勵磁控制系統(tǒng)是同步發(fā)電機的重要組成部分，它的特性好壞直接影響電機及電力系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。 基于此，利用仿真的方式對勵磁控制系統(tǒng)進行了研究并給出了相關(guān)結(jié)論，同時提出了一些新的控制算法，并建立了一個勵磁控制系統(tǒng)仿真平臺。 首先，從同步電機和勵磁系統(tǒng)的模型入手，根據(jù)研究需要修改了同步電機的仿真模型，詳細(xì)地介紹了檢測單元、控制單元和勵磁系統(tǒng)主回路模型，在總結(jié)普通PID調(diào)節(jié)方式不足的基礎(chǔ)上提出了一種性能優(yōu)越的非線性PID控制方式。 其次，分別在有刷和無刷勵磁系統(tǒng)下，對普通PID、非線性PID和模糊自適應(yīng)PID三種控制方式在階躍響應(yīng)和突變負(fù)載的情況下進行仿真，對輸出的機端電壓進行分析并得出相關(guān)結(jié)論。 除了對通用的勵磁控制算法進行仿真分析外，提出了一種基于同步電機本身的勵磁控制算法，這種控制方式是對勵磁電流進行閉環(huán)控制，并輔以非線性的PID控制進行進行精度調(diào)節(jié)。針對這種方式，提出了兩種實現(xiàn)方案。同樣在有刷和無刷勵磁系統(tǒng)下進行階躍響應(yīng)和突變負(fù)載的仿真分析研究。仿真測試表明，這種控制算法在控制的快速性和穩(wěn)定性方面優(yōu)于通用的控制方式。 最后，鑒于勵磁控制系統(tǒng)仿真的重復(fù)性及操作的繁瑣性，建立了一種基于MATLAB GUI的勵磁控制仿真平臺，借助此平臺對SIMULINK模型操作，可以方便地實現(xiàn)對參數(shù)的設(shè)置與修改、模型的查看和修正、仿真的顯示及相關(guān)的輔助操作等等，可以極大地簡化仿真的操作過程，提高仿真的效率。另外，此平臺的實現(xiàn)也為其它系統(tǒng)類型仿真界面的建立提供了重要的參考。
標(biāo)簽： 同步發(fā)電機 勵磁控制 仿真研究
上傳時間： 2013-04-24
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v無刷直流電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、維護方便、運行效率高和調(diào)速性能好等優(yōu)點，隨著微處理器技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論，以及低成本、高磁能積永磁材料的發(fā)展，得到越來越廣泛的應(yīng)用。無刷直流電動機采用無位置傳感器控制，電動機結(jié)構(gòu)更加簡單，應(yīng)用范圍擴大，相對于有位置傳感器控制優(yōu)勢明顯。本論文圍繞無刷直流電動機的無位置傳感器控制進行較為系統(tǒng)和深入的研究。 首先，論文從基本電磁定律出發(fā)，在分析無刷直流電動機結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，建立了無刷直流電動機的數(shù)學(xué)模型，為分析無刷直流電動機無位置傳感器控制奠定基礎(chǔ)。 其次，根據(jù)無刷直流電動機反電勢過零檢測原理，對反電勢過零檢測法的各種實現(xiàn)方法進行研究，比較各種實現(xiàn)方法的優(yōu)缺點，指出它們的適用范圍。在此基礎(chǔ)上，給出帶通濾波法及其簡化電路形式，提出使用帶通濾波器獲取反電勢三次諧波的方法。論文將直流電源負(fù)端電壓作為帶通濾波法和帶通濾波三次諧波法的參考電平。 論文對無刷直流電動機無位置傳感器控制中的關(guān)鍵問題-起動方法進行研究，在詳細(xì)分析“三段式”起動方法的實現(xiàn)過程的基礎(chǔ)上，給出了從外同步到自同步平穩(wěn)切換的條件。論文在研究無刷直流電動機無位置傳感器控制換相方法的基礎(chǔ)上，提出了一種新的換相方法，提高了電動機運行平穩(wěn)性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。在帶通濾波三次諧波法中使用該換相方法，無需對三次諧波積分即可得到換相時刻。 