基于FPGA的高频逆变装置的变频移相控制实现

dragongfly

摘要：为实现电动汽车无线充电系统中逆变部分的有效控制，比较分析了高频逆变器移相控制和调频控制的特性，确定了移相和调频相结合的方案。提出了实现该方案的DSP+FPGA的控制硬件构架，主要描述了控制构架中FPGA根据DSP指令进行实时移相调频的实现原理，以及FPGA中的硬件语言设计，提出了该原理容易出现的窄脉冲的避免办法。最终在11kW无线充电高效高密度地端功率装置中进行验证，实现了频率和相位更新时PWM波的无缝切换以及逆变器在系统中的有效控制，装置通过调节移相角可以稳定工作在不同功率范围，工作效率均超过国标要求的92.5%，证明了该控制方法的正确性，且满足了实际工程的需求。

电动汽车无线充电是非接触式感应电能传输系统在大功率供电领域的一项应用，完整的无线充电网络，主要分为地面设备、本地监控设备、车载设备和车联网平台四大部分。本文的研究对象为该网络中的高频逆变电路（工作频率为82kHz），分析了高频逆变器的工作特性，最终确定了移相和调频结合的控制方案并针对此方案选择合适的控制系统。文献[8]介绍了基于FPGA的PWM控制器，通过计算脉宽数据并判断电流过零点并计算脉冲频率来实现对半控整流器电路的控制，但该文献中算法处理放在FPGA中完成，而FPGA并不适用于数学运算且算法处理极其占用资源，如果强行使用FPGA处理所有算法会使得选择的FPGA芯片价格成本过高，所以该方案不适合工程应用。文献[9]中介绍了基于DSP的全桥移相脉冲生成，采用DSP的事件管理器生成PWM波，同时基于移相策略完成功率闭环控制，但该文献中逆变电路的工作频率为20kHz，而本文中高频逆变电路工作频率需要达到82kHz，工况有所不同。文献[10]中通过在FPGA中完成PID算法和PWM生成控制逆变电源，但对于FPGA的具体实现未给出详细介绍。针对本文采用的移相和调频相结合的控制方式，提出了一种DSP与FPGA相结合的控制系统，其中DSP完成算法计算生成脉冲频率和相位角，并通过数据总线传递给FPGA；FPGA通过总线接收DSP发送的频率、相位值，完成具体的变频、移相、PWM波生成等工作。本文侧重于说明FPGA的工作内容。
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4 e9 k9 F# W) `, X8 l& L  \1、系统结构和原理
- t$ T, C3 c# r: l+ W2 |2 [: u( d非接触感应电能传输系统的原理框图如图1所示，地端变流装置连接电网的三相交流电，对交流电整流滤波变换为直流电，再通过高频逆变器将直流电逆变成高频交变电流[2]。地面谐振单元与车载谐振单元通过可分离变压器磁谐振进行能量传递。车载变流装置将变压器副边输出的高频电流由高频二极管不可控整流转化为直流电，给车载动力电池充电，地端控制器和车端控制器之间通过WiFi模块进行通信。
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: ]: f/ J' U- l0 \# Q1 K! p; o对于地端逆变部分，需要对系统引入控制策略，实现系统的闭环稳定工作，从而达到对原边逆变器等效输出电压的调节，因此谐振网络输入阻抗呈现感性即可实现软开关。采集副边电池的充电电流，通过wifi无线通信发送给原边，在原边通过PI控制改变高频逆变电路PWM波的频率或者改变PWM移相角，达到改变输出功率的目的。
本文的研究对象是高频逆变电路，电路图如图2所示，全桥逆变电路若采用移相控制方式，T1和T2（T3和T4）轮流导通，各导通180度。T1和T3相差α移相角，输出电压的有效值仅与移相角相关，负载性质不会使得输出电压波形发生畸变[3]。若采用变频控制是改变驱动信号PWM的频率，即改变系统的工作频率来达到改变系统的输出功率的目的[4,6]。本文采用了移相和调频结合的方案，上电阶段调频至合适的谐振频率，同时把T1和T3移相角从0增大到π，使得功率缓慢增加，减小电流过冲，等系统稳定运行后，根据工况微调频率和相位实现输出功率的调节。
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2、控制系统设计
移相和调频相结合的输出控制方式具有高精度、宽范围和适应性强的特点，在选择控制芯片时考虑到系统工作频率、控制精度高，常用的以DSP作为控制芯片的做法遇到了一些困难，由于DSP的专用PWM口数量有限，开关频率比较高时中断周期时间不够用，且DSP不擅长做时序控制而数字信号及算法处理能力强；反之FPGA数字信号及算法处理能力弱，但具有并行执行、灵活性强、硬件可编程、擅长时序控制的特点，更适合进行高频率高精度的时序控制[5]；所以最终控制系统综合两者的优缺点，采用DSP+FPGA的结构，其中DSP完成PI控制、频率/移相角计算等功能；FPGA通过数据地址总线接收DSP发送的频率、相位指令，完成频率和相位可调的PWM生成以及保护等相关逻辑功能；FPGA芯片选用Altera公司的Cyclone Ⅳ系列的EP4CE40F23I7芯片，该芯片具有逻辑单元（LE）39600个，用户IO口329个，PLL数量4个，能够满足该项目需求。
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- |- ]  d' k) }1 X0 B4 G  W3、基于FPGA的硬件模块设计
( ~! Q2 {3 M$ h" J基于FPGA实现移相调频功能的总结构框图如图3所示，DSP中计算出移相和频率指令后传递给FPGA，由FPGA负责相位和频率可调的PWM的生成，DSP一个中断周期发送一次移相和频率指令，FPGA通过数据、地址总线从DSP接收到指令后，暂存在锁存器中，由状态机控制锁存器更新输出移相角和频率设定值的时刻，频率生成模块产生初始PWM波，即T1管的PWM波，初始PWM取反作为T2管的PWM波，移相控制模块对初始PWM波进行给定相位的移相，生成移相后的PWM波，即T3管波形，T3波形取反得到T4管的PWM波。最终生成4路驱动信号供给4个开关管。而状态机控制的移相角和频率设定值时刻是避免指令在切换过程中出现非法的PWM脉冲，影响控制效果的关键。
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