一种基于FPGA的SPWM变频调速系统论文和设计-王北一

全文摘要

一种基于FPGA的SPWM变频调速系统属于变频调控技术领域；现有技术安全性低；包括逆变器主电路与待调用电设备连接，逆变器主电路通过限流启动电路与ARM控制电路连接，逆变器主电路通过电压检测电路分别与过压欠压检测电路和ARM控制电路连接，过压欠压检测电流与ARM控制电路连接，逆变器主电路通过过温保护电路与ARM控制电路连接，ARM控制电路通过SPWM波形发生模块与驱动电路连接，逆变器主电路与待调用电设备之间通过电流检测电路分别与过流保护电路和ARM控制电路连接，过流保护电路与ARM控制电路连接，ARM控制电路与逆变器主电路进行泵升限制控制连接；有效的提高了系统的安全性和可靠性。

主设计要求

1.一种基于FPGA的SPWM变频调速系统，其特征在于，包括逆变器主电路、ARM控制电路、SPWM波形发生模块和驱动电路，所述逆变器主电路一端与380V外接电源连接，所述逆变器主电路另一端与待调用电设备连接，所述逆变器主电路通过一组限流起动电路与ARM控制电路的I\/O接口连接，所述逆变器主电路通过一组电压检测电路分别与过压欠压检测电路和ARM控制电路的A\/D转换接口连接，所述过压欠压检测电路与ARM控制电路连接，所述逆变器主电路通过一组过温保护电路与ARM控制电路连接，所述ARM控制电路的输出端口通过SPWM波形发生模块与驱动电路连接，所述逆变器主电路与待调用电设备之间通过电流检测电路分别与过流保护电路和ARM控制电路的A\/D接口连接，所述过流保护电路与ARM控制电路连接，所述ARM控制电路的A\/D接口通过一组电阻分别连接地线，所述ARM控制电路与逆变器主电路进行泵升限制控制连接；所述泵升回路电路包括芯片EXB841、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、三极管V87-1、光耦合器6N137、电容C10、电容C11、二极管D13和三极管T1；所述芯片EXB841的引脚15串联R7连接电源+5V，芯片EXB841的引脚14连接三极管V87-1的集电极，三极管V87-1的发射极分别连接电阻R64和光耦合器6N137，光耦合器6N137连接分别连接电源+5V、芯片EXB841的引脚5和电阻R8，电阻R8分别连接电容C11、芯片EXB841引脚2和电源+20V，电容C11分别连接芯片EXB841的引脚3、电阻R9、芯片EXB841的引脚9、电容C10和GND2，电容C10分别连接芯片EXB841引脚1和三极管T1的发射极，三极管T1的基极连接电阻R9，三极管T1的集电极串联二极管D13后连接芯片EXB841的引脚6；还包括LCD显示模块和键盘模块，所述LCD显示模块的输入端与ARM控制电路的I\/O输出接口连接，所述键盘模块的输出端与ARM控制电路的I\/O输入接口连接。

设计方案

所述泵升回路电路包括芯片EXB841、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、三极管V87-1、光耦合器6N137、电容C10、电容C11、二极管D13和三极管T1；所述芯片EXB841的引脚15串联R7连接电源+5V，芯片EXB841的引脚14连接三极管V87-1的集电极，三极管V87-1的发射极分别连接电阻R64和光耦合器6N137，光耦合器6N137连接分别连接电源+5V、芯片EXB841的引脚5和电阻R8，电阻R8分别连接电容C11、芯片EXB841引脚2和电源+20V，电容C11分别连接芯片EXB841的引脚3、电阻R9、芯片EXB841的引脚9、电容C10和GND2，电容C10分别连接芯片EXB841引脚1和三极管T1的发射极，三极管T1的基极连接电阻R9，三极管T1的集电极串联二极管D13后连接芯片EXB841的引脚6；