濾波器是反電勢法中反電勢過零檢測電路的重要組成部分。論文在分析無刷直流電動機端電壓信號特點的基礎(chǔ)上，給出濾波電路的技術(shù)要求，根據(jù)濾波器基本設(shè)計原理，分別對一階RC無源帶通濾波器和二階RC有源低通濾波器進行電路設(shè)計和參數(shù)計算，并通過實驗驗證理論分析和仿真結(jié)果。這些為通過檢測反電勢過零點獲得可靠的換相信號創(chuàng)造了條件。 論文還分析了無刷直流電動機無位置傳感器控制中產(chǎn)生轉(zhuǎn)子位置檢測誤差的原因，提出了相應(yīng)的校正方法。通過分析無刷直流電動機的換相過程，建立了換相狀態(tài)的等效電路和數(shù)學(xué)模型，研究了轉(zhuǎn)子位置誤差引起的電動機超前、滯后換相現(xiàn)象，及其由此產(chǎn)生的非導(dǎo)通相環(huán)流，在理論分析的基礎(chǔ)上，進行了仿真計算，并與實驗結(jié)果對照分析。 功率器件的功率損耗分析在逆變器設(shè)計和提高控制系統(tǒng)的可靠性方面具有重要作用。論文構(gòu)建了由IGBT組成的簡化逆變器模型，并進行仿真研究。針對不同的開關(guān)頻率和柵極電阻，定量計算了IGBT開關(guān)過程中各階段的功率損耗，給出了變化規(guī)律，對逆變器的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。最后，論文研制了基于反電勢過零檢測法的無位置傳感器無刷直流電動機控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由硬件和控制軟件兩部分組成。硬件部分包括主電源整流濾波電路、控制電源電路、反電勢過零檢測電路、驅(qū)動和逆變電路以及保護電路等，控制軟件包括電動機起動模塊(包括定位、加速、切換)、電動機運行控制模塊(包括過零檢測及校正、換相)和各保護功能模塊。對系統(tǒng)進行了調(diào)試，并對論文中所分析和提出的各種方法進行了相關(guān)的實驗研究，給出了實驗結(jié)果。
標(biāo)簽： 無位置傳感器 控制 無刷直流電動機
上傳時間： 2013-06-06
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隔離升壓DC-DC變換器在電動汽車、儲能系統(tǒng)、可再生能源發(fā)電以及超導(dǎo)儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。本文以隔離升壓全橋變換器(Isolated Boost Full Bridge Converter,簡稱IBFBC)為研究對象，針對隔離升壓型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、起動問題、隔離變壓器漏感問題、軟開關(guān)問題和輸入電感磁復(fù)位問題等進行了系統(tǒng)深入的研究，解決了這一類拓?fù)渌灿屑夹g(shù)問題。 提出了隔離升壓DC-DC變換器拓?fù)渥澹治霰容^了各種拓?fù)涞奶攸c，確定了以IBFBC為研究對象。對IBFBC進行了詳細(xì)的穩(wěn)態(tài)分析和小信號建模分析，為其分析、設(shè)計和搭建實驗平臺提供了電路理論基礎(chǔ)。 理論上分析了IBFBC起動時存在電流沖擊的原因。提出了二種數(shù)字化軟起動方案，該方案對主電路進行了改造，利用DSP能靈活產(chǎn)生PWM波的特點采用了新的控制策略，成功實現(xiàn)了該系統(tǒng)的軟起動。 理論上分析了IBFBC隔離變壓器漏感引起功率開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰的原因，采用了有源箝位的方法，有效的解決電壓尖峰問題。提出了帶有源箝位IBFBC的九種PWM控制策略，提出了一種控制型軟PWM方法，在不增加主電路元器件的基礎(chǔ)上，通過控制PWM的發(fā)生方法，實現(xiàn)了有源箝位功率開關(guān)管和橋臂功率開關(guān)管的零電壓開通。 從理論上分析了IBFBC輸入電感磁復(fù)位問題。在正常停機時提出了一種數(shù)字化軟停止的方法，控制變換器由Boost工作狀態(tài)逐漸過渡到Buck工作狀態(tài)，讓輸入電感存儲的能量逐漸釋放掉，最后停止工作。