动电路、报警装置和辅助电源.

1.1.1 直流回路

EMI电源滤波器可以衰减共模干扰和差模干扰，起到2个低通滤波器的作用［4］.EMI电源滤波器能在阻带范围内衰减射频能量，且工频无衰减或少量衰减.系统采用的05DBAG5型EMI电源滤波器（参数为115／250 V，5 A，50／60 Hz）是由电感和电容构成的无源双向多端口网络滤波设备，其电路图如图2所示.

图2 EMI电路图Fig.2 EMI circuit diagram

整流环节采用KBPC50 A10M型整流堆，其等效电路如图3所示.

图3 AC／DC电路图Fig.3 AC／DC circuit diagram

整流电路由整流二极管D6，D8，D9和D10组成，当正弦波波峰到达D6的阳极，电流通过D6、负载和D10之后，回到电源构成回路；当正弦波波峰到达D8的阳极，电流通过D8、负载和D9后回到电源构成回路，完成一个周期的整流.该整流堆为单相桥式整流，整流后的直流电压平均值只有交流电压有效值的0.9倍，关系式为：Ud＝0.9ULUd为直流电压，UL为交流电压的有效值.

单相交流电输入整流后经逆变电路输出得到的三相交流线电压的有效值只有146 V，不能用来驱动三相220 V的电动机.为了驱动三相220 V电动机，在单相全波整流以后，还必须增加一个由电容C4和C6构成的升压电路.当图3中N点的电位处于正弦波的正半周时，直流回路正极的正电位将因C4的作用得到充电；而当N点的电位处于正弦波的负半周时，直流回路负极的负电位也因C6的作用得到补充，从而增大了正极和负极的直流电压值.通过适当选择C4和C6的电容量，可使直流回路的平均电压升至297 V，使逆变后的三相线电压升为220 V.电路经整流和升压后变为脉冲波，再经电容C5和C7滤波后变成平滑的直流，供逆变器使用.

1.1.2 逆变电路

逆变电路又称为逆变桥，由Q3、Q4、Q5、Q7Q8和Q9组成，如图4所示.其功能是把直流电转换成频率可调的三相交流电，逆变电路实际输出线电压的波形是经过SPWM调制后的高频脉冲系列与调制的正弦波一致.

图4 三相逆变电路图Fig.4 Three－phase inverter circuit diagram

在功率变换电路中，功率管的选择至关重要［5］，系统采用的功率管为 MOSFET.MOSFET是一种电压控制型单极晶体管，它通过栅极电压来控制漏极电流，因而具有驱动电路简单的显著特点，同时，MOSFET的驱动功率小，仅由多数载流子导电，无少子存储效应，且高频特性好，工作频率高达100 k Hz以上.

工作过程中，由于变压器漏感和MOSFET具有较大开通电容的影响，MOSFET在关断时会承受一个很高的电压尖峰.为了减小这个尖峰，系统采用了RCD缓冲电路，电路图如图5所示.由于箝位关系将开关管两端的电压限制在2 V，电容会使开关管集电极或漏级电压上升速度减缓，随后电容通过电阻放电或将能量转移到电感或变压器中，最终回馈电网.电容的取值需要足够大，以使开关管电压上升速度缓慢，保证开关管不受冲击，但由于损耗原因，电容也不能太大.电阻的大小没有特别要求，电阻越小，电容的放电速度越快.

图5 RCD缓冲电路图Fig.5 Snubber circuit diagram

1.1.3 控制器的选择

FPGA具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点，它兼容了可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活.与门阵列等其他专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）相比，FPGA又具有设计开发周期短、制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定和可实时在线检验等优点.因此，系统采用型号为EP2C5T144的FPGA作为整个电路的控制器，通过编程实现SP－WM波形的产生，并对负载的电流和电压信号以及来自键盘和传感器的信号进行处理.

1.1.4 驱动电路

系统由比较器LM311组成驱动放大电路，如图6所示.驱动放大电路中，由FPGA产生的SPWM信号首先经过RC滤波，然后进入由LM311组成的驱动电路，再经过隔离输入后级电路，这样就将FPGA输出的弱信号转化为具有一定驱动能力的SPWM信号.为了增强电路的抗干扰能力本研究在驱动放大电路中增加了一级光耦隔离电路，隔离电路由光耦TLP521和周围元件组成.

图6 驱动放大原理图Fig.6 Principle graph of driving amplification

信号驱动模块采用MOSFET专用的驱动电路芯片IR2110，不但可以解决驱动电源多路的麻烦，而且输出波形也较为陡峭，信号驱动原理图如图7所示.

