CN106130324A - 一种基于fpga的spwm波形控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于FPGA的SPWM波形控制方法，通过正弦波发生模块产生理想的正弦波数字信号与载波发生模块产生的三角载波进行比较，输出SPWM波形，波形闭环控制模块将输出的电压波形与理想的正弦波数字信号比较并修正，使输出的电压波形和给定的理想正弦波波形一致。本发明通过波形闭环控制，实时修正电压波形，避免因为各种负载所引起的波形畸变，优化输出波形，提高电能质量。
Description
技术领域
本发明属于SPWM波形控制技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的SPWM波形控制方法。
技术背景
目前市场上多种变频器或工业产品多数采用SPWM技术来实现变频控制，通过SPWM技术来实现近似正弦波的输出，在当下多种民用产品、军用产品均采取了这种控制技术来实现可调频率的正弦波形输出，并取的了非常好的使用效果。但在某些对波形指标要求非常高的场合，这种基本的SPWM控制技术不能满足负载变化后对输出波形的影响，针对不同的负载，标准的SPWM面临着动态响应慢，波形畸变率高的情况，譬如在变压器负载上的SPWM的应用，变压器的空载特性会导致输出电压波形畸变，波形失真等情况；在电抗器负载上也会因为磁饱和等情况引起输出电压、电流波形畸变，同时诸多其它工艺情况下也会引起电压、电流波形的畸变，导致输出电压波形畸变，达不到预期的理想电能质量效果。
发明内容
本发明针对以上技术问题，提供一种基于FPGA的SPWM波形闭环实现系统，通过波形闭环控制，实时修正电压波形，避免因为各种负载所引起的波形畸变，优化输出波形，提高电能质量。
本发明采用的技术方案如下，一种基于FPGA的SPWM波形控制方法，通过正弦波发生模块产生理想的正弦波数字信号与载波发生模块产生的三角载波进行比较，输出SPWM波形，波形闭环控制模块将输出的电压波形与理想的正弦波数字信号比较并修正，使输出的电压波形和给定的理想正弦波波形一致。
优选地，所述波形闭环控制模块采用重复学习控制方法，通过闭环控制参数，对输出电压波形进行实时修正。
优选地，所述控制参数包括比例系数KR、重复控制系数KS、遗忘因子系数KF。
优选地，所述SPWM波形采用单极性倍频调制方式实现，由用户输入电压幅值指令来确定脉冲序列的宽度进行电压预置，并根据输入的频率指令确定脉冲序列的频率，实现频率的预置。
本发明可以实现SPWM输出波形的闭环控制，在负载特性发生变化的时能自动修正输出电压波形，保证输出电压波形稳定，在波形发生畸变时，能实时动态修正输出波形，达到控制电能质量的目的。
附图说明
图1为SPWM的原理图。
图2为本发明的控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图说明，对本发明进行详细地介绍，应当理解，以下只是介绍本发明的具体实施方式，并不在于限定本发明的保护范围。
SPWM波形生成原理如图1所示，在SPWM电压脉冲序列中，各个脉冲的幅度相等而脉冲宽度不等，宽度变化取决于正弦波电压和三角波电压的交点及交点间距。因此这个脉冲序列占空比按照正弦规律变化，其瞬时电压平均值也就按照正弦规律变化，SPWM就是用这样的矩形脉冲取等效的正弦交流信号，通过生成的SPWM脉冲信号来驱动开关的通断，实现近似正弦波的输出。
本发明对SPWM波形控制是基于FPGA，包括正弦波发生模块、载波发生模块、波形闭环控制模块、SPWM波形生成模块，如图2所示。
FPGA采用ALTER公司Cylone系列的EP2C50F484C8K，内嵌存储器，时钟管理方便且性价比高。提供多达68.416个逻辑单元，允许集成外部单倍速率、双倍速率的器件，数据速率最高可达668Mbps，满足了数据通讯和处理的基本要求；且FPGA工作频率高，通用I/0资源丰富，能满足系统实时性要求，各路信号可并行处理且互不影响，具有非常好的性能。
正弦波发生模块采用直接频率合成DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器)技术，实现SPWM正弦调制信号的输出，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点。