對于故障保護停機，采用了繞組磁復(fù)位的方法，把輸入電感設(shè)計成反激式變換器形式，突然停機時，電感中存儲的能量通過反激式繞組釋放到輸出端，這樣保護了變換器不會損壞。 給出了主電路關(guān)鍵器件參數(shù)的設(shè)計方法，設(shè)計了以DSP-TMS320F2407為核心的數(shù)字控制單元，編寫了DSP控制程序和CPLD邏輯處理程序。研制了一臺輸出功率5KW，輸入電壓直流24V，輸出電壓直流300V的IBFBC,通過全面的性能實驗驗證了理論分析和仿真結(jié)果。 本文立足于IBFBC的關(guān)鍵技術(shù)要求，并充分考慮工程應(yīng)用中的實際因素，進行了理論分析和實驗研究，為實際系統(tǒng)方案設(shè)計提供理論依據(jù)，并已經(jīng)在實際應(yīng)用中得到驗證。
標(biāo)簽： DCDC 隔離 升壓
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無刷直流電機是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和高性能永磁材料的出現(xiàn)而迅速發(fā)展起來的一種新型機電一體化電機。隨著無刷直流電機在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，無位置傳感器控制方法的優(yōu)勢越來越明顯，特別是“反電勢法”無刷直流電機控制方法已經(jīng)發(fā)展成為最實用的無位置傳感器控制方法。 論文在介紹常用的無位置傳感器無刷直流電機控制方法的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了“反電勢法”無刷直流電機控制原理。深入研究了兩種反電勢過零檢測方法，采用“直接反電勢法”設(shè)計了反電勢過零檢測電路。該方法不需要引出電機中性點，通過選擇PWM和導(dǎo)通控制策略，就能直接從電機端電壓獲得反電勢過零點信號。它避免了開關(guān)高頻調(diào)制產(chǎn)生的干擾，不需要對端電壓進行濾波。建立了基于PSPICE軟件的仿真模型并對其進行了仿真驗證。以按摩椅用無刷直流電機為樣機，設(shè)計了“直接反電勢法”無刷直流電機控制系統(tǒng)的硬件電路，詳細(xì)介紹了電路各個組成部分，同時給出了控制系統(tǒng)中所采用的軟硬件抗干擾措施。 論文介紹了“直接反電勢法”無刷直流電機控制常用的起動方法，深入討論了“三段式”起動技術(shù)，對“三段式”起動技術(shù)中轉(zhuǎn)子預(yù)定位、外同步加速和外同步到自同步的切換進行了詳細(xì)的分析，并圍繞“三段式”起動技術(shù)詳細(xì)介紹了“直接反電勢法”控制軟件設(shè)計流程。 最后，通過實驗驗證了這種方法的可行性和正確性。
標(biāo)簽： 電勢 無刷直流電機 控制系統(tǒng)
上傳時間： 2013-05-24
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本課題提出了一套采用直流斬波技術(shù)的永磁無刷直流電機的調(diào)速控制系統(tǒng)。一方面研制了一種新穎的端電壓邏輯換相控制策略，它通過分析電機三相繞組端電壓的大小關(guān)系得出控制逆變橋開關(guān)管導(dǎo)通的信號。結(jié)合電機預(yù)定位起動原理，設(shè)計出的端電壓邏輯信號分析處理電路，有效克服了電機起動的困難，確保電機的順利起動，并在實驗結(jié)果中得到了論證。這種完全用硬件電路來實現(xiàn)電機的電子換相，無疑大大降低了控制系統(tǒng)的成本，具有一定的實用價值。另一方面采用直流斬波技術(shù)的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)，從而大大減小了電流的脈動。本文闡述的方法不但適用于一般的三相四線制無刷直流電機，還適用于三相三線制的電機,從而擴大了其應(yīng)用的范圍。 本論文先對無位置傳感器永磁無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)和基本原理進行了詳細(xì)的介紹；然后分別著重介紹了兩個部分的設(shè)計工作：無刷直流電機的驅(qū)動控制和采用直流斬波技術(shù)的調(diào)速系統(tǒng)；最后給出了相關(guān)的實驗結(jié)果和結(jié)論。 根據(jù)上述設(shè)計方案設(shè)計的無位置傳感器永磁無刷直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)電機的平滑起動、無振動和失步現(xiàn)象，具有良好的調(diào)速性能。
