FPGA控制的智能化節(jié)能設(shè)備-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯FPGA控制的智能化節(jié)能設(shè)備-基礎(chǔ)電子摘要：目前，城市公共照明已在我國照明耗電中占有很大比重，所以如何在保證基本照明的前提下使耗電量降低成為一大研究難題。本文針對照明耗能設(shè)備的特點(diǎn)，采用了自動降壓的方式設(shè)計(jì)和研制路燈節(jié)能系統(tǒng)，優(yōu)化了節(jié)電運(yùn)行的節(jié)能問題。本系統(tǒng)利用FPGA芯片作為控制，結(jié)合DDS技術(shù)直接形成SPWM調(diào)制波來驅(qū)動IGBT逆變器，通過改變正弦波的幅度來調(diào)整輸出電壓，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。系統(tǒng)具有頻譜良好，度高，體積小，易調(diào)整，智能化等優(yōu)點(diǎn)。另外，在QuartusⅡ,ModelSim的混合仿真環(huán)境下，使得設(shè)計(jì)完全避免了硬件平臺的限制，增加了硬件實(shí)現(xiàn)的成功率。

1前言

據(jù)了解，我國照明用電約占社會總用電量的12％，而城市公共照明則在我國照明耗電中約占30％，每年達(dá)到439億度左右。以平均電價(jià)0．65元／度計(jì)算，每年開支高達(dá)285億元[1]。調(diào)查顯示：城市道路的人流量和車流量會隨著時(shí)間而逐漸地降低，而12點(diǎn)過后則會顯著降低--與之相隨的是對光照要求和實(shí)際用電需求的降低。而且，一些路燈照明系統(tǒng)在夜晚用電低谷時(shí)段，由于供電電壓的升高，消耗的功率更高。這種模式的路燈照明系統(tǒng)每年無謂的消耗了巨額電量，給原已緊張的能源局勢雪上加霜，造成了巨大的浪費(fèi)。

根據(jù)人體視覺對光線適應(yīng)的理論，人眼對光線的感覺和光線成對數(shù)關(guān)系，即光照降低10%，而人的視覺僅降低1%，因此適當(dāng)降低光照可以節(jié)能而并不影響人的視覺[2]。本文利用FPGA[3]芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)SPWM波生成器驅(qū)動IGBT逆變器的電源，具有自動降壓功能，可以一個(gè)較小值緩慢降低，到夜間12點(diǎn)后以工作電壓工作以降低功耗。它具有頻譜純度高，精度高，全數(shù)字化，可以實(shí)現(xiàn)以數(shù)字為基礎(chǔ)的程控化、智能化，不僅性能指標(biāo)有了質(zhì)的飛躍，功能也更為強(qiáng)勁，操作更加簡便。

2電源控制器的原理

2.1DDS的工作原理及其特點(diǎn)基本DDS的結(jié)構(gòu)框圖[4]如圖1所示。主要由相位累加器、相位調(diào)制器、ROM查找表、D/A以及低通濾波器組成。頻率字和相位字分別控制輸出信號的頻率和相位。DDS的是N位的相位累加器。在時(shí)鐘脈沖控制下，相位累加器不斷對頻率控制字K進(jìn)行累加，將累加器的輸出作為讀波形存儲器ROM的地址，讀出波形數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行調(diào)幅、數(shù)模轉(zhuǎn)換、濾波從而得到光滑的波形信號。在整個(gè)過程中相位累加器進(jìn)行的是線性累加，當(dāng)累加滿時(shí)便產(chǎn)生溢出，一個(gè)周期完成。相位累加器這個(gè)產(chǎn)生溢出的頻率就是DDS的輸出頻率。設(shè)頻率控制字為K，相位累

2.2SPWM基本原理

SPWM調(diào)制的基本思想是使輸出的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，可以有效地抑制輸出電壓中的低次諧波分量，使輸出波形為含有高頻調(diào)制信號的近似正弦的交變電壓。實(shí)現(xiàn)SPWM調(diào)制的方法很多，采樣型SPWM法是其中一種較常用的方法，它分自然采樣法、規(guī)則采樣法，而規(guī)則采樣法中又有對稱規(guī)則采樣法與不對稱規(guī)則采樣法。本系統(tǒng)中,實(shí)際的參考正弦信號是由DDS產(chǎn)生的數(shù)字式正弦信號，因此，在SPWM產(chǎn)生電路中，實(shí)際用作參考信號的是有臺階的正弦信號，如圖2所示。數(shù)字正弦波信號的頻率和幅度分辨率可調(diào)，數(shù)字三角波信號發(fā)生器產(chǎn)生幅值不變的三角波(稱為載波)信號，將它們進(jìn)行比較，由兩者的交點(diǎn)來確定SPWM波形的高低電平。分析表明，不對稱規(guī)則采樣所形成的階梯波比對稱規(guī)則采樣時(shí)更接近于正弦波，這種方法也更適合于數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)，所以本系統(tǒng)采用的是不對稱規(guī)則采樣的方法。