还包括LCD显示模块和键盘模块，所述LCD显示模块的输入端与ARM控制电路的I\/O输出接口连接，所述键盘模块的输出端与ARM控制电路的I\/O输入接口连接。

2.根据权利要求1所述一种基于FPGA的SPWM变频调速系统，其特征在于，所述逆变器主电路包括EMI滤波电路、输入整流电路、输入滤波电路和逆变电路；所述EMI滤波电路的输入端与380V外接电源连接，EMI滤波电路的输出端与输入整流电路的输入端连接，输入整流电路的输出端与输入滤波电路的输入端通过电阻R01连接，电阻R01与驱动晶闸管T07并联，输入滤波电路的输出端通过电阻R02、电阻R03、电阻R43、电阻R44、电阻R04与电源指示灯HL连接，电阻R02串联电阻R03，电阻R43串联电阻R44，电阻R04串联电源指示灯HL，电阻R04与电源指示灯HL通过逆变电路与待调用电设备连接。

3.根据权利要求1所述一种基于FPGA的SPWM变频调速系统，其特征在于，所述驱动电路包括若干组IGBT驱动电路，每组IGBT驱动电路结构相同，每组IGBT驱动电路依次连接，每组IGBT电路均包括型号为EXB841的驱动芯片。

4.根据权利要求3所述一种基于FPGA的SPWM变频调速系统，其特征在于，还包括驱动电路辅助电源，所述驱动电路辅助电源包括若干组IGBT驱动电路辅助电源，所述若干组IGBT驱动电路辅助电源包括第一IGBT驱动电路辅助电源、第二IGBT驱动电路辅助电源、第三IGBT驱动电路辅助电源、第四IGBT驱动电路辅助电源、第五IGBT驱动电路辅助电源、第六IGBT驱动电路辅助电源和第七IGBT驱动电路辅助电源；所述每组IGBT驱动电路辅助电源的一端均连接220V电源，所述第一IGBT驱动电路辅助电源、第二IGBT驱动电路辅助电源、第三IGBT驱动电路辅助电源和第四IGBT驱动电路辅助电源的另一端均连接+20V电源和地线，所述第五IGBT驱动电路辅助电源的另一端连接+15V电源、-15V电源和地线；所述第六IGBT驱动电路辅助电源和第七IGBT驱动电路辅助电源的另一端均连接+5V电源和地线。

5.根据权利要求1所述一种基于FPGA的SPWM变频调速系统，其特征在于，所述SPWM波形发生模块包括FPGA芯片，所述FPGA芯片包括数据锁存、三角载波发生器、正弦波寻址、正弦波数据ROM、比较和生成SPWM波形、死区控制、正反转控制和触发封锁，为Cyclone系列FPGA芯片。

6.根据权利要求1所述一种基于FPGA的SPWM变频调速系统，其特征在于，所述ARM控制电路包括ARM芯片，型号为LPC2134。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及变频调控技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的SPWM变频调速系统。

背景技术

近10年来，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。它以优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数、调速精度和节能效果，广泛的适用范围及其它许多优点被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

从大范围来分，电动机有直流电动机和交流电动机。由于直流电机调速容易实现，性能好，因此，虽然它具有滑环和碳刷要经常拆换，费时费工，成本高，给人们带来不少麻烦的缺点，而过去生产机械的调速多用直流电机。人们希望，让简单可靠廉价的交流电机也像直流电机那样调速，但随之出现的定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速等交流调速方式，其调速性能无法和直流电机相比，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，出现了交流变频调速，才使得交流调速正逐步取代直流调速，而成为电气传动的中心。

目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是系统的安全性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组启动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷杨方面有很大需求。

实用新型内容

本实用新型克服了上述现有技术的不足，提供了一种基于FPGA的SPWM变频调速系统，本装置通过在逆变器主电路、ARM控制电路、SPWM波形发生模块和驱动电路之间设置各种检测电路和保护电路，有效的提高了系统的安全性和可靠性，解决了现有技术安全性低的技术问题

本实用新型的技术方案：

一种基于FPGA的SPWM变频调速系统，包括逆变器主电路、ARM控制电路、SPWM波形发生模块和驱动电路，所述逆变器主电路一端与380V外接电源连接，所述逆变器主电路另一端与待调用电设备连接，所述逆变器主电路通过一组限流起动电路与ARM控制电路的I\/O接口连接，所述逆变器主电路通过一组电压检测电路分别与过压欠压检测电路和ARM控制电路的A\/D转换接口连接，所述过压欠压检测电路与ARM控制电路连接，所述逆变器主电路通过一组过温保护电路与ARM控制电路连接，所述ARM控制电路的输出端口通过SPWM波形发生模块与驱动电路连接，所述逆变器主电路与待调用电设备之间通过电流检测电路分别与过流保护电路和ARM控制电路的A\/D接口连接，所述过流保护电路与ARM控制电路连接，所述ARM控制电路的A\/D接口通过一组电阻分别连接地线，所述ARM控制电路与逆变器主电路进行泵升限制控制连接；

