摘 要

逆变技术是一种应用广泛的电力电子技术，而研究探讨先进的逆变控制方法是设计高性能逆变器的前提，也是目前电力电子技术的一个研究方向。采用数字化逆变控制方式可以克服一些传统逆变控制中由于使用模拟器件特性而存在的缺点，例如：装置体积大，存在参数漂移而导致稳定性差，调试不便等。如今，随着各种数字化控制芯片的发展，逆变控制技术的数字化已经成为了一种发展趋势。

SPWM技术可以用于逆变控制以配合桥式逆变电路获得精度高、谐波含量少的正弦波输出，本文主要探讨了一个基于FPGA的三相SPWM发生器的数字化实现及其应用，借助Altera公司的EDA工具Quartus II 9.0，采用自顶而下的设计方式对该波形发生器进行了详细的设计。首先，根据波形发生器的设计要求，将其分解为几个功能模块，接着对各个子模块分别进行设计和仿真，然后对波形发生器顶层模块进行设计和仿真，最后将编译好的可执行文件下载到FPGA开发板上型号为EP2C5T144C8N的FPGA芯片中，并用示波器检测波形发生器的输出波形。该波形发生器具有结构简单，输出脉冲稳定准确，现场可编程，方便移植和升级等优点。

作为一个通用的三相SPWM发生器，本文同时探讨了它在逆变控制领域的广泛应用，并举例介绍了它在诸如光伏发电并网逆变器，静止无功发生器等几种逆变控制场合中的应用。

关键词：逆变控制技术；SPWM；FPGA；

Abstract

Inverter technology is a widely used power electronic technology, researching and exploring the advanced inverter control method is the premise of designing a high-performance inverter, and it is currently a research direction of power electronic technology. Using digital inverter control method can overcome some of the disadvantages of the conventional inverter control method, which is due to the characteristics of the used analog devices, such as: bulky equipment, poor stability caused by the presence of parameter drift, debugging inconvenience. Now, with the development of a variety of digital control chip, digital inverter control technology has become a trend.

SPWM can be used to control the bridge inverter circuit and obtains the sine wave output of high accuracy and low harmonic content, this thesis discusses the digital realization and its application of a three-phase FPGA-based SPWM generator. With Altera's EDA tool Quartus II 9.0, I design the waveform generator detailedly in the top-down design approach. First, the waveform generator was divided into several functional modules according to design requirements, then each sub-module was designed and simulated respectively, and then the top-level waveform generator module was designed and simulated, and finally the compiled executable file was downloaded to the FPGA chip EP2C5T144C8N of a FPGA development board and detected the outputs waveform with an oscilloscope waveform generator. The waveform generator has a simple structure, stable and accurate output pulse, field programmable, convenient transplantation and upgrade and some other advantages.

As a general three-phase SPWM generator, this thesis also discussed its widely applications in the inverter control field, and provided the applications in Photovoltaic Grid-Connected Inverter, Static Var Generator control several inverters and other inverter control occasions as examples.

Key Words：Inverter control technology；SPWM；FPGA；

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题背景及研究意义 1

1.2 逆变控制技术发展现状 2

1.3 论文的主要内容 5

第2章 SPWM的数字化实现基本原理 6

2.1 SPWM原理简介 6

2.2 SPWM的数字化实现原理简介 6

2.2.1 SPWM产生方式 6

2.2.2 SPWM控制方式 11

2.3 本章小结 12

第3章 基于FPGA的三相SPWM发生器设计 13

3.1 FPGA开发简介 13

3.1.1 FPGA技术简介及器件选择 13

3.1.2 基于Quartus II的开发流程 14

3.1.3 Verilog HDL语言介绍 15

3.2 SPWM发生器模块划分与设计 15

3.2.1 分频器模块 17

3.2.2 三角载波发生模块 17

3.2.3 正弦波发生模块 19

3.2.4 比较器模块 21

3.2.5 死区模块 21

3.3 本章小结 22

第4章 系统仿真和实验结果分析 24

4.1 Quartus II仿真环境简介 24

4.2 SPWM发生器输出波形仿真 24

4.2.1 FPGA工程编译 24

4.2.2 仿真结果分析 25

4.3 SPWM发生器实验与结果分析 27

4.3.1 实验平台搭建 27

4.3.2 管脚分配及程序下载 27

4.3.2 实验过程及结果分析 28

4.4 本章小结 30

第5章 基于FPGA的三相SPWM发生器的应用 31

5.1 可再生能源发电并网逆变器控制 31

5.1.1 光伏并网逆变器控制 31

5.1.2 风力发电并网逆变器控制 32

5.2 其他逆变控制场合中的应用 33

5.2.1 基于FPGA的高开关频率逆变器控制 33

5.2.2 静止无功发生器中的应用 34

5.3 本章小结 35

第6章 总结与展望 36

6.1 总结 36

6.2 展望 36

参考文献 38

致 谢 39

附录A 40

附录B 44

第1章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

电力电子技术的发展是以电力电子器件和电力电子理论的发展为前提的，依托现代推陈出新的数字化芯片技术，并伴随着逐渐增长的生产应用需求而一同发展着。上世纪六七十年代兴起的可控硅变流装置由于其自身缺点而正在被现代复合型全控器件（如IGBT、IGCT等）所组成的变换装置所取代^[1]。现在，由于高性能控制芯片发挥的作用越来越大，电力电子技术尤其是变流技术已经“焕然一新”。其中逆变器的控制技术自70年代以来也变化了不少，目前的大部分场合中，为了逆变系统的控制性能能够得到增强，通常用到微控制器，微控制器可以由微处理器、专用集成电路、可编程逻辑器件等组成，将其作为主控制器与逆变控制系统的其他部分相连，使用了微控制器进行数字化控制可以说是在逆变控制技术发展进程中迈出了一大步，其好处也是显而易见的：微处理器通过其输出口发出稳定精确的控制信号，作为驱动信号作用于开关器件，并通过A/D转换得到各种形式的反馈进入其输入口配合相应控制算法形成闭环进一步提高其控制精度。同时某些微控制器由于自带存储器，可以将一些可以将一些控制参数或者过程值存储其中。此外，微控制器还可以实时采集工作数据，通过一定的通信协议和传输媒介传送至计算机保存或者处理、显示等做出实时的响应，这便是实时监控。综上所述，控制系统的性能由于微控制器的应用而得到了十足的提升，然而受限于微控制器处理数据的速度限制，它的发展依旧需要人们在这个领域的大力开垦和不懈钻研。

传统的逆变控制系统要么采用模拟控制的形式，要么选择模拟、数字两者进行结合的形式，二者目前已经研究得比较深入、成熟了，但由于使用了模拟器件作为控制系统的核心器件，很多伴随着模拟器件特性而与生俱来的缺点一直无法克服：例如模拟控制系统的电路结构一般比较复杂，所以往往体积比较大；又比如一旦设计完成之后硬件电路固定不变了，伴随的后果就是它的控制策略也无法变化了，很不灵活；另外模拟器件存在的工作点漂移而导致系统参数漂移这个问题也很难解决^[2]。而且整个系统调试起来非常的不方便，另由于各模拟逆变控制系统很难严格保持同步，故逆变器的并联实现困难。近年来随着各种数字化控制芯片的发展，采用数字化的逆变控制技术成为了当今研究的一个热点课题，也是现代逆变控制技术的发展趋势，这是因为采用了数字化控制技术可以极大克服前述的几个由于采用模拟器件导致的难题，比如由于集成芯片的使用，体积可以极大地缩小；另外自然也不会有参数漂移，性能稳定；灵活度也大大提高，也方便调试。