图7 信号驱动原理图Fig.7 Principle graph of signal driver

1.1.5 信号检测电路

信号检测电路包括电流采样电路和电压采样电路，电路图如图8所示.电压取样信号通过滤波和电压跟随电路使采样的信号传至单片机的A／D口，做A／D的运算处理.电流采样信号通过的滤波和电压跟随电路，经2级放大后（第1级为1.5倍，第2级为18倍），输入单片机A／D口进行电流检测处理.

图8 信号检测电路图Fig.8 Circuit diagram of signal detection

1.2 系统的软件设计

SPWM波产生示意图如图9所示.

图9 SPWM波的产生Fig.9 Generation of SPWM wave

系统的核心控制芯片是Altera公司的EP2C5T144，此芯片是该公司2000年推出的2.5 V低价格SRAM工艺PLD（FPGA）芯片，其内部具有4 992个逻辑单元，12个嵌入式RAM块，每个RAM块大小为4 Kbit，并且带有独立的嵌入式存储块（EAB），部分型号带锁相环（Phase Locked Loop，PLL），芯片使用这些存储单元，利用DDS技术形成SPWM脉宽调制信号来控制逆变电路，以形成三相正弦交流电源.波形的频率可通过键盘输入，并可以显示电压、电流和频率等输出信号.

2 系统调试

2.1 系统调试过程

系统测试的具体步骤如下：

（2）把SPWM信号加到信号处理电路输入端观测输入信号波形经过处理电路后有无失真.

（3）主电路经逆变和滤波后接3个阻性负载并星形连接，以测试相电压是否对称以及相位差是否正常.

（4）小功率测试，直流测试中给系统加10 V电压工作5 min，检测各个MOS管有无异常，用示波器测试每一相上、下D和S极尖峰的大小；再给系统输入70 V电压进行测试，工作10 min，测试方式同上.

（5）满负荷测试，给系统输入220 V电压进行系统调试，方式同步骤（4），以测试系统的过载和欠压保护功能.

2.2 系统调试结果

（2）SPWM信号输入到信号处理电路后，经过波形处理，电路无失真.

（3）主电路经逆变、滤波后接3个阻性负载并星形连接，相电压对称，相位差正常.

（4）小功率测试中，系统各个MOS管无异常.

（5）满负荷测试中，系统工作正常，过载和欠压保护功能工作正常.

3 结论

三相变频电源系统不但实现了三相交流异步电动机的VVVF控制，还具有欠压、过流、短路、能耗制动和软启动等功能，在故障发生时通过软件和硬件2种方法封锁脉冲，实现保护.经实际运行检测，系统稳定可靠，且操作方便快捷、界面友好具有良好的可扩展能力，在电力和电子领域具有广泛的应用前景.

［1］ 李彦吉，李斌.电气化铁路单－三相变频电源的研制［J］.电工技术，2009，17（10）：45－46.

［2］ 梅建伟，刘美怡，徐祖建，等.数字化三相变频电源的研制［J］.电源技术应用，2008，11（12）：9－13.

［3］ 吴保芳，钟炎平，林洁，等.新型组合式三相变频电源的研制［J］.空军雷达学院学报，2001，15（3）：46－49.

［4］ 王海莉，吴延华.EMI电源滤波器的设计探讨［J］.电子产品可靠性与环境试验，2008，26（6）：16－19.

［5］ 付明，张东来，王宏.多路太阳能功率变换模块控制策略研究［J］.现代电子技术，2009，20（4）：206－209.

Design of three－phase variable－frequency power source based on FPGA

ZHOUXin1，LILe2，LIURui－an1，WANGWei1

（1.College of Physics and Electronic Information Science，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China；2.Engineering Training Center，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

A kind of digital variable－frequency power source with single－phase input and three－phase output is designed based on field programmable gate array（FPGA）.The input of single－phase city electric current is outputted into three－phase approximate sine alternating current through rectifier，booster，filter，single－phase bridge－inverter and low－pass filter.According to the governing characteristics of three－phase asynchronous motor，the controller changes the amplitude and frequency of the modulation wave and then regulates the pulse width and frequency of three－phase sinusoidal pulse width modulation （SPWM）wave，and finally the variable voltage variable frequency（VVVF）control of three－phase AC asynchronous motor is realized.The experiment shows that the power design is feasible，and the system is easy to operate with friendly interface and lays a foundation for full－digital intelligent control.

variable－frequency power source；FPGA；SPWM

TM930.2

A

1671－1114（2012）01－0043－05

2011－04－26

天津师范大学博士基金资助项目（52X09008）

周 欣（1978—），女，讲师，主要从事数字图像处理及智能传感技术方面的研究.

（责任编校 纪翠荣）