標(biāo)簽： 無位置傳感器 控制系統(tǒng) 無刷直流
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逆變器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個方面，數(shù)字控制具有方便實現(xiàn)復(fù)雜算法、抗干擾性強和產(chǎn)品容易升級等優(yōu)點，已成為未來逆變器的發(fā)展趨勢。使用數(shù)字技術(shù)控制設(shè)計逆變器，控制器的性能決定了逆變系統(tǒng)系統(tǒng)的性能。然而在很多高頻應(yīng)用的場合，目前常用的控制器的速度往往不能完全達到要求。與傳統(tǒng)單片機和DSP芯片相比，F(xiàn)PGA器件具有更高的處理速度。同時FPGA應(yīng)用在數(shù)字化逆變器設(shè)計中，還可以大大簡化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并可實現(xiàn)多種高速算法，具有較高的性價比。在逆變器的全數(shù)字化控制領(lǐng)域，F(xiàn)PGA具有很好的應(yīng)用價值。 論文首先介紹了SPWM基本原理及其控制方式，SPWM的生成方法，并結(jié)合本課題給出了查表法生成SPWM波的一般方法，且以單相全橋逆變器為例進行了仿真。分析其的電路特點，建立PWM逆變器的統(tǒng)一電路模型、連續(xù)狀態(tài)空間以及離散狀態(tài)空間模型，在此數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，針對逆變器研究分析了目前用于逆變器設(shè)計的各種數(shù)字控制技術(shù)、控制方案，討論了其控制方法的優(yōu)缺點，相關(guān)控制器設(shè)計的一般問題，最后比較了其優(yōu)缺點，指出其存在的共性問題，總結(jié)了使用FPGA設(shè)計逆變器數(shù)字控制器的優(yōu)勢。然后以單相電壓型PWM逆變器為控制模型采用新型模數(shù)結(jié)合現(xiàn)場可編程門陣列FPGA實現(xiàn)數(shù)字化控制器的方案，給出了純正正弦波逆變器的設(shè)計方案。 論文詳細(xì)論述了采用模數(shù)混合型FPGA作為主控芯片的高頻逆變器設(shè)計方法與實現(xiàn)過程。系統(tǒng)主控芯片采用Fusion系列AFS600，世界上首個模數(shù)混合型FPGA。主要設(shè)計要點包括：逆變器硬件電路設(shè)計以及SPWM數(shù)字控制系統(tǒng)軟件設(shè)計。外圍強電電路的設(shè)計的難點在于用于前端升壓的高頻變壓器的設(shè)計以及輸出端LC濾波電感與電容的選取。另外，SPWM“H”字全橋逆變電路中的高懸浮電壓也是設(shè)計中需要值得注意的重要環(huán)節(jié)。在控制系統(tǒng)軟件設(shè)計方面，采用FPGA自上而下的設(shè)計方法，對其控制系統(tǒng)進行了功能劃分，完成了SPWM產(chǎn)生器以及加入死區(qū)補償?shù)腜WM發(fā)生器、和反饋等模塊的設(shè)計。 論文的結(jié)束部分給出了設(shè)計結(jié)果，并指出了進一步的工作的思路和方向。
標(biāo)簽： 逆變器 數(shù)字控制 技術(shù)研究
上傳時間： 2013-05-19
