分析基于FPGA的感應(yīng)加熱逆變控制系統(tǒng)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯分析基于FPGA的感應(yīng)加熱逆變控制系統(tǒng)-設(shè)計(jì)應(yīng)用引言

FPGA的迅速發(fā)展使電子系統(tǒng)由原來(lái)的集成電路發(fā)展到集成系統(tǒng)。使用EDA工具開發(fā)基于FPGA的數(shù)字控制系統(tǒng)的新技術(shù)方法為當(dāng)代電子界所關(guān)注。近來(lái)，F(xiàn)PGA在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在電力電子系統(tǒng)中卻并不多，基于這種情況，本課題主要研究FPGA在電源系統(tǒng)中的應(yīng)用，用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)的控制器。本文首先根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)了其總體方案：確定了主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為串聯(lián)諧振式，功率調(diào)節(jié)方式為容性移相調(diào)功；計(jì)算確定了系統(tǒng)中各個(gè)元件的參數(shù)和型號(hào)；設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)所需的各個(gè)硬件電路。其次采用SAMPLE—DATA方法建立了基于移相調(diào)功串聯(lián)諧振逆變器的動(dòng)態(tài)模型，并用FFT變換的仿真方法驗(yàn)證了模型的正確性，然后根據(jù)此模型設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的PI控制器，并在SIMULINK中仿真了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。按照FPGA的設(shè)計(jì)流程，具體實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)加熱電源控制器，將數(shù)字鎖相環(huán)電路、輸出功率調(diào)節(jié)電路、保護(hù)電路、啟動(dòng)╱停止控制電路等全部集成在一片F(xiàn)PGA內(nèi)。實(shí)現(xiàn)的步驟為系統(tǒng)劃分、模塊實(shí)現(xiàn)和時(shí)序仿真等。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了各個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的控制器工作良好。

感應(yīng)加熱電源以其環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，逆變控制電路是直接影響感應(yīng)加熱電源能否安全、高效運(yùn)行的關(guān)鍵因素。目前的感應(yīng)加熱裝置多采用模擬電路控制，存在電路觸點(diǎn)多、系統(tǒng)可靠性低、元件工藝性要求高、控制參數(shù)不易改變及靈活性差等缺點(diǎn)。針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)了基于FPGA的感應(yīng)加熱控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了逆變電路的數(shù)字化，提高了系統(tǒng)的智能化，并利用液晶顯示與用戶建立良好的交互界面。

1感應(yīng)加熱逆變控制電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

感應(yīng)加熱主電路及逆變控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]如圖1所示，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)g13和g24作用下，使T1、T3管和T2、T4管分別交替工作；u1，i1表示負(fù)載上的電壓和電流。系統(tǒng)根據(jù)采樣得到的負(fù)載上的電壓u1，調(diào)整IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)g13和g24，使得負(fù)載工作在諧振狀態(tài)，即負(fù)載上的電壓電流同頻同相。

2逆變控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

逆變控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)由檢測(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路、FPGA控制模塊、故障指示電路、鍵盤和IGBT驅(qū)動(dòng)電路組成，其中虛線框中為FPGA控制模塊，是本系統(tǒng)的。逆變控制系統(tǒng)工作原理為：

（1）檢測(cè)電路通過電壓傳感器獲取負(fù)載上的相關(guān)信息，并在過流、過壓等危害情況發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)將這一信息傳遞給FPGA模塊，且在液晶屏上示出；

（2）FPGA模塊完成負(fù)載諧振頻率的鎖定，并輸出IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

（3）IGBT模塊由4個(gè)IGBT管和相應(yīng)的保護(hù)電路組成，負(fù)責(zé)直-交變換；

（4）鍵盤負(fù)責(zé)提供掃頻啟動(dòng)所需的和頻率。因?yàn)椴捎脪哳l啟動(dòng)方式，可以控制它激頻率在設(shè)定的頻率和頻率之間掃描，以適應(yīng)不同諧振頻率的負(fù)載。

