[发明专利]基于FPGA的变流器闭环控制器

说明书

本发明提出一种基于FPGA的变流器闭环控制器。本发明利用FPGA高速处理能力、并行执行和灵活编程等特点来实现变流器的闭环控制：FPGA使用内部配置好的给定信号用作闭环控制器的给定，然后通过片外AD芯片进行高频采样换算用作闭环控制器的反馈信号和保护判断，然后实时进行计算更新变流器的调制信号，无论三相负载容量变化都可保证变流器的输出电压或电流的恒定。该基于FPGA的变流器闭环控制器具有集成度高、成本低、控制算法灵活等优点。

技术领域

本发明属于半导体变流器的闭环控制器领域，具体涉及一种基于FPGA的变流器闭环控制器。

背景技术

目前数字化控制器广泛应用于半导体变流器行业，基于DSP的变流器闭环控制器成为主流应用。但基于DSP的变流器闭环控制器是基于中断进行闭环控制的计算，而中断频率最多为变流器开关频率的两倍，即在一个变流器半导体器件开关周期内变流器闭环控制器只执行了两次闭环控制计算；且系统时钟频率较低程序串行执行，使得每次进入中断执行闭环控制器计算耗时较长，最终计算更新的调制波与变流器在采样时刻理想的调制波信号的差距又进一步加大，使得变流器在输出波形品质和动态性能受限。

而利用FPGA的高速处理能力和并行执行的特点，使得闭环控制计算的频率不再受限于开关频率。在一个开关周期内高速重复执行闭环控制器的计算，闭环控制器计算频率越高所得到的调制波越接近于理想的调制波，该计算频率仅受限于AD转换速率、FPGA的片内计算延时和控制环路的复杂程度，同时该计算频率是变流器开关频率的整数倍关系，使得很容易通过计数(分频)得到载波信号，实现二者的同步。最终使得基于FPGA闭环控制器的变流器输出波形品质和动态性能大大改善。

中国专利ZL200810045463.4《基于FPGA的SPWM控制器》公开了一种基于FPGA的SPWM控制器，其通过FPGA内部存储的正弦表值作为控制器的给定信号，与数字三角波产生单元生成的数字三角波相比较，得到A相正极输出，然后延迟180°得到A相负极输出，B相正、负极输出通过延迟A相输出120°得到，而C相正负极输出通过延迟A相240度得到。三相正负极输出信号进入开关器件死区延迟单元处理后作用半导体器件。可见，该方案是一种开环的控制器，且三相不能独立调节。该控制器在应用上也有一定的限制，对三相负载的一致性和稳定性要求严苛。当变流器负载发生变化时，输出电压和电流发生变化，变流器负载的适应性较差。

发明内容

本发明提出一种基于FPGA的变流器闭环控制器，利用FPGA的高速处理能力和并行执行的特点，使得变流器数字闭环控制器的计算频率不再受限于变流器半导体开关器件的开关频率，在一个开关周期内可实现高频次的闭环控制计算，同时相比于基于DSP的变流器闭环控制器缩短了单次闭环计算的耗时。

本发明的解决方案如下：

该基于FPGA的变流器闭环控制器，包括：

片内给定信号存储单元，用于提供预设的给定信号；

片外AD采样处理单元，用于采样功率拓扑中的模拟量反馈信号，并进行换算和保护，得到相应的数字量反馈信号；

闭环控制计算单元，用于根据所述给定信号和数字量反馈信号计算更新调制波信号；

片内载波信号生成单元，用于提供预设的载波信号；

PWM波生成单元，用于将所述调制波信号与载波信号比较得到变流器所需的PWM波信号，进而得到互补的PWM波信号；

死区时间模块，用于配置死区时间，最终得出带有死区时间、互补的PWM波信号，即变流器中半导体开关器件的开关信号。

基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化限定：

所述变流器为三相交流变流器、单相交流变流器或直流斩波变流器，所述给定信号和载波信号根据不同的变流器做相应的设定。