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作為新一代直流輸電技術(shù)，基于電壓源換流器的高壓直流輸電憑借其獨特的技術(shù)優(yōu)點取得了飛速的發(fā)展，并已在新能源發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、電網(wǎng)非同步互聯(lián)、無源系統(tǒng)供電、無功補償?shù)葓龊系玫綄嶋H工程應(yīng)用。在我國，VSC-HVDC的研究尚處于起步階段。本論文著重開展了VSC-HVDC技術(shù)的數(shù)學(xué)建模和控制策略的研究。論文的主要工作和取得的創(chuàng)新性成果如下： 1．建立了系統(tǒng)標(biāo)么值模型，分析了VSC-HVDC的運行原理和穩(wěn)態(tài)功率特性。明確了系統(tǒng)主電路參數(shù)對運行特性的影響，在此基礎(chǔ)上提出了一種功率定義下的換流電抗、直流電壓和直流電容以及頻域下的交流濾波器參數(shù)設(shè)計方法。 2．設(shè)計了一種基于無差拍控制的VSC-HVDC直接電流離散控制器。針對控制系統(tǒng)存在的VSC電壓輸出能力限制、PI控制器積分飽和現(xiàn)象和離散采樣時間延遲問題，提出了相應(yīng)的解決方法，推導(dǎo)了其電流內(nèi)環(huán)控制器與功率外環(huán)離散控制器的設(shè)計原則。 3．推導(dǎo)了換流站網(wǎng)側(cè)與VSC交流側(cè)功率節(jié)點以及換流電抗與損耗電阻上的瞬時功率方程，在此基礎(chǔ)上提出了一種換流站網(wǎng)側(cè)功率節(jié)點控制并補償換流電抗與損耗電阻消耗二倍頻功率的不平衡控制策略，設(shè)計了該控制策略下的雙序矢量控制器模型。同時針對傳統(tǒng)dq軟件鎖相環(huán)在電壓不平衡時鎖相速度慢的缺點，提出了一種基于前置相序分解的頻率自適應(yīng)dq鎖相環(huán)，提高了不平衡控制算法的動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)特性。 4．對VSC閥在交流電網(wǎng)低電壓故障下的過流現(xiàn)象進行分析并提出了一種考慮正負(fù)序分量影響的指令電流限制器，保證了故障限流效果。分析比較了VSC閥電流裕度穿越法和指令電流限制器穿越法的特性，在此基礎(chǔ)上提出一種結(jié)合正負(fù)序指令電流限制器與控制模式切換的交流電網(wǎng)低電壓穿越控制方法，從而解決交流電網(wǎng)低電壓故障時系統(tǒng)穩(wěn)定與VSC過流問題。 5．在分析現(xiàn)有VSC-HVDC拓?fù)涞幕A(chǔ)上，從降低電力電子器件直接串聯(lián)數(shù)目、器件開關(guān)頻率和簡化主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三個方面出發(fā)，將傳統(tǒng)直流輸電中常用的變壓器隔離式多模塊結(jié)構(gòu)引入VSC-HVDC系統(tǒng)，并針對該模塊級聯(lián)式拓?fù)涮岢鲆环N系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制與模塊獨立運行相結(jié)合的新型控制策略。針對該拓?fù)湎滤投苏敬嬖诘母髂K直流側(cè)電容電壓均衡問題，提出了一種基于有功分量調(diào)節(jié)的直流側(cè)電壓控制方法。
標(biāo)簽： 電壓源 換流器 控制策略
上傳時間： 2013-06-03
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各類交流電源在產(chǎn)品開發(fā)過程中都需要進行長時間的帶載測試，以檢驗其電氣性能。傳統(tǒng)使用電阻、電感和電容這類無源元件作為負(fù)載的測試方法存在參數(shù)調(diào)節(jié)不方便、發(fā)熱量大、耗能等諸多缺點。為克服傳統(tǒng)測試方法的不足，本文研究了一種帶能量回饋功能的交流電子負(fù)載裝置，采用交直交變換結(jié)構(gòu)，由具有公共直流母線的兩級電壓型PWM整流器組成。通過控制前級PWM整流器的輸入功率因數(shù)，在其輸入端模擬不同阻抗特性的負(fù)載；后級PWM整流器工作在并網(wǎng)逆變狀態(tài)，將被測試電源發(fā)出的電能回饋至電網(wǎng)進行循環(huán)利用。 