Υλοποίηση των Τεχνικών PWM, Sinusoidal PWM και Παραμετρικής Πολυφασικής και Πολυεπίπεδης Space Vector PWM σε FPGA

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η παρουσίαση τριών τεχνικών διαμόρφωσης εύρους παλμών(Pulse Width Modulation Techniques), οι οποίες χρησιμοποιούνται κυρίως σε εφαρμογές που έχουν να κάνουν με τα ηλεκτρονικά ισχύος, και η υλοποίησή τους με την γλώσσα περιγραφής υλικού VHDL. Η πρώτη τεχνική είναι μία απλή διαμόρφωση εύρους παλμών(Pulse Width Modulation), η οποία αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι των περισσοτέρων ενσωματωμένων συστημάτων. Η δεύτερη τεχνική αποτελεί μία εναλλακτική υλοποίηση της τεχνικής ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών(Sinusoidal Pulse Width Modulation) για τον έλεγχο της τάσης εξόδου ενός αναστροφέα, η οποία υλοποιείται με δύο τρόπους, ενώ η τρίτη τεχνική αποτελεί μία παραμετρική πολυφασική αλλά και πολυεπίπεδη διαμόρφωση εύρους παλμών με χωρικά διανύσματα(Space Vector Pulse Width Modulation). Και οι τρεις αυτές τεχνικές υλοποιούνται με την γλώσσα περιγραφής υλικού VHDL και ελέγχονται με την χρήση ενός Field Programmable Gate Array(FPGA). Πιο συγκεκριμένα παρουσιάζεται μία μέθοδος για την υλοποίηση της PWM τεχνικής η οποία χρησιμοποιεί ένα μετρητή για την επίτευξη του επιθυμητού duty cycle. Επίσης παρουσιάζονται 2 τεχνικές και για την υλοποίηση της SPWM όπου στην μία έχουμε δυναμική παραγωγή ημιτονοειδών δειγμάτων, όποτε αυτό χρειάζεται, ενώ στην άλλη έχουμε αποθηκευμένα 1000 δείγματα ημιτόνου σε μία ROM τα οποία χρησιμοποιούμε για να πετύχουμε τις επιθυμητές συγκρίσεις με ένα τριγωνικό παλμό. Όσον αφορά στην SVPWM παρουσιάζεται ένα παράδειγμα προσομοίωσης που αφορά στο χειρισμό των διακοπτών ενός πενταφασικού, πέντε επιπέδων αναστροφέα και ένα παράδειγμα προσομοίωσης αλλά και πραγματικής υλοποίησης σε FPGA και παρατήρησης στον παλμογράφο, για το χειρισμό των διακοπτών ενός μονοφασικού αναστροφέα τριών επιπέδων. Τα αποτελέσματα των τριών αυτών τεχνικών προσδιορίζονται θεωρητικά, αποδεικνύονται μέσω προσομοιώσεων και εφαρμόζονται σε πραγματικά FPGA μέσω των οποίων παρατηρούνται σε παλμογράφο. Οι διάφορες προσομοιώσεις γίνονται με την χρήση των εργαλείων προσομοίωσης Modelsim Altera 10.0c(Quartus II 11.1) Starter Edition, PSim και Matlab-Simulink ενώ η ψηφιακή υλοποίηση πάνω στο υλικό γίνεται με την χρήση του ISE Design Suite 14.4 της Xilinx. To FPGA το οποίο χρησιμοποιήσαμε για τις τεχνικές SPWM και SVPWM ήταν το SPARTAN6 XC6SLX16(Package CSG324), ενώ για την PWM το SPARTAN3E. Η διπλωματική αυτή χωρίζεται σε πέντε βασικές ενότητες: 1) Μία εισαγωγή στις βασικές έννοιες που διέπουν τα FPGA. 2) Υλοποίηση της PWM τεχνικής. 3) Υλοποίηση των SPWM τεχνικών. 4) Υλοποίηση της παραμετρικής πολυεπίπεδης και πολυφασικής SVPWM. 5) Συμπεράσματα.

The scope of this diploma thesis is the presentation of three Pulse Width Modulation(PWM) techniques, which are mainly used in power electronic applications, and their implementation using the hardware descriptive language VHDL. The first technique is a simple Pulse Width Modualtion(PWM) technique, that is an integral part of most embedded systems. The second technique is an alternative implementation of the Sinusoidal Pulse Width Modulation(SPWM) technique used to control the output voltage of an inverter, which is implemented in two ways, while the third one is a parametric, multiphase and multilevel Space Vector Pulse Width Modulation(SVPWM) technique. These three techniques are implemented with the hardware descriptive language VHDL and are being controlled with the use of a Field Programmable Gate Array(FPGA). More specifically, one method is illustrated to implement the PWM technique which uses a counter in order to achieve the desired duty cycle. Also there are presented two ways in order to implement the SPWM technique where in the first one we produce dynamic sinusoidal samples when needed, while on the other one we have stored 1000 samples of a sinusoidal wave in a ROM memory which we use in order to achieve the desired comparisons with a triangular wave. Regarding SVPWM an example of handling the switches of a five – phase, five – level inverter is presented as well as another example that has to do with the handling of a single phase inverter circuit of three levels. The results of these three techniques, are identified theoretically, are proved through simulations and are applied to real FPGAs through which are being observed with the use of an oscilloscope. The various simulations are done using the simulation tools Modelsim Altera 10.0c (Quartus II 11.1) Starter Edition, PSim and Matlab-Simulink and the digital implementation on the material is achieved with the use of the ISE Design Suite 14.4 Xilinx. The FPGA which was used for the techniques SPWM and SVPWM was SPARTAN6 XC6SLX16 (Package CSG324), while for the PWM technique we used SPARTAN3E. This diploma thesis is divided into five main sections: 1) An introduction to the basic concepts of FPGAs. 2) Implementation of the PWM technique. 3) Implementation of the SPWM technique. 4) Implementation of the parametric, multilevel and multiphase SVPWM. 5) Conclusions.