基于FPGA+ARM构架的三相并网逆变器的设计与实现

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随着环境问题、能源需求等因素的驱动,并网逆变产品出现了新的特点,国内政策鼓励逆变用户端主动参与电网调节,国外标准要求对逆变用户端进行监视与控制,二者都要求电网与逆变器要具备很好的实时双向交互能力。本文针对这种新的特点和发展趋势,设计了基于FPGA+ARM构架的双核心逆变控制器,并用该控制器实现逆变器并网功能和实时在线控制。
  1.分析三相并网逆变器的SVPWM调制算法和并网控制的基本原理,建立并网逆变系统的数学模型。通过MATLAB建模与仿真分析,仿真验证了本文逆变调制和并网控制设计的合理性。
  2.基于FPGA平台实现了逆变并网的各个功能模块,包括A/D转换、PI调节、坐标转换、SVPWM和死区设置等模块。重点介绍了带死区SVPWM脉冲的产生过程,并通过Modelsim软件进行逻辑时序仿真,对程序功能的正确性和有效性进行仿真验证。
  3.针对交互式并网逆变器的新特点,设计了基于FPGA+ARM构架的双核心控制器。在控制器中,将并网逆变器的各项工作任务按照实时性需求进行分配。将实时性要求较高的计算和保护功能布置到具备高时钟频率和并行运算的特点的FPGA控制器,包括多路基于SPI协议的A/D各500k速率采样模块、网侧频率相位测量模块、每秒200次调节的PI调节模块、空间矢量脉冲调制模块、故障保护模块等环节;对实时性要求相对较低的文件管理、交互式的人机界面和实时监控功能则交给事务管理和任务调度能力较强的ARM处理器。其中ARM控制器内嵌μC/OS-Ⅱ实时操作系统,是整个控制系统的通讯中枢。ARM通过SPI协议实现与对FPGA发送运行参数命令、保护命令和其它控制指令。通过Modbus通信协议与上位机交互通讯。
  4.通过小功率的实验分析,调测了软件程序及控制器硬件,测取了电参量波形,验证了逆变调制等理论,证明了本文系统设计的可行性,能够有效的实现逆变器电能转换功能和实时在线监视控制功能。
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