3控制器的組成結(jié)構(gòu)圖3所示的是SPWM控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。它主要由DDS模塊、三角波產(chǎn)生模塊，幅度調(diào)節(jié)模塊、比較器、死區(qū)控制模塊等組成。

3.1內(nèi)部整體介紹

以A相為例，DDS模塊產(chǎn)生的正弦波信號通過調(diào)幅模塊進(jìn)行幅度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)輸出波形幅度符合系統(tǒng)要求。此正弦波信號與三角波計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的三角波信號相比較產(chǎn)生一組脈寬不等的方波信號加至死區(qū)控制模塊。死區(qū)控制模塊將脈寬波分為正負(fù)相對的兩組信號，并且兩組信號間具有死區(qū)時(shí)間，這就是所要求的SPWM波形，將它加到IGBT逆變電路中就可以進(jìn)行相應(yīng)的功率調(diào)整了。通過改變正弦波的幅度而改變SPWM波的脈寬比例，實(shí)現(xiàn)所要求的電壓調(diào)整。

3.2正弦波與三角波的產(chǎn)生

正弦波的生成是由DDS模塊產(chǎn)生，再通過移相器產(chǎn)生三路相位相隔120o的正弦波數(shù)字信號。在本系統(tǒng)的ROM中的查表數(shù)據(jù)是將整個(gè)周期的正弦波分成1024份，計(jì)算各分點(diǎn)的幅值，化整為16進(jìn)制的數(shù)碼，依次存放在從零單元開始的ROM存貯器中，形成數(shù)據(jù)表格。將相位累加器或相位調(diào)制器輸出的相位數(shù)據(jù)作為取樣地址,來尋找正弦ROM表進(jìn)行相位到幅度的變換,輸出不同的幅度編碼[5]。三角波的生成為11位的加減計(jì)數(shù)器，它從000H計(jì)數(shù)到7FFH，然后再從7FFH計(jì)數(shù)到000H，周而復(fù)始，便得到完整的三角波。三角波計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘是外加的載波時(shí)鐘SC_CLK。通過兩組數(shù)據(jù)的相比較產(chǎn)生脈寬不等的方波信號。

3.3幅度調(diào)節(jié)模塊

幅度調(diào)節(jié)模塊是控制正弦波的輸出幅度，從而控制SPWM的脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)自降壓功能。這一功能是通過乘法器來實(shí)現(xiàn)的，具體實(shí)現(xiàn)方法是先乘上一個(gè)攜帶調(diào)制信號的數(shù)，范圍從00H到3FFH，然后再除以3FFH即可。在本系統(tǒng)中，采用的是ALTERA公司已定義好的乘法器宏模塊。它具有高效率和高可靠性，而且是優(yōu)化的模塊，有較快的反應(yīng)時(shí)間，可以滿足系統(tǒng)的高效要求。通過外接的采樣電壓決定Au_d，控制電壓的上升或降低；通過555定時(shí)器的脈沖驅(qū)動AD，實(shí)現(xiàn)定時(shí)調(diào)壓。在本系統(tǒng)中，降壓幅度可精細(xì)到0.2V，所以不會產(chǎn)生突變。在此，電壓的調(diào)高主要用于供電的突然降低情況下的保護(hù)，保證路燈的照明。

3.4死區(qū)控制

為了保護(hù)IGBT，防止上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通而燒毀器件，設(shè)計(jì)了死區(qū)模塊，它可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間，在本文中死區(qū)時(shí)間為200ns。死區(qū)發(fā)生器由死區(qū)計(jì)數(shù)器和一些組合邏輯組成，使同相的上下橋臂驅(qū)動信號錯(cuò)開一個(gè)死區(qū)時(shí)間，以防止功率器件短路。圖4所示的為放大后具有死區(qū)時(shí)間的局部波形。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)選用的是ALTERA公司的Cyclone系列的EP1C3T144C8芯片，操作系統(tǒng)為QuartusII6.0。但由于QuartusII軟件自帶的波形仿真系統(tǒng)無法觀察內(nèi)部信號波形以及正弦波和三角波的模擬顯示，所以采用第三方仿真軟件ModelSim進(jìn)行波形仿真，它可以直觀地看到各個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)處的波形，并且可以實(shí)現(xiàn)模擬信號輸出。完整的SPWM仿真波形如圖5所示。此仿真圖是在載波頻率為5KHz情況下的采樣結(jié)果。將六路SPWM波分別加至三相IGBT逆變器上，經(jīng)電感濾波后即可產(chǎn)生大功率的純正弦波來驅(qū)動路燈系統(tǒng)。

5結(jié)束語

利用FPGA的高速、高集成度、易于編程的特點(diǎn)并結(jié)合DDS的高精度優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)SPWM控制器，使得用戶可以根據(jù)實(shí)際需要高速、高效地控