一種基于FPGA的三電平原理及實(shí)現方式

摘要：針對兩電平DSP2407控制板在三電平逆變器控制中資源不足的問(wèn)題，在不改變原有成熟算法和硬件的基礎上，提出一種基于現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的三電平實(shí)現方法。采用FPGA構造了三電平脈寬調制(PWM)IP核，包含三電平調制策略、驅動(dòng)脈沖分配和保護、死區補償、零序電壓注入、中點(diǎn)電壓平衡控制及阻尼振蕩抑制算法等功能，并解決了DSP與FPGA的同步問(wèn)題?；贔PGA和DSP構建一個(gè)三電平逆變器硬件平臺，在一臺30 kW三相異步電機上完成了相關(guān)實(shí)驗。實(shí)驗結果驗證了該方法的可行性和正確性，為兩電平調速算法拓展到三電平應用場(chǎng)合提供了一種簡(jiǎn)單通用的實(shí)現方式。
關(guān)鍵詞：三電平；現場(chǎng)可編程門(mén)陣列；死區補償；阻尼振蕩

1 引言
三電平拓撲結構具有輸出容量大、輸出電壓高、電流諧波含量小等優(yōu)點(diǎn)，使得該結構在高壓大功率交流電機變頻調速領(lǐng)域得到廣泛應用。目前，在1～4 kV電壓等級的電機調速中，應用最廣泛的是中點(diǎn)箝位三電平逆變器。在變頻調速控制系統中，基本的調速理論是相同的，區別就在于不同的拓撲結構所帶來(lái)的特殊性，如PWM策略、驅動(dòng)脈沖的分配、中點(diǎn)電位平衡控制等。
隨著(zhù)微電子技術(shù)和EDA技術(shù)的快速發(fā)展，應用硬件的并行性實(shí)現一些復雜算法是近幾年興起的一種全新的設計思想。
針對兩電平電壓源型變頻器已實(shí)現產(chǎn)品化的情況，在不改變原有兩電平調速算法的前提下，提出一種將原兩電平控制板擴展為三電平控制板的FPGA實(shí)現方法，構造了三電平PWM IP核。利用硬件語(yǔ)言并行執行的快速性，實(shí)現了三電平調制策略、驅動(dòng)脈沖分配和保護、死區補償算法、零序電壓注入、中點(diǎn)電壓平衡控制算法、阻尼振蕩抑制算法等功能，是一種簡(jiǎn)單、快速且節約成本的方法。

2 控制系統整體功能描述
圖1為DSP與FPGA的控制系統整體功能描述框圖。如圖1所示，DSP完成原有兩電平調速控制算法，將得到的兩相靜止坐標下電壓參考值uα
和uβ通過(guò)數據總線(xiàn)傳給FPGA中相應的寄存器。FPGA中，uα和uβ經(jīng)2s／3s變換為a，b，c坐標系中的三相調制電壓uas，ubs和ucs。為提高SPWM中較低的電壓利用率，在原調制波中注入了三電平零序電壓；為克服三電平拓撲結構固有的中點(diǎn)不平衡問(wèn)題，加入了中點(diǎn)平衡算法；為解決空載V／F控制下逆變器輸出電流波形在某一頻段振蕩，加入了阻尼振蕩抑制算法；為降低低頻下死區時(shí)間對輸出電流波形造成的影響，加入了死區補償算法。最后得到的調制波，經(jīng)PWM發(fā)生器，加入死區后形成a，b，c三相的12路PWM驅動(dòng)信號。FPGA中載波周期和死區時(shí)間都有對應的寄存器，可通過(guò)DSP按需更改。各算法模塊也由DSP單獨控制，根據電機運行條件部分或全部使能。

2．1 電壓利用率
為提高直流母線(xiàn)電壓利用率，采用SPWM+零序電壓注入(與SVPWM等效)的方法。調制度m定義為調制波幅值與載波幅值的比。在線(xiàn)性調制區內，m=1．154時(shí)，電壓利用率達到100％。
區別于兩電平的零序電壓計算方法(在兩電平中，Uz=-(Umax+Umin)／2)，利用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)了適用于三電平的零序電壓算法：

模塊fangxiang用于判斷三相參考電壓的異號相及大小順序，模塊zero和除法器根據三電平的零序電壓算法輸出零序電壓分量。
2．2 死區補償算法
死區補償算法主要包括補償死區時(shí)間、IGBT開(kāi)通和關(guān)斷延時(shí)、IGBT及續流二極管的管壓降等。在此采用了三電平逆變器的死區補償算法，根據伏秒特性，分別從死區時(shí)間和管壓降兩方面對死區時(shí)間進(jìn)行補償。
省略具體推導過(guò)程得出a，b，c相補償時(shí)間為：

式中：Td為死區時(shí)間；Ton為開(kāi)通時(shí)間；Toff為關(guān)斷時(shí)間；ias為三相電流；Ts為開(kāi)關(guān)周期，Udc為直流母線(xiàn)電壓；k為根據不同扇區得到的系數。
利用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)了死區補償模塊。