还包括LCD显示模块和键盘模块，所述LCD显示模块的输入端与ARM控制电路的I\/O输出接口连接，所述键盘模块的输出端与ARM控制电路的I\/O输入接口连接。

进一步地，所述逆变器主电路包括EMI滤波电路、输入整流电路、输入滤波电路和逆变电路；所述EMI滤波电路的输入端与380V外接电源连接，EMI滤波电路的输出端与输入整流电路的输入端连接，输入整流电路的输出端与输入滤波电路的输入端通过电阻R01连接，电阻R01与驱动晶闸管T07并联，输入滤波电路的输出端通过电阻R02、电阻R03、电阻R43、电阻R44、电阻R04与电源指示灯HL连接，电阻R02串联电阻R03，电阻R43串联电阻R44，电阻R04串联电源指示灯HL，电阻R04与电源指示灯HL通过逆变电路与待调用电设备连接。

进一步地，所述驱动电路包括若干组IGBT驱动电路，每组IGBT驱动电路结构相同，每组IGBT驱动电路依次连接，每组IGBT电路均包括型号为EXB841的驱动芯片。

进一步地，还包括驱动电路辅助电源，所述驱动电路辅助电源包括若干组IGBT驱动电路辅助电源，所述若干组IGBT驱动电路辅助电源包括第一IGBT驱动电路辅助电源、第二IGBT驱动电路辅助电源、第三IGBT驱动电路辅助电源、第四IGBT驱动电路辅助电源、第五IGBT驱动电路辅助电源、第六IGBT驱动电路辅助电源和第七IGBT驱动电路辅助电源；所述每组IGBT驱动电路辅助电源的一端均连接220V电源，所述第一IGBT驱动电路辅助电源、第二IGBT驱动电路辅助电源、第三IGBT驱动电路辅助电源和第四IGBT驱动电路辅助电源的另一端均连接+20V电源和地线，所述第五IGBT驱动电路辅助电源的另一端连接+15V电源、-15V电源和地线；所述第六IGBT驱动电路辅助电源和第七IGBT驱动电路辅助电源的另一端均连接+5V电源和地线。

进一步地，所述SPWM波形发生模块包括FPGA芯片，所述FPGA芯片包括数据锁存、三角载波发生器、正弦波寻址、正弦波数据ROM、比较和生成SPWM波形、死区控制、正反转控制和触发封锁，为Cyclone系列FPGA芯片。

进一步地，所述ARM控制电路包括ARM芯片，型号为LPC2134。

本实用新型相对于现有技术具有以下有益效果：

本实用新型提供了一种基于FPGA的SPWM变频调速系统，本装置通过在逆变器主电路、ARM控制电路、SPWM波形发生模块和驱动电路之间设置各种检测电路和保护电路，有效的提高了系统的安全性和可靠性，解决了现有技术安全性低的技术问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是逆变器主电路图；

图3是驱动电路图；

图4是驱动电路辅助电源电路图；

图5是电压检测电路图；

图6是过压欠压检测电路图；

图7是电流检测电路图；

图8是过流保护电路图；

图9是过温保护电路图；

图10是ARM控制电路图；

图11是泵升回路电路图；

图12是限流启动电路图；

图13是FPGA芯片引脚图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型进行详细说明。

具体实施方式一

一种基于FPGA的SPWM变频调速系统，如图1所示，包括逆变器主电路、ARM控制电路、SPWM波形发生模块和驱动电路，所述逆变器主电路一端与380V外接电源连接，所述逆变器主电路另一端与待调用电设备电机M连接，所述逆变器主电路通过一组限流起动电路与ARM控制电路的I\/O接口连接，所述逆变器主电路通过一组电压检测电路分别与过压欠压检测电路和ARM控制电路的A\/D转换接口连接，所述过压欠压检测电路与ARM控制电路连接，所述逆变器主电路通过一组过温保护电路与ARM控制电路连接，所述ARM控制电路的输出端口通过SPWM波形发生模块与驱动电路连接，所述逆变器主电路与待调用电设备之间通过电流检测电路分别与过流保护电路和ARM控制电路的A\/D接口连接，所述过流保护电路与ARM控制电路连接，所述ARM控制电路的A\/D接口通过一组电阻分别连接地线，所述ARM控制电路与逆变器主电路进行泵升限制控制连接；

