FPGA控制的智能化節(jié)能設(shè)備

1 前言
據(jù)了解，我國(guó)照明用電約占社會(huì)總用電量的 12％，而城市公共照明則在我國(guó)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(huì)隨著時(shí)間而逐漸地降低，而 12點(diǎn)過后則會(huì)顯著降低--與之相隨的是對(duì)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(shì)雪上加霜，造成了巨大的浪費(fèi)。
根據(jù)人體視覺對(duì)光線適應(yīng)的理論，人眼對(duì)光線的感覺和光線成對(duì)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(dòng) IGBT逆變器的電源，具有自動(dòng)降壓功能，可以一個(gè)較小值緩慢降低，到夜間 12點(diǎn)后以最小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(jiǎn)便。

2 電源控制器的原理
2.1 DDS 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(hào)的頻率和相位。DDS的核心是 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(duì)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(chǔ)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(hào)。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

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2.2 SPWM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(hào)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(duì)稱規(guī)則采樣法與不對(duì)稱規(guī)則采樣法。本系統(tǒng)中 ,實(shí)際的參考正弦信號(hào)是由 DDS產(chǎn)生的數(shù)字式正弦信號(hào)，因此，在 SPWM產(chǎn)生電路中，實(shí)際用作參考信號(hào)的是有臺(tái)階的正弦信號(hào)，如圖 2所示。數(shù)字正弦波信號(hào)的頻率和幅度分辨率精確可調(diào)，數(shù)字三角波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幅值不變的三角波 (稱為載波 ) 信號(hào)，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(duì)稱規(guī)則采樣所形成的階梯波比對(duì)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(duì)稱規(guī)則采樣的方法。
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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。

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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(hào)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(hào)與三角波計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的三角波信號(hào)相比較產(chǎn)生一組脈寬不等的方波信號(hào)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(duì)的兩組信號(hào)，并且兩組信號(hào)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(hào)。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?gòu)?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(hào)。 [!--empirenews.page--]
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(hào)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(dòng)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(huì)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 200 ns。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(dòng)信號(hào)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。

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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 Quartus II 6.0。但由于 Quartus II軟件自帶的波形仿真系統(tǒng)無法觀察內(nèi)部信號(hào)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(hào)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(dòng)路燈系統(tǒng)。
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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、高效地控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)不僅可用于路燈的節(jié)能方面，稍加修改即可用于工廠電機(jī)的變頻節(jié)能控制，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：以高速、高集成度的 FPGA芯片 EP1C3T144C8作為控制核心，結(jié)合 DDS和 SPWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)大功率可調(diào)電源，滿足了路燈系統(tǒng)節(jié)能調(diào)壓和智能化的工作要求，適應(yīng)了我國(guó)節(jié)能的發(fā)展方向。