正弦波形数据以相位为地址存放在FPGA的免费的IP核ROM存储器中，在ROM存储器中的数据作为待产生信号的数据查询表，系统总的时钟为ROM存储器提供工作时钟，在输出信号波形时，从ROM数据表依次读出数据，产生数字信号，获取理想的正弦波数字信号。
SPWM采用单极性倍频调制技术，在ROM存储器中，存放有两个极性相反的参考正弦波，存储深度为12，存储有4096个点的波形数据，输出电压的载波频率是开关频率的2倍。
倍频SPWM主要采用一个正弦调制波与两个在相位上互补的载波信号分别进行SPWM调制，输出电压相当于两个SPWM波形的代数和，能很好的消除和抑制谐波。
三角载波发生模块在FPGA中通过总的时钟，依据正弦波数字信号，产生对应的三角载波信号。当正弦波信号为正时，选择正极性三角载波信号，当正弦波信号为负时，选择负极性三角载波信号，就生成了单极性的三角载波信号。
波形闭环控制模块是把输出的电压波形与理想的正弦波数字信号比较并修正，将前后每个正弦波对应的同相位点的误差量误差累加起来，实现误差的放大，达到无静差跟踪的效果。
具体的方法如下：
(1)通过输出电压互感器获得输出电压波形，将采样得到的输出电压波形瞬时值U1和FPGA内部DDS计算的理想正弦波形瞬时值U2进行比较，得到比较结果Δu；
(2)通过比例系数KR，将电压误差放大，KR*Δu；
(3)通过重复控制系数KS，对电压误差信号Δu，进行累加求和；每个正弦波形的瞬时值进行重复学习运算后存入FPGA的RAM2中，每个正弦波的相位和RAM1中理想正弦波形的相位一致。
重复控制主要是以误差表的形式存储一个基波周期长度的误差信息，并且每经历一个基波周期，就把新近记录下的波形误差信息逐点累加到原误差表中，通过对误差进行以周期为步长的累加。只要误差不为零，则误差表内容就不会停止增长，重复控制将对输入信号的逐周期累加，并将累加的结果记入RAM2中存储。
(4)引入KF系数，遗忘因子KF，通常取小于1的常数，主要作用是用来消除异常数据产生的误差，在受到干扰或出现异常数据时，为了不对整体数据的运算和控制，通过KF系数对误差的周期累加计算，从而消除异常数据对整体运算带来的影响。
(5)将KR,KS,KF计算后的结果和DDS中查表得到的正弦波形进行累加计算，同时生成的调制波和三角载波进行比较，得到SPWM波形，对开关的驱动信号进行控制。
SPWM波形生成模块具有比较器，三角载波信号和经过比较处理后生成的调制波信号输入比较器进行比较，比较结果驱动开关的通断。
比较时，当三角载波大于等于调制波信号时，输出高电平；当载波信号小于调制波时，输出低电平。经过比较处理即可生成一路SPWM信号，为SPWM1信号，将生成的SPWM信号取反，可得到另一路SPWM信号，为SPWM2信号。两路信号是无死区延时的互补脉冲信号，两个信号的运算结果即为带死区控制的上、下桥臂驱动信号。
本发明的实施例只是介绍其具体实施方式，不在于限制其保护范围。本行业的技术人员在本实施例的启发下可以作出某些修改，故凡依照本发明专利范围所做的等效变化或修饰，均属于本发明专利权利要求范围内。
Claims (4)
1.一种基于FPGA的SPWM波形控制方法，其特征在于，通过正弦波发生模块产生理想的正弦波数字信号与载波发生模块产生的三角载波进行比较，输出SPWM波形，波形闭环控制模块将输出的电压波形与理想的正弦波数字信号比较并修正，使输出的电压波形和给定的理想正弦波波形一致。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的SPWM波形控制方法，其特征在于，所述波形闭环控制模块采用重复学习控制方法，通过闭环控制参数，对输出电压波形进行实时修正。
3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的SPWM波形控制方法，其特征在于，所述控制参数包括比例系数KR、重复控制系数KS、遗忘因子系数KF。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的SPWM波形控制方法，其特征在于，所述SPWM波形采用单极性倍频调制方式实现，由用户输入电压幅值指令来确定脉冲序列的宽度进行电压预置，并根据输入的频率指令确定脉冲序列的频率，实现频率的预置。
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