还包括LCD显示模块和键盘模块，所述LCD显示模块的输入端与ARM控制电路的I\/O输出接口连接，所述键盘模块的输出端与ARM控制电路的I\/O输入接口连接。

具体地，如图2所示，所述逆变器主电路包括EMI滤波电路、输入整流电路、输入滤波电路和逆变电路；所述EMI滤波电路的输入端与380V外接电源连接，EMI滤波电路的输出端与输入整流电路的输入端连接，输入整流电路的输出端与输入滤波电路的输入端通过电阻R01连接，电阻R01与驱动晶闸管T07并联，输入滤波电路的输出端通过电阻R02、电阻R03、电阻R43、电阻R44、电阻R04与电源指示灯HL连接，电阻R02串联电阻R03，电阻R43串联电阻R44，电阻R04串联电源指示灯HL，电阻R04与电源指示灯HL通过逆变电路与待调用电设备电机M连接。

逆变器主电路采用典型的交-直-交电压源型通用变频器结构，输入功率级采用桥式不可控整流电路，整流输出经中间环节大电容，由C010到C011电容组成滤波，获得平滑的直流电压。逆变部分通过功率器件IGBT的导通和关断，输出交变的脉冲电压序列；由于功率器件开关频率过高，会产生电压尖脉冲，因此需要吸收电路来消除该尖峰；R06到R011和C012到C017组成RC型吸收电路。

二极管整流虽然是全波整流电路，但由于整流桥输出接滤波电容，只有当交流电压超过电容电压时，整流电路才进行充电，往往在交流电压的峰值处才进行充电。交流电压小于电容电压时，电流为零，将导致在电网上产生谐波。为了抑制谐波，在电网和变频器间加入EMI滤波电路。

由于电容量较大，合闸突加电压时，电容相当于短路，将产生很大的充电电流，损坏整流二极管。为了限制充电电流，采用软启动限流电阻R01和晶闸管T07组成的预充电电路对电容预充电。电源合闸，先通过R01对此电容充电，电容电压升高到一定值后，通过T07将R01短路，避免正常运行时的附加损耗。

C01～C09，L01～L03为电网EMI滤波电路。其中L01～L03为共模扼流圈，可以消除共模干扰，其电感量一般取几毫亨至几十微亨，视电磁干扰滤波器的额定电流而定。C01～C09为滤波电容器，C01～C06采用薄膜电容器，容量范围大致是0.01μF～0.47μF，主要用来滤除串模干扰。C07～C09宜选用陶瓷电容器，容量范围是2200～4700pF，能有效地抑制共模干扰。二极管D01～D06构成了输入整流电路。

电容C010，C011共同组成了输入滤波电路，C010，C011选择450V\/4700μF的铝电解电容。并联在电容两端的为均衡电阻，由于各电容参数不完全相同，此均衡电阻使串联的电容分压相同，同时在电源关断时，给电容提供一个放电回路，此电阻阻值选用47kΩ。

电源指示灯HL用来显示滤波电容两端的电量；Vh是经整流滤波后直流母线上的采样电压检测值；电源指示灯除了表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即在主电路切断电源后，显示滤波电容上的电荷是否已经释放完毕，起提示保护作用。由于滤波电容的容量较大，电压较高，如电荷不放完，将对人身安全构成威胁，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，如果滤波电容没有快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟，所以有必要设置电源指示灯，在维修变频器时，要等指示灯完全熄灭后，方可工作。

T01～T06为主功率管IGBT，即逆变器电路。图2中二极管D07-D16续流电路，续流电路的作用如下：

(1)电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量，续流二极管为无功电流返回直流电源提供“通道”。

(2)当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过续流二极管返回直流回路。

(3)IGBT进行逆变的基本工作过程:同一桥臂的两个逆变管，处于不停的交替导通和截止的状态。在这交替导通和截止的换相过程中，需要续流二极管提供通路。

吸收电路包括吸收电容C012-C017和吸收电阻R06-R011。吸收电路采用的是充放电型RC吸收电路。由于逆变器主电路直流侧电压高于150V，会出现误关断现象，充放电型RC吸收电路能消除这一现象，且能很好的控制电压尖峰。逆变器主回路直流侧为665V时，电压尖峰可控制在10V以内。