交流電子負(fù)載屬于一種測試設(shè)備，需要實現(xiàn)用戶交互、通訊、監(jiān)控等功能，因此采用了以DSP芯片為核心的數(shù)字控制方案。本文首先探討了數(shù)字控制技術(shù)對變換器性能的影響，重點討論了當(dāng)數(shù)字脈寬調(diào)制器精度不足時會引起輸出產(chǎn)生極限環(huán)振蕩的問題。分析了極限環(huán)振蕩產(chǎn)生的原因，并以BUCK、BOOST和BUCK-BOOST三種基本變換器的數(shù)字控制器設(shè)計為例，推導(dǎo)出了為避免極限環(huán)振蕩，數(shù)字脈寬調(diào)制器應(yīng)滿足的最小精度要求。在MATLAB中建立了數(shù)字控制器的仿真模型，設(shè)計了一臺數(shù)字控制BUCK變換器實驗樣機，仿真和實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。 根據(jù)處理電能方式的不同，交流電子負(fù)載可分為能量消耗型和能量回饋型兩大類。本文首先針對交流電源產(chǎn)品的功能性測試應(yīng)用場合，提出了一種新的能量消耗型交流電子負(fù)載結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的控制方法。然后重點介紹了能量回饋型交流電子負(fù)載的工作原理及其控制策略。分析了功率電路中主要元件參數(shù)的選取方法。其中，對工作在任意功率因數(shù)情況下的單相PWM整流器中交流濾波電感的取值作了重點討論。在Saber軟件中建立了系統(tǒng)的仿真模型，設(shè)計了一臺以TMS320F2812 DSP芯片為控制核心的能量回饋型交流電子負(fù)載原理樣機，仿真和實驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)方案的可行性和正確性。最后針對交流電子負(fù)載的并網(wǎng)能量回饋功能，初步分析了一種基于正反饋思想的并網(wǎng)系統(tǒng)孤島檢測方法，并進行了仿真驗證。
標(biāo)簽： DSP 控制 交流電子
上傳時間： 2013-07-29
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開關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電子整機與設(shè)備中，在以往的AC-DC電路中，由二極管組成的不可控整流器與電力網(wǎng)相接，為在電網(wǎng)中會產(chǎn)生大量的電流諧波和無功功率而污染電網(wǎng)，使得功率因數(shù)較低。為了提高AC-DC電路輸入端的功率因數(shù)，采用了功率因數(shù)校正。 本文采用TMS320F2812實現(xiàn)開關(guān)電源的功率因數(shù)校正，分析了DSP實現(xiàn)功率因數(shù)校正的控制方法和具體實現(xiàn)，對于軟件中參數(shù)的標(biāo)么值實現(xiàn)進行了理論推導(dǎo)，為了使輸出功率在輸入電壓變化的一定范圍內(nèi)保持不變，采用了前饋電壓，對于數(shù)字PI調(diào)節(jié)環(huán)采用了抑制積分飽和的方法，以防止系統(tǒng)失控。 論文中通過對AC-DC整流電路和加入Boost功率因數(shù)校正后的電路進行了Matlab的仿真，通過輸入電壓和輸入電流波形的比較，可以很容易地看到功率因數(shù)的提高。 在具體的電路實現(xiàn)中，采用霍爾元件檢測輸入電感電流、輸入電壓和輸出電壓，經(jīng)過DSP的A/D采樣后，在DSP內(nèi)部經(jīng)過程序計算，輸出PWM波形驅(qū)動MOSFET的開通與關(guān)斷，使輸入電感電流波形與輸入電壓波形一致。 本文實現(xiàn)了系統(tǒng)仿真，給出了仿真波形，分析了硬件設(shè)計電路并完成了電路的局部仿真，軟件編程方面給出了主程序和各個子程序的軟件流程圖，提出了以后研究的方向。
標(biāo)簽： DSP PFC 控制
上傳時間： 2013-06-17
