基于DSP和CPLD的載波移相多電平PWM實(shí)現的研究

　　1 引言

　　隨著(zhù)電力電子技術(shù)和電力半導體技術(shù)的迅速發(fā)展，中壓大功率傳動(dòng)設備在石油化工、礦山開(kāi)采、軋鋼和冶金、運輸等領(lǐng)域得到了廣泛的應用，不僅提高了資源的利用率，同時(shí)還降低了生產(chǎn)的成本，其中變頻器扮演著(zhù)重要的角色。雖然其電路的拓撲結構和控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但多電平技術(shù)的研究仍備受大家的關(guān)注。多電平技術(shù)避免了器件的直接串聯(lián)，具有輸出電壓高，諧波含量低，電壓變化率小，開(kāi)關(guān)頻率低等優(yōu)點(diǎn)。多電平技術(shù)實(shí)現的關(guān)鍵在于如何實(shí)現大量的SPWM控制信號。本文針對這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行研究和探討，利用DSP和CPLD兩大控制器來(lái)實(shí)現多電平SPWM，并最終給出實(shí)測波形圖。

　　2 總體設計方案

　　2.1單元串聯(lián)多電平變頻器拓撲結構介紹

　　單元串聯(lián)多電平變頻器的拓撲結構簡(jiǎn)單，易于模塊化，可以根據系統對輸出電壓、電平數的要求確定功率單元的級數。如圖1所示，七電平H橋串聯(lián)逆變器拓撲結構圖，其單相電壓是由三個(gè)功率單元組成，每個(gè)功率單元均為H橋逆變電路結構，輸出端依次串聯(lián)在一起，并利用SPWM信號控制功率單元中開(kāi)關(guān)器件的通與斷（即控制功率單元的輸出），最終實(shí)現多電平電壓的疊加輸出。

　　2.2載波移相控制理論

　　一般來(lái)說(shuō)，N電平的逆變器調制，需要N-1個(gè)三角載波。移相載波調制法中，所有三角波均具有相同的頻率和幅值，但是任意兩個(gè)相鄰載波的相位要有一定的相移，其值為

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　　調制信號通常為幅值和頻率都可調節的三相正弦信號。通過(guò)調制波和載波的比較，可以產(chǎn)生所需要的開(kāi)關(guān)器件的驅動(dòng)信號［1］。

　　但在數字化實(shí)現中，載波移相法一般不是由一個(gè)調制波和一組經(jīng)過(guò)相移的載波比較生成，而是由調制波和一個(gè)載波進(jìn)行比較之后，再進(jìn)行一定的延時(shí)得到各個(gè)功率單元的SPWM控制信號。在本系統中采用此種方法來(lái)實(shí)現多路SPWM的控制信號。

　　根據對以上概念的理解和分析，在本系統中，采用DSP+CPLD來(lái)完成多路SPWM控制信號的實(shí)現。其中由DSP控制器實(shí)現單相電壓中的第一級功率單元兩橋臂控制信號，并由CPLD來(lái)實(shí)現對這兩路控制信號的移相延時(shí)，進(jìn)而實(shí)現單相電壓中各個(gè)功率單元的SPWM控制信號（即移相后信號）。系統原理框圖如下圖2所示：

　　1 引言

　　隨著(zhù)電力電子技術(shù)和電力半導體技術(shù)的迅速發(fā)展，中壓大功率傳動(dòng)設備在石油化工、礦山開(kāi)采、軋鋼和冶金、運輸等領(lǐng)域得到了廣泛的應用，不僅提高了資源的利用率，同時(shí)還降低了生產(chǎn)的成本，其中變頻器扮演著(zhù)重要的角色。雖然其電路的拓撲結構和控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但多電平技術(shù)的研究仍備受大家的關(guān)注。多電平技術(shù)避免了器件的直接串聯(lián)，具有輸出電壓高，諧波含量低，電壓變化率小，開(kāi)關(guān)頻率低等優(yōu)點(diǎn)。多電平技術(shù)實(shí)現的關(guān)鍵在于如何實(shí)現大量的SPWM控制信號。本文針對這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行研究和探討，利用DSP和CPLD兩大控制器來(lái)實(shí)現多電平SPWM，并最終給出實(shí)測波形圖。

　　2 總體設計方案

　　2.1單元串聯(lián)多電平變頻器拓撲結構介紹

　　單元串聯(lián)多電平變頻器的拓撲結構簡(jiǎn)單，易于模塊化，可以根據系統對輸出電壓、電平數的要求確定功率單元的級數。如圖1所示，七電平H橋串聯(lián)逆變器拓撲結構圖，其單相電壓是由三個(gè)功率單元組成，每個(gè)功率單元均為H橋逆變電路結構，輸出端依次串聯(lián)在一起，并利用SPWM信號控制功率單元中開(kāi)關(guān)器件的通與斷（即控制功率單元的輸出），最終實(shí)現多電平電壓的疊加輸出。