制动电阻R_{05<\/sub>和与之串连的IGBT构成了泵升电压限制电路，用来限制制动时电容上产生的过高电压。当电动机及负载的飞轮力矩数据不容易获得时，可采用估计算法。考虑到再生电流经三相全波整流后的平均值约等于其峰值，而所需制动转矩中扣除电动机自身制动转矩以及直流电压的裕量，近似认为放电电流约为电动机额定电流的一半，便可以得到与电动机额定转矩相等的制动转矩。}

具体地，如图3所示，所述驱动电路包括若干组IGBT驱动电路，所述若干组IGBT驱动电路包括T06驱动电路、T01驱动电路、T03驱动电路、T02驱动电路、T04驱动电路和T05驱动电路；所述T06驱动电路包括驱动芯片EXB841、U86-1、电阻R83-2、电阻R86-2、三极管V86-1、电阻R86-1、光耦合器6N137、二极管D86-1、电容C86-1、电阻R86-4、IGBT管T06、电容C86-2和电阻R86-3；EXB841的引脚1分别连接C86-2的一端和T06，C86-2的另一端分别连接EXB841的引脚9、EXB841的引脚3、C86-1的一端和R86-4的一端，R86-4的另一端连接T06，C86-1的另一端分别连接EXB841的引脚2和R86-3的一端，R86-3的另一端连接6N137，EXB841的引脚6通过串联D86-1连接T06，EXB841的引脚15串联R86-1，EXB841的引脚5连接6N137,6N137分别连接R86-2和V86-1，V86-1分别连接EXB841的引脚14和R83-2的一端，R83-2的另一端连接U86-1。每组IGBT驱动电路结构相同，每组IGBT驱动电路依次连接，每组IGBT电路均包括型号为EXB841的驱动芯片。

EXB841是能驱动300A\/1400V IGBT的一种快速型专用驱动模块。整个电路信号延迟时间不超过1μs，最高工作频率可达40K-50KHz。因为IGBT选择1400V，所以选择EXB系列的EXB841驱动芯片，其工作电源为独立电源20V，只需外部提供一个+20V单电源，内部自己产生-5V反偏压，能使IGBT可靠关断。模块采用高速光耦隔离，射极输出，并有短路保护和慢速关断功能。

当脚15、14有4mA电流流过时，驱动脉冲使EXB841内部的高速光电耦合器导通，在EXB841的引脚3处输出高电平，稳定在15V而使IGBT在1μs内导通；而当驱动脉冲消失时，脚15、14无电流通过，内部在引脚1和3之间出现－5V的电压使IGBT关断；如果IGBT导通时因承受短路电流而退出饱和，Vce迅速上升，脚6悬空，脚3电位在短路约3.5μs后才开始软降。这是因为EXB841的6脚电压只有达到7.5V时，慢降栅压功能才动作，当慢降栅压开始时，EXB841的引脚5变为低电平，驱动信号被封锁，实现了保护功能。

EXB841有内部过电流保护和过电压检测输出电路，以防止IGBT以正常驱动速度切断过电流时产生过高的集电压电压尖脉冲损坏IGRT；但无过流自琐功能，所以外加过流保护电路，一旦产生过流，可通过外接光耦将过流保护信号输出，经过一定延时，以防止误动作和保证进行软关断，然后由触发器锁定，实现保护。

图3中C81-1～C86-2的值均为47μF，功能是抑制由供电电源接线阻抗变化引起的供电电压变化；由于设计采用1400V，100A的IGBT，所以R81-4～R86-4取值为12Ω。

具体地，如图4所示，还包括驱动电路辅助电源，所述驱动电路辅助电源包括若干组IGBT驱动电路辅助电源，所述若干组IGBT驱动电路辅助电源包括第一IGBT驱动电路辅助电源、第二IGBT驱动电路辅助电源、第三IGBT驱动电路辅助电源、第四IGBT驱动电路辅助电源、第五IGBT驱动电路辅助电源、第六IGBT驱动电路辅助电源和第七IGBT驱动电路辅助电源。

