论文总字数：25386字

摘 要

摘要正文：自从2001年，德国R. Marquardt教授提出模块化多电平变流器（Modular Multilvel Converter，简称 MMC或M2C）的拓扑结构后，受到了工业界和学术界的高度关注。因为其模块化等特点，MMC通常被使用于高电压大功率场合，例如高压直流输电（High Voltage Direct Current transmission，简称 HVDC）或者中高压电机驱动领域（Medium Voltage Drive，简称 MVD）。因为在高压大功率场合，MMC级联的模块和所使用的IGBT数量巨大，其控制器系统也十分复杂。当IGBT的数量很多时，其对于控制器的PWM口的数量要求很高。

在实验室进行MMC的相关研究时，为了缩短算法的开发周期，通常使用dSPACE作为主控制器。然而，低配置的dSPACE1104中的PWM口数量极其有限，即使利用其I/O口实现PWM输出，I/O数量仍然不能满足MMC的要求，而高配置的dSPACE价格又十分昂贵。所以本课题拟针对dSPACE1104半实物仿真平台PWM输出路数不足的问题，通过使用FPGA拓展dSPACE1104的PWM路数。

首先，本文介绍了本课题的应用背景和课题意义；根据课题需求，本文针对MMC共研究了4种调制方法，载波层叠法、改进型载波层叠法、最近电平逼近法以及改进型最近电平逼近法，然后通过MATLAB/Simulink软件对这4种调制方法进行了仿真研究。

其次，介绍了FPGA硬件部分和软件开发环境ISE Design Suite；并在ISE中，就载波层叠法以及改进型载波层叠法进行了研究，使用Verilog HDL编程语言完成FPGA的设计，并在Modelsim SE软件中完成了仿真验证，输出了相应的PWM信号。

然后，介绍了dSPACE1104的软硬件平台，研究了dSPACE与FPGA之间的通信，串口软件程序等，且在ISE中编写了FPGA的UART串口接收程序。

最后，给出了论文的总结和展望。

关键词：MMC；载波层叠法；最近电平逼近法；FPGA；dSPACE

The research for an extension method based on FPGA for dSPACE

Student Name:ZhangShaowen Student Number: 16012411 Supervisor: ZhangJianzhong

Abstract

Abstract:Since 2001, professor R.Marquardt proposes a modular multi-level converter (Modular Multilvel Converter, referred to MMC or M2C), which attracted high attention from both industry and academia. Because of its modular features, MMC is commonly used in high-voltage high-power applications such as HVDC (High Voltage Direct Current transmission, called HVDC) and high-voltage motor drive (Medium Voltage Drive, referred MVD). For the high voltage high power applications, MMC cascade several modules tend to be large. And a huge number of IGBT are needed, its controller system is also extremely complex. When the number of the IGBT is huge, the demand of PWM controller is also huge.

During research of MMC, in order to shorten the development cycle of the algorithm, dSPACE is usually used dSPACE as the main controller. However, the number of PWM port on dSPACE1104 can not meet the requirements, and the price of high-profile dSPACE are very expensive. Therefore, in order to solve the lack of PWM on dSPACE1104 platform this study intends to expand the PWM on dSPACE1104 platform by using FPGA.

First, the paper describes the application background and significance of the subject of the MMC; studies four modulation method, carrier disposition, improved carrier disposition, nearest level modulation and improved nearest level modulation. then these four kinds of modulation method was simulated by MATLAB / Simulink software.

Secondly, study the FPGA hardware and software and ISE Design Suite environment; study the carrier disposition method and improved carrier disposition method in ISE.Then complete FPGA design by using Verilog HDL programming language ,make simulation in Modelsim SE software and achieve the output of the corresponding PWM signal.

Then, introduce the dSPACE platform, study the communication between dSPACE and FPGA, serial software programs.After that complete the receiving program of FPGA UART in the ISE.

Finally, make a summary and outlook .

Keywords: Modular Multilvel Converter (MMC)；carrier disposition；nearest level modulation(NLM)；FPGA；dSPACE

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题背景和研究意义 1

1.2本文主要工作及章节安排 2

第二章 模块化多电平逆变器调制策略研究 3

2.1模块化多电平变流器介绍 3

2.2模块化多电平变流器调制策略 3

2.2.1载波层叠法 4

2.2.2改进型载波层叠法 5

2.2.3最近电平逼近法 6

2.2.4改进型最近电平逼近法 7

2.3MATLAB/Simulink仿真验证 8

2.3.1载波层叠法 8

2.3.2改进型载波层叠法 9

2.3.3最近电平逼近法 10

2.3.4改进的最近电平逼近法 11

2.4本章小结 12

第三章 基于FPGA的载波层叠调制策略实现 13

3.1 FPGA简介 13

3.1.1 FPGA器件简介 13

3.1.2 FPGA基本结构 13

3.1.3 FPGA开发板简介 13

3.1.4软件开发环境简介 14

3.1.5编程语言Verilog HDL 15

3.2 PWM技术的FPGA实现 16

3.3载波层叠法的FPGA实现 16

3.3.1正弦调制波生成模块 17

3.3.2三角载波生成模块 18

3.3.3调制波与载波比较模块 20

3.3.4仿真结果 21

3.4改进型载波层叠法的FPGA实现 22

3.4.1正弦调制波处理部分 23

3.4.2仿真结果 23

3.5本章小结 24

第四章 利用FPGA扩展dSPACE的实现 25

4.1 dSPACE半实物仿真技术介绍 25

4.1.1 dSPACE半实物仿真技术的特点 25

4.2 dSPACE与FPGA通信的实现 25

4.2.1 UART串口介绍 25

4.2.2 UART串口的软件设计 26

4.3 FPGA扩展dSPACE实现载波层叠调制 26

4.3.1 dSPACE与FPGA通信模块 26

4.3.2三角载波生成模块及比较模块 29

4.4本章小结 29

第五章 结论与展望 30

5.1本文主要工作总结 30

5.2后续工作展望 30

致谢 31

参考文献 32

附录 33

第一章 绪论

1.1课题背景和研究意义

2001年R. Marquardt等人首次提出了模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converte，简称MMC）的拓扑结构，其通过级联半桥子模块，不仅可以输出很高的电压，并且还具有输出电压电流畸变率低、模块化程度高等特点，从而在高压大功率场合中具有广阔的应用前景。

MMC可以采用多种脉宽调制策略，常用的有载波层叠法（本文中仅研究同相载波层叠）和最近电平逼近法。传统的载波层叠法是将调制波与多路同相三角载波比较，得到脉宽调制波形；此外，还有最近电平逼近法（Nearest Level Modulation，简称NLM），其原理是使用最近的电平来逼近调制波。

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