基于FPGA的小型节能发电机稳压稳频输出系统设计

【摘要】： 小型节能发电机在轻负载或者空载时,通过降低转速来实现节能,而此时的输出电压和频率降低。为了保证发电机输出电压与频率恒定,节能电机通过对输出电压进行AC-DC-AC变换的方法来实现稳压、稳频交流输出。 本文着重研究了基于FPGA的小型节能发电机稳压稳频输出控制系统,其基本工作过程为:小型发电机输出的单相交流电通过整流环节后,进行斩波升压,把直流电压升高到400V,再通过DC-AC逆变环节转化为220V,50HZ的稳定交流电输出。主要针对斩波升压电路、DC-AC逆变电路、基于FPGA的控制器电路、模糊控制策略、SPWM波的产生等进行了原理分析、建模仿真与工程设计。 论文中升压电路采用了BOOST斩波升压电路结构,DC-AC逆变环节采用全桥逆变电路。对BOOST升压电路和全桥逆变电路进行了原理分析,在此基础上结合小型节能发电机稳压稳频输出控制系统实际需要进行了指标参数的设计分析与计算,并基于SIMUlink环境进行了电路系统的建模与仿真分析。 控制器采用大规模可编程逻辑电路FPGA实现,设计中选用了Xilinx公司生产的Spartan-3系列FPGA XC3S400-4PQ208C芯片作为系统的控制器,设计了控制系统的电路原理图与PCB,完成了控制系统的硬件焊接与调试,该控制系统采用通用I/O接口,可以移植到其他应用电路中;采用VHDL语言设计了正弦波、三角波以及SPWM波信号,并基于Modelsim进行了仿真分析。 论文中所设计的基于FPGA的小型节能发电机稳压稳频输出控制系统具有控制精度高、体积小、结构功能明确、可二次开发等特点,具有较强的实用性和工程设计参考价值。 【关键词】：斩波升压 全桥逆变 FPGA
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM31
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-9
• 1 引言9-15
• 1.1 课题背景9-13
• 1.1.1 方波逆变10-11
• 1.1.2 阶梯波合成逆变11
• 1.1.3 正弦脉宽调制逆变11-13
• 1.2 本课题的研究内容和拟解决的关键问题13
• 1.2.1 研究内容13
• 1.2.2 拟解决的关键问题13
• 1.3 论文结构安排13-14
• 1.4 小结14-15
• 2 系统方案设计与分析15-22
• 2.1 系统概述15-16
• 2.1.1 斩波升压15-16
• 2.1.2 DC/AC 逆变16
• 2.2 基于FPGA 的斩波调压及DC/AC 逆变系统16-17
• 2.3 基于FPGA 的小型节能发电机稳压稳频输出系统方案设计17-21
• 2.3.1 整流电路18
• 2.3.2 斩波升压电路18
• 2.3.3 逆变电路18
• 2.3.4 滤波电路18-19
• 2.3.5 检测电路19-20
• （1） 耦合电路19
• （2） A/D 转换19-20
• 2.3.6 控制器FPGA20
• 2.3.7 驱动电路20-21
• 2.4 反馈控制模式21
• 2.5 小结21-22
• 3 斩波升压与逆变电路22-33
• 3.1 斩波升压电路22-29
• 3.1.1 BOOST 升压电路原理分析22-26
• （1） 电流连续导通模式（CCM）BOOST 电路23-24
• （2） 电流不连续导通模式（DCM）BOOST 电路24-26
• 3.1.2 BOOST 电路设计计算26-27
• （1） 升压电感L26-27
• （2） 输出电容C27
• （3） 高频开关27
• 3.1.3 BOOST 电路仿真分析27-29
• 3.1.4 BOOST 硬件电路设计29
• 3.2 逆变电路29-32
• 3.2.1 逆变电路基本结构29-30
• 3.2.2 全桥逆变器设计30-32
• 3.3 小结32-33
• 4 基于FPGA 的控制系统硬件电路设计33-48
• 4.1 FPGA 及其电路设计33-41
• 4.1.1 FPGA 芯片介绍33-36
• （1） 配置逻辑模块（CLB）33
• （2） 输入输出模块（IOB）33-34
• （3） Block RAM 模块34
• （4） 乘法器模块（MUX）34-35
• （5） 数字时钟管理模块（DCM）35
• （6） 全局时钟网络35-36
• 4.1.2 时钟及复位电路36-38
• 4.1.3 电源电路38
• 4.1.4 配置电路38-40
• （1） 配置模式39
• （2） 配置芯片39
• （3） 配置电路设计39-40
• 4.1.5 FPGA 及接口40-41
• 4.2 A/D 采样电路设计41-43
• 4.3 驱动电路设计43-44
• 4.4 过流与欠压保护44
• 4.5 控制系统原理图及PCB 设计44-47
• 4.6 小结47-48
• 5 SPWM 波的产生48-53
• 5.1 设计参数计算49
• 5.2 正弦波49-51
• （1） 正弦波产生原理49-50
• （2） 正弦表数据产生50
• （3） VHDL 设计实现50-51
• 5.3 三角波51-52
• 5.4 SPWM 的产生52
• 5.5 小结52-53
• 6 总结53-54
• 6.1 本文主要工作53
• 6.2 展望53-54
• 参考文献54-56
• 附录56-65
• 附录156-57
• 附录257-61
• 附录361-63
• 附录463-65
• 致谢65

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