所述第一IGBT驱动电路辅助电源包括变压器T60-1、整流桥D60-1、电容C60-1、电容C60-2、电容C60-3、电源芯片U60-1、电阻R60-1、电阻R60-2、电容C60-4、电容C60-5、二极管60-5和二极管D60-3；T60-1一端连接220V电源，另一端连接D60-1的两个端点1和3，D60-1的端点2分别连接电容C60-1的一端、电容C60-2的一端、电容C60-3的一端、二极管D60-3的一端和电源芯片U60-1的引脚1，电源芯片U60-1的引脚3分别连接D60-3的另一端、电容R60-2的一端、电容C60-4的一端、电容C60-5的一端和二极管D60-5的一端；二极管D60-5的另一端分别连接电容C60-5的另一端、电容C60-4的另一端、电阻R60-1的一端、电容C60-3的另一端、电容C60-2的另一端、电容C60-1的另一端和D60-1的端点4，电阻R60-1的另一端分别连接U60-1的引脚2和电阻R60-2的另一端；二极管的型号均为1N4001，电源芯片的型号均为LM317；所述第一IGBT驱动电路辅助电源、第二IGBT驱动电路辅助电源、第三IGBT驱动电路辅助电源和第四IGBT驱动电路辅助电源的结构相同。

所述第五IGBT驱动电路辅助电源包括变压器T64-1、整流桥D64-1、电容C64-1、C64-2、C64-3、C64-4、C64-5、C64-6、C64-7、C64-8、电源芯片U64-1、电源芯片U64-2和二极管D64-7；变压器T64-1连接D64-1的端点1和端点3，整流桥D64-1的端点2分别连接电容C64-1的一端、C64-2的一端和U64-1的引脚1，电源芯片U64-1的引脚3分别连接电容C64-3的一端、C64-4的一端和二极管D64-7；二极管D64-7的另一端分别连接C64-4的另一端、C64-3的另一端、U64-1的引脚2、C64-2的另一端、C64-1的另一端、C64-5的一端、C64-6的一端、U64-2的引脚2、C64-7的一端和C64-8的一端；C64-8的另一端分别连接C64-7的另一端和U64-2的引脚1，C64-6的另一端分别连接U64-2的引脚3、C64-5的另一端和D64-1的端点4。所述电源芯片型号均为LM7815，二极管型号为1N4001。

所述第六IGBT驱动电路辅助电源包括变压器T65-1、整流桥D65-1、电容C65-1、电容C65-2、电源芯片U65-1、二极管D65-5、电容C65-7、电容C65-8和二极管D65-8；变压器T65-1分别连接整流桥D65-1的端点1和端点3，D65-1的端点2分别连接电容C65-1的一端、电容C65-2的一端、二极管D65-5的一端和U65-1的引脚1；二极管D65-5的另一端分别连接U65-1的引脚3、电容C65-7的一端、电容C65-8的一端和二极管D65-8的一端，D65-8的另一端分别连接电容C65-8的另一端、C65-7的另一端、U65-1的引脚2、C65-2的另一端、电容C65-1的另一端和D65-1的端点4；电源芯片的型号均为7805，二极管的型号均为1N4001；所述第六IGBT驱动电路辅助电源与第七IGBT驱动电路辅助电源结构相同。

所述每组IGBT驱动电路辅助电源的一端均连接220V电源，所述第一IGBT驱动电路辅助电源、第二IGBT驱动电路辅助电源、第三IGBT驱动电路辅助电源和第四IGBT驱动电路辅助电源的另一端均连接+20V电源和地线，所述第五IGBT驱动电路辅助电源的另一端连接+15V电源、-15V电源和地线；所述第六IGBT驱动电路辅助电源和第七IGBT驱动电路辅助电源的另一端均连接+5V电源和地线。

具体地，所述SPWM波形发生模块用于根据ARM控制电路输送的数据，输出正确的三相SPWM波形，为变频调速实现打下基础；所述SPWM波形发生模块包括FPGA芯片，为Cyclone系列FPGA芯片，使用的EDA软件是ALTERA公司的Quartus II。

ALTER公司的Cyclone器件是一款低成本的FPGA，适用于工业、自动控制、计算机和通信市场高性能，低成本应用的特性，支持各种单端点I\/O标准，并且在最多129个通道上提供了单一的LVDS支持，每个能支持311Mbps的高速数据操作。Cyclone器件提供专用电路来操作DDR SDRAM和FCRAM接口，每片芯片具有最多6个从两个锁相环引出的电路，采用了分级时钟结构，为复杂设计提供了广泛的时钟管理电路。选用了该系列的EP1C20作为实现SPWM波形发生器，变频触发核的芯片。它拥有的可用逻辑单元为20060个，总RAM位数可达294912bit，它的BGA封装的可用I\/0引脚数为233个，用以满足本发明的需要。