　　2.2載波移相控制理論

　　一般來(lái)說(shuō)，N電平的逆變器調制，需要N-1個(gè)三角載波。移相載波調制法中，所有三角波均具有相同的頻率和幅值，但是任意兩個(gè)相鄰載波的相位要有一定的相移，其值為

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　　調制信號通常為幅值和頻率都可調節的三相正弦信號。通過(guò)調制波和載波的比較，可以產(chǎn)生所需要的開(kāi)關(guān)器件的驅動(dòng)信號［1］。

　　但在數字化實(shí)現中，載波移相法一般不是由一個(gè)調制波和一組經(jīng)過(guò)相移的載波比較生成，而是由調制波和一個(gè)載波進(jìn)行比較之后，再進(jìn)行一定的延時(shí)得到各個(gè)功率單元的SPWM控制信號。在本系統中采用此種方法來(lái)實(shí)現多路SPWM的控制信號。

　　根據對以上概念的理解和分析，在本系統中，采用DSP+CPLD來(lái)完成多路SPWM控制信號的實(shí)現。其中由DSP控制器實(shí)現單相電壓中的第一級功率單元兩橋臂控制信號，并由CPLD來(lái)實(shí)現對這兩路控制信號的移相延時(shí)，進(jìn)而實(shí)現單相電壓中各個(gè)功率單元的SPWM控制信號（即移相后信號）。系統原理框圖如下圖2所示：

　　3 DSP控制部分

　　DSP控制部分主要任務(wù)是實(shí)現單相電壓中第一級功率單元的兩路控制信號。如圖3所示，這兩路控制信號分別控制左橋臂Q1和右橋臂Q3兩開(kāi)關(guān)器件的通與斷，為避免同一橋臂上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導通，使Q2和Q4控制信號分別為Q1和Q3信號的互補信號，由于器件的動(dòng)作需要一定時(shí)間，因此Q1和Q2、Q3和Q4信號間需要增加一定的死區延時(shí)時(shí)間，在本系統中，死區延時(shí)的時(shí)間由硬件完成。

　　功率單元左橋臂Q1的控制信號由三角載波與參考波（正弦波）比較得到，當參考波大于載波時(shí)，輸出高電平，Q1導通，Q2截止；反之，輸出低電平，Q1截止，Q2導通。Q1信號取反后得到Q2信號。左橋臂Q3的控制信號由互差180。的三角載波與參考波（正弦波）比較得到，當參考波大于載波時(shí)，輸出高電平，Q3導通，Q4截止；反之，輸出低電平，Q3截止，Q4導通。Q3信號取反后得到Q4信號。載波與參考波的比較過(guò)程參考圖4，兩橋臂控制信號的實(shí)測波形如圖5。將參考波分別向左移或向右移動(dòng)120。并與三角載波相比較便可得到其它兩相電壓的第一級功率單元的控制信號。

　　根據對以上內容的分析，在本系統中采用了TI公司的DSP TMS320F2812作為該部分的控制核心。其內核為32位，運行速度可以達到150MIPS，足夠完成一些較復雜的控制算法。同時(shí)其有6路獨立的PWM輸出、2個(gè)異步串行通訊口、16通道12位AD輸入，內置了36K的RAM和256K的Flash存儲器，可以存放較大規模的程序。在主控制電路中，只需要在該DSP的基礎上配合一些簡(jiǎn)單的外圍電路即可實(shí)現所需的6路SPWM控制信號。

　　4 CPLD控制部分

　　CPLD控制部分主要任務(wù)是對第一級功率單元H橋左、右橋臂控制信號進(jìn)行移相（即上文所提到的延時(shí)），進(jìn)而得到以后各級功率單元的左、右橋臂的控制信號。該部分設計的關(guān)鍵是信號的邊沿檢測和移相延時(shí)兩部分。如下圖6所示，首先，CPLD對SPWM進(jìn)行邊沿信號檢測，當檢測到上升沿（或下降沿）到來(lái)后，再進(jìn)行Td時(shí)間的延時(shí)，最后輸出置1（或0），以達到移相的目的。

　　邊沿信號檢測可以利用邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器去檢測上升沿或下降沿，但是這種方式對于邊沿的檢測過(guò)于敏感，系統中的一個(gè)尖峰干擾將會(huì )導致邊沿檢測的誤判，為解決這個(gè)問(wèn)題，我們進(jìn)行多次采樣，比較前后幾次采樣的結果，再來(lái)判別邊沿是否到來(lái)。這種方法對抗干擾起到了一定的作用，增強了系統的健壯性、穩定性。

　　移相延時(shí)部分最重要的是對延時(shí)時(shí)間的選擇，延時(shí)時(shí)間長(cháng)或短都會(huì )影響到系統的性能，本設計中，第二級功率單元的延時(shí)時(shí)間根據公式（2）（公式內容僅供參考）計算得到（以后各級功率單元的延時(shí)時(shí)間相應的增加Td即可）：

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