一種基于FPGA的三電平原理及實(shí)現(xiàn)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題，在不改變原有成熟算法和硬件的基礎(chǔ)上，提出一種基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的三電平實(shí)現(xiàn)方法。采用FPGA構(gòu)造了三電平脈寬調(diào)制(PWM)IP核，包含三電平調(diào)制策略、驅(qū)動脈沖分配和保護(hù)、死區(qū)補(bǔ)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的同步問題?；贔PGA和DSP構(gòu)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(jī)上完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性和正確性，為兩電平調(diào)速算法拓展到三電平應(yīng)用場合提供了一種簡單通用的實(shí)現(xiàn)方式。
關(guān)鍵詞：三電平；現(xiàn)場可編程門陣列；死區(qū)補(bǔ)償；阻尼振蕩

1 引言
三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在高壓大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，在1～4 kV電壓等級的電機(jī)調(diào)速中，應(yīng)用最廣泛的是中點(diǎn)箝位三電平逆變器。在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，基本的調(diào)速理論是相同的，區(qū)別就在于不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所帶來的特殊性，如PWM策略、驅(qū)動脈沖的分配、中點(diǎn)電位平衡控制等。
隨著微電子技術(shù)和EDA技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)用硬件的并行性實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜算法是近幾年興起的一種全新的設(shè)計(jì)思想。
針對兩電平電壓源型變頻器已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的情況，在不改變原有兩電平調(diào)速算法的前提下，提出一種將原兩電平控制板擴(kuò)展為三電平控制板的FPGA實(shí)現(xiàn)方法，構(gòu)造了三電平PWM IP核。利用硬件語言并行執(zhí)行的快速性，實(shí)現(xiàn)了三電平調(diào)制策略、驅(qū)動脈沖分配和保護(hù)、死區(qū)補(bǔ)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，是一種簡單、快速且節(jié)約成本的方法。

2 控制系統(tǒng)整體功能描述
圖1為DSP與FPGA的控制系統(tǒng)整體功能描述框圖。如圖1所示，DSP完成原有兩電平調(diào)速控制算法，將得到的兩相靜止坐標(biāo)下電壓參考值uα
和uβ通過數(shù)據(jù)總線傳給FPGA中相應(yīng)的寄存器。FPGA中，uα和uβ經(jīng)2s／3s變換為a，b，c坐標(biāo)系中的三相調(diào)制電壓uas，ubs和ucs。為提高SPWM中較低的電壓利用率，在原調(diào)制波中注入了三電平零序電壓；為克服三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固有的中點(diǎn)不平衡問題，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(qū)時(shí)間對輸出電流波形造成的影響，加入了死區(qū)補(bǔ)償算法。最后得到的調(diào)制波，經(jīng)PWM發(fā)生器，加入死區(qū)后形成a，b，c三相的12路PWM驅(qū)動信號。FPGA中載波周期和死區(qū)時(shí)間都有對應(yīng)的寄存器，可通過DSP按需更改。各算法模塊也由DSP單獨(dú)控制，根據(jù)電機(jī)運(yùn)行條件部分或全部使能。

2．1 電壓利用率
為提高直流母線電壓利用率，采用SPWM+零序電壓注入(與SVPWM等效)的方法。調(diào)制度m定義為調(diào)制波幅值與載波幅值的比。在線性調(diào)制區(qū)內(nèi)，m=1．154時(shí)，電壓利用率達(dá)到100％。
區(qū)別于兩電平的零序電壓計(jì)算方法(在兩電平中，Uz=-(Umax+Umin)／2)，利用VHDL語言編寫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(jù)三電平的零序電壓算法輸出零序電壓分量。
2．2 死區(qū)補(bǔ)償算法
死區(qū)補(bǔ)償算法主要包括補(bǔ)償死區(qū)時(shí)間、IGBT開通和關(guān)斷延時(shí)、IGBT及續(xù)流二極管的管壓降等。在此采用了三電平逆變器的死區(qū)補(bǔ)償算法，根據(jù)伏秒特性，分別從死區(qū)時(shí)間和管壓降兩方面對死區(qū)時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償。
省略具體推導(dǎo)過程得出a，b，c相補(bǔ)償時(shí)間為：

式中：Td為死區(qū)時(shí)間；Ton為開通時(shí)間；Toff為關(guān)斷時(shí)間；ias為三相電流；Ts為開關(guān)周期，Udc為直流母線電壓；k為根據(jù)不同扇區(qū)得到的系數(shù)。
利用VHDL語言編寫了死區(qū)補(bǔ)償模塊。