所述FPGA芯片包括数据锁存、三角载波发生器、正弦波寻址、正弦波数据ROM、比较和生成SPWM波形、死区控制、正反转控制和触发封锁，三角载波信号和三相正弦波的产生都采用了DDS技术，三角波和正弦波通过比较，产生三相六路的脉冲序列，对输出的六路脉冲进行死区和封锁处理。

SPWM波形发生器生成了带死区的六路驱动信号，AH、AL；BH、BL；CH、CL。ABC三相间互差120°。

如图13所示，为FPGA芯片引脚图；

输入引脚：fword为8位的数据总线；KZ为4位片选引脚；DIR为正反转控制；clk为系统时钟；rst为复位端；clktb为同步时钟；clksan为三角载波时钟。lock为脉冲封锁断。

输出引脚：AH、AL；BH、BL；CH、CL是三相六路脉冲输出端口。

具体地，如图5所示，为电压检测电路具体电路图，包括电阻R100、电阻R101、运算放大器U8A、运算放大器U9A、电阻R105、电阻R102、电阻R109、电阻R103；运算放大器U8A、运算放大器U9A的型号为LM358，所述电阻R100分别连接电阻R105的一端和运算放大器U8A的负极输入端，电阻R105的另一端分别连接电阻R102的一端和运算放大器U8A的输出端，电阻R102的另一端分别连接电阻R109的一端和运算放大器U9A的负极输入端，电阻R109的另一端分别连接ARM控制电路和运算放大器U9A的输出端，运算放大器U8A的正极输入端通过电阻R101连接地线，运算放大器U9A的正极输入端通过电阻R103连接地线。

电压检测电路PT的信号取自主回路滤波电容两端，经电阻分压后获得的电压Vh经运放U8A、U9A进行调理，调理后的信号，一部分送入ARM控制电路的P025经A\/D转换后，进行Ud校正、泵升限制和限流起动；一部分VHOT作为比较电压完成过欠压保护。

具体地，如图6所示，为过压欠压检测电路具体电路图，包括电解电解电容C75、电阻R63、光耦合器6N137、可调电阻R106、可调电阻R107、可调电阻R108、电阻R71、电阻R72、电阻R73、电阻R74、放大器U25A、放大器U25B；放大器U25A、放大器U25B型号为LM393，所述电解电容C75串联电阻R63连接光耦合器6N137，光耦合器6N137串联可调电阻R106，可调电阻R106分别连接可调电阻R107、可调电阻R108和地线，可调电阻R107分别连接电源+12和可调电阻R108，可调电阻R108的可调端串联电阻R73，电阻R73连接放大器U25B的正极输入端，可调电阻R106的可调端串联电阻R71，电阻R71连接放大器U25A的正极输入端，可调电阻R107的可调端分别连接电阻R72和电阻R74，电阻R71连接放大器U25A的负极输入端，电阻R74连接放大器U25B的负极输入端，放大器U25A和放大器U25B的输出端连接ARM控制电路。

在生产现场中，网压经常发生波动。输入电压过高或过低均会对逆变器主电路的可靠工作带来影响。输入电压过低，由于电流负反馈作用，会使流过IGBT的电流增大，易造成IGBT过电流损坏；输入电压过高，会使加在IGBT电压升高，易造成IGBT的过压击穿。针对这个问题，设计如图6所示的过欠压保护电路。VHOT通过光耦隔离再经过相与后送入ARM控制主电路中。光电耦合器是用来抑制输入信号的共模干扰。

在过欠压保护中，当采样电压高过压保护电压或低于欠压保护电压则两个运放输出低电平，相与后送入ARM控制主电路的中断口，当LPC2134中断管脚接收到低电平，立即封锁PWM输出及停止运行。设置电网电压士20％为允许电压变化范围。过压保护电压和欠压保护电压分别为运放U25A和U25B的正向输入端电压。