3FPGA控制模塊設(shè)計(jì)及控制策略

3.1FPGA控制器組成

FPGA控制器可分為以下幾個(gè)模塊：

（1）主控制器：該控制器是控制系統(tǒng)的，完成對(duì)逆變狀態(tài)的控制、外圍接口控制、各模塊的協(xié)調(diào)工作以及整個(gè)工作流程操作等。它由硬件狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，采用同步時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)，相當(dāng)于簡(jiǎn)單處理器的功能；

（2）啟動(dòng)模塊：負(fù)責(zé)感應(yīng)加熱電源的正常啟動(dòng)，性能指標(biāo)包括啟動(dòng)時(shí)間（越短越好）、啟動(dòng)過程的穩(wěn)定性和啟動(dòng)過程的成功率等。加熱啟動(dòng)之后，控制它激頻率在設(shè)定的頻和頻之間掃描；當(dāng)它激頻率掃描到接近槽路諧振頻率時(shí)，負(fù)載能量便建立起來(lái)并反饋到自動(dòng)調(diào)頻電路[2]；

（3）鎖相環(huán)模塊：在啟動(dòng)模塊的協(xié)助下，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、快速的啟動(dòng)過程，并保證頻率的正常鎖定，主要性能指標(biāo)包括鎖相范圍、鎖相速度、鎖相穩(wěn)定性等。鎖相環(huán)是系統(tǒng)中的主要工作模塊，直接影響逆變系統(tǒng)是否正常運(yùn)行；

（4）重疊角產(chǎn)生模塊：作為鎖相環(huán)和IGBT驅(qū)動(dòng)電路的中間環(huán)節(jié)，將IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以實(shí)現(xiàn)逆變工作狀態(tài)的實(shí)際要求；

（5）數(shù)據(jù)采集模塊：在系統(tǒng)中，能根據(jù)工作人員的需要采集數(shù)據(jù)，以供試驗(yàn)和調(diào)試等；

（6）讀、寫模塊及SRAM：系統(tǒng)中融合這3個(gè)模塊的目的是能將有用的數(shù)據(jù)及時(shí)地保存起來(lái)或者制作一個(gè)備份，以備外圍調(diào)試、設(shè)定參數(shù)等應(yīng)用。

3.2主控制策略

主控制器的工作流程如圖3所示。主控制器的控制策略是以逆變控制系統(tǒng)的成功啟動(dòng)、正常工作狀態(tài)控制為主的。當(dāng)系統(tǒng)剛上電時(shí)，主控制器給出時(shí)鐘信號(hào)，發(fā)出1s的RESET復(fù)位信號(hào)，對(duì)各模塊進(jìn)行初始化。初始化過程中各模塊并不工作，即沒有使能信號(hào)。初始化完成后，由輸入模塊寫入各工作寄存器配置值，進(jìn)入啟動(dòng)模塊。掃頻過程要同時(shí)使能啟動(dòng)模塊和鎖相環(huán)。系統(tǒng)根據(jù)配置寄存器的值，完成掃頻。如果掃頻成功，則進(jìn)入鎖相環(huán)節(jié)，如果鎖相環(huán)并未成功鎖定頻率，處于失鎖狀態(tài)；如果多次、連續(xù)出現(xiàn)失鎖，則表明負(fù)載頻率不在掃頻范圍之內(nèi)，即發(fā)出“啟動(dòng)失敗”信號(hào)，系統(tǒng)進(jìn)入異常處理，用戶需要重新設(shè)定寄存器。在系統(tǒng)成功鎖定頻率后，因某種原因再次導(dǎo)致失鎖，則開啟啟動(dòng)模塊，重新開始掃頻過程，等待掃頻成功。

4系統(tǒng)仿真

由于篇幅有限，省略了VHDL源代碼。在Maxplus2環(huán)境下，運(yùn)用其自身的仿真工具完成仿真，仿真結(jié)果如圖4（a）和圖4（b）所示。

從圖4（a）可以看出