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現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA，F(xiàn)ield Programmable Gate Array)是可編程邏輯器件的一種，它的出現(xiàn)是隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導(dǎo)體廠商來獨立承擔(dān)。系統(tǒng)設(shè)計師們更愿意自己設(shè)計專用集成電路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)．芯片，而且希望ASIC的設(shè)計周期盡可能短，最好是在實驗室里就能設(shè)計出合適的ASIC芯片，并且立即投入實際應(yīng)用之中。現(xiàn)在，F(xiàn)PGA已廣泛地運用于通信領(lǐng)域、消費類電子和車用電子。 本文中涉及的I/O端口模塊是FPGA中最主要的幾個大模塊之一，它的主要作用是提供封裝引腳到CLB之間的接口，將外部信號引入FPGA內(nèi)部進行邏輯功能的實現(xiàn)并把結(jié)果輸出給外部電路，并且根據(jù)需要可以進行配置來支持多種不同的接口標(biāo)準(zhǔn)。FPGA允許使用者通過不同編程來配置實現(xiàn)各種邏輯功能，在IO端口中它可以通過選擇配置方式來兼容不同信號標(biāo)準(zhǔn)的I/O緩沖器電路。總體而言，可選的I/O資源的特性包括：IO標(biāo)準(zhǔn)的選擇、輸出驅(qū)動能力的編程控制、擺率選擇、輸入延遲和維持時間控制等。 本文是關(guān)于FPGA中多標(biāo)準(zhǔn)兼容可編程輸入輸出電路(Input/Output Block)的設(shè)計和實現(xiàn)，該課題是成都華微電子系統(tǒng)有限公司FPGA大項目中的一子項，目的為在更新的工藝水平上設(shè)計出能夠兼容單端標(biāo)準(zhǔn)的I/O電路模塊；同時針對以前設(shè)計的I/O模塊不支持雙端標(biāo)準(zhǔn)的缺點，要求新的電路模塊中擴展出雙端標(biāo)準(zhǔn)的部分。文中以低壓雙端差分標(biāo)準(zhǔn)(LVDS)為代表構(gòu)建雙端標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)轉(zhuǎn)換電路，與單端標(biāo)準(zhǔn)比較，LVDS具有很多優(yōu)點： (1)LVDS傳輸?shù)男盘枖[幅小，從而功耗低，一般差分線上電流不超過4mA，負(fù)載阻抗為100Ω。這一特征使它適合做并行數(shù)據(jù)傳輸。 (2)LVDS信號擺幅小，從而使得該結(jié)構(gòu)可以在2.5V的低電壓下工作。 (3)LVDS輸入單端信號電壓可以從0V到2.4V變化，單端信號擺幅為400mV，這樣允許輸入共模電壓從0.2V到2.2V范圍內(nèi)變化，也就是說LVDS允許收發(fā)兩端地電勢有±1V的落差。 本文采用0.18μm1.8V/3.3V混合工藝，輔助Xilinx公司FPGA開發(fā)軟件ISE，設(shè)計完成了可以用于Virtex系列各低端型號FPGA的IOB結(jié)構(gòu)，它有靈活的可配置性和出色的適應(yīng)能力，能支持大量的I/O標(biāo)準(zhǔn)，其中包括單端標(biāo)準(zhǔn)，也包括雙端標(biāo)準(zhǔn)如LVDS等。它具有適應(yīng)性的優(yōu)點、可選的特性和考慮到被文件描述的硬件結(jié)構(gòu)特征，這些特點可以改進和簡化系統(tǒng)級的設(shè)計，為最終的產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。設(shè)計中對包括20種IO標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的各電器參數(shù)按照用戶手冊描述進行仿真驗證，性能參數(shù)已達到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。
標(biāo)簽： FPGA 標(biāo)準(zhǔn) 可編程
上傳時間： 2013-05-15
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