具体地，如图7所示，为电流检测电路的具体电路图；包括CT端口、电阻R53、电阻R54、电阻R55、电阻R56、放大器U7A、电阻R57、电阻R58、电阻R59和放大器U7B；所述CT端口的引脚1分别连接R53的一端和R54的一端，R54的另一端分别连接地线和CT端口的引脚2，R53的另一端分别连接R56的一端和U7A的负极输入端，R56的另一端分别连接U7A的输出端和R57的一端，R57的另一端分别连接R59的一端和U7B的负极输入端，R59的另一端分别连接U7B的输出端和ARM芯片的引脚P021，U7A的正极输入端通过串联R55连接地线，U7B的正极输入端通过串联R58连接地线。

为了完成I*R补偿、电流限制和过流保护的功能，需要检测定子电流，电流检测装置CT设置在定子两相回路里，采用电流霍尔元件检测电流，检测信号经运放U7A、U7B调理后，一部分送入ARM的P021经A\/D转换后，实现I*R补偿、电流限制；一部分作为比较信号完成过流保护功能。

具体地，如图8所示，为过流保护电路的具体电路图；包括电阻R84、稳压二极管Q17、可调电阻R86、电阻R88、电容C34、电阻R90、电阻R92、电容C47、电阻R94、放大器U10B、电阻R96和二极管D46；电阻R84分别连接Q17的端点1、Q17的端点8、R86的侧端、R86的可调端和C34的一端，R86的另一侧端连接R88的一端，R88的另一分别连接C34的另一端、R90的一端和R92，R90的另一端连接U10B的正极输入端，U10B的负极输入端分别连接R94的一端和C47，R94的另一端连接ARM芯片的引脚P021，U10B的输出端分别连接ARM芯片的引脚P030和D46的一端，D46的另一端连接R96，所述Q17、R92、C47和U10B的侧端连接地线。二极管的型号为1N4148，放大器的型号为LM324。

IGBT虽然可以承受短时间的过流，但一旦超出安全区，则将被永久性的损坏，所以要设置快速的过流保护电路，二极管Q17型号是TL431，是一个有良好热稳定性能的三端可调基准源，给出过流信号的基准值，当发生过流故障时，输出低电平送入微处理器的中断口即ARM芯片的引脚P030，响应中断服务程序，封锁SPWM的信号输出。

具体地，如图9所示，为过温保护电路的具体电路图；包括电阻R110、R111、R112、R20、R21、电容C76、C58、电阻R97和放大器28A；放大器28A的型号为LM339；28A的引脚4分别连接R20和R21，R20分别连接+5C电源和R111，R111串联R112，R112分别连接R110、电容C76和28A的引脚5，R21分别连接C76、R110和地线，28A的引脚3分别连接+5V电源和C58，C58连接地线，28A的引脚12连接地线，28A的引脚2通过R97连接+5V电源。

由于逆变器的功率较大，发出的热量较多，且受工作环境的影响，可能会发生过热而出现故障，因而有必要采取过热保护措施。IGBT是过热保护的重点，把热敏电阻置于IGBT散热片上。当IGBT的温度在允许值范围内时，电路输出高电平，系统正常运行。当IGBT散热片温度超过允许值时，由于热敏电阻随温度的变化而变化，此时比较器的同向端输入电压变小，电路输出低电平，送入ARM控制电路的中断口，封锁PWM输出及停止运行。

具体地，如图10所示，为ARM控制电路的具体电路图，所述ARM控制电路包括ARM芯片，型号为LPC2134，ARM控制电路具有完成U\/f函数发生器的功能；接受键盘的控制信号；显示调速系统的各种参数；处理电压和电流检测信号，完成过流、过压、欠压，过热等保护功能；控制FPGA；完成分段调制。

图10中包括嵌入式微控制器LPC2134，时钟电路，复位电路，独立键盘，液晶显示，FPGA生成SPWM模块以及电压、电流检测和保护电路。完成对FPGA的控制，给出相应的控制字；接受各种输入和中断信号并进行处理，完成保护、泵升电压限制、限流起动功能，并给出相应的显示。

所述时钟电路是LPC2134使用外部16MHz晶振做为外部时钟源，这样内部PLL即锁相环电路能够调整系统时钟，使系统的运行速度更快。

所述复位电路的复位设计图

一种基于FPGA的SPWM变频调速系统论文和设计

一种基于FPGA的SPWM变频调速系统论文和设计-王北一

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

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