（微电子学与固体电子学专业论文）基于dsp和fpga的三电平逆变器的研究.pdf

摘要 删删舢0 删i ? l l 1 1 l l 洲 y 2117 8 7 3 学科名称：微电子与固体电子学 、 研究生：刘耀徽 、 签名：趔逖 名荔 指导教师：高勇教授 签名：幺名 摘要 近年来，随着社会的发展和技术的进步，高压大功率变频设备的应用越来越广泛，部 分设备已大量应用于工业场合。由于开关器件耐压值的限制，在高压大功率领域大多使用 多个开关器件串联，这些开关器件的同步性对系统的控制提出了很高的要求，而在三电平 技术中每个开关器件最多承受直流母线电压的一半，对器件的要求没有那么苛刻；相对于 两电平而言，三电平变频设备具有输出电压谐波少、输出电压质量高等特点，被大量应用 于高压大功率场合。因此，研究三电平技术具有重要的实际应用意义。 本文设计了基于d s p 和f p g a 的三电平s v p l | | m 逆变器，将d s p 的快速运算能力和f p g a 并行处理数据的能力相结合，保证了p w m 信号的同步性。 论文首先介绍了三电平逆变器的拓扑结构，讲述了坐标变换理论，从矢量空间的建立、 参考电压矢量的形成至p 1 | m 波形的产生，分析了s v p l 】i m 算法的原理；其次根据坐标变换理 论和s v p l 】| m 算法完成了基于s i m u l i n k 的三电平逆变器的仿真，详细介绍了仿真的各个步 骤，并通过仿真证明了算法的正确性；最后设计了以d s p 和f p g a 为控制核心的实验平台， 详细介绍了三电平逆变器的软硬件实现方法，并做实验对原理及仿真进行了验证。结果表 明，依据该算法设计的三电平逆变器具有良好的可行性，采用f p g a 产生的1 2 路p w m 信号 具有很好的同步性。 。 关键词：三电平逆变器；s v p w m ；仿真；同步；d s p 和f p g a a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ho nt h r e e l e v e ll n v e r t e rb a s e do nd s pa n d f p g a m a j o r ： m i c r o e i e c t r o n i c sa n ds o ds t a t ee i e c t r o n j c s n a m e ：y a o h u iu u s u p e r 、，i s o r ：p r o f y r o n gg a o a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u 阳： i nr e c e n ty e a r s ，诵t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ) ，a j l dt h et e c h n o l o g i c a lp r o g r e s s ，i n v e 毗r e q u i p m e n t sw i t hl l i g hv o l t a 萨a r l dh i 曲p o w e ra r eu s e dm o r ea i l dm o r e 、v i d e l y p a r to f t h e e q u i p m e n t sa r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r y b e c a u s eo ft h ew i t h s t a i l dv o l t a g eo ft h es w i t c h i n g d e v i c e ，m u l t i p l ed e v i c e sa r ec o n n e c t e di n s e r i e si nh i g hv o l t a g ea n dh i g hp o w e rf i e l d t h e s y n c h r o n i s mo ft 量l es 、析t c h i n gd e v i c e si ns e r i e sh a sh i g hr e q u e s t t ot h ec o n t r o lo fs y s t e m i nt h r e e l e v e lt e c l l r l o l o g yb e c a u s ee v e r ) ，s 、i t c h i n gd e v i c e 、0 u l db e a rh a l fo ft h ed c - b u sv o l 协g e a tm o s t ， t h i e el e v e lt e c l l i l o l o g yi sn o te x t r e m e l yd e m a i l d i n go nt h es 、) r i t c h i n gd e v i c e s c o m p a r e dw i t h 铆o l e v e lt e c h n o l o g y ，t h eo u 印u tv o l t a g eo ft h r e el e v e l i n v e r t e re q u i p m e n t sh a sg o o dq u a t i l yw i ml e s s h 锄o n i ca n dt h et l l r e el e v e l i n v e r t e re q u i p m e n t sa r ew i d e l yu s e di nh i g hv o l t a g ea n dh i g hp o w e r f i e l d t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nm r e el e v e lt e c h n o l o g yi so f 磬a ts i g n i f i c a n c e i t h r e e 1 e v e l i n v e n e r b a s e do nd s p 觚i df p g ai sd e s i g n e di nz i l ep 印e r t h e 缸to p e r a t i o n a b i l i 够o fd s pi sc o m b i n e dw i t ht b ep a r a l l e lp r o c e s s i n gd a t aa b i l i 锣o ff p g a t oe n s u r et h e s y n c h r o n i c i t yo f t h ep w m s i g n a l s 一 f i r s t l y ， m et o p o l o g i c a ls t 】m c t u r eo fm r e e 1 e v e li n v e r t e ri si n t r o d u c e d t h ec o o r d i n a t e t m r l s f i o r n l a t i o nt h e o r yi sd i s c u s s e d t h es v p w m ( s p a c e 、，e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) a l g o r i t h mi sa n a l y z e d 丘0 mt h ee s t a b l i s l l i n e n to f t l ev e c t o rs p a c e 锄dt h ef o r n l a t i o no fr e f e r e n c e v o l t a g ev e c t o rt 0t h eg e n e r a t i o no fp w mw a v e s s e c o n d l y ， t h es i m u l a t i o no ft h em r e e - 1 e v e l i n v e r t e ra c c o r d i n gt ot l l ec o o r d i n a t e 仃 m s f o n n a t i o nt h e o d ，a 1 1 ds v p w ma l g o r i t l l mi sm a d ei n s i m u l i n kt ov e r i 匆也ec o l l e c t n e s so fn l ea l g o r i t l u l l f i n a l y ，t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o n i lb a s e do n d s pa n df p g ai sb u i l t t h er e a l i z a t i o np r o c e s so fs o r w a r ea n dh a r d 、7 l ，a 嵋ei si n t r o d u c e di nd 砌1 7 r l ee x p e r i m e n t sa r em a d et ov e r i 母t h ea j g o r i t i l i i la n ds i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e d e s i g i lo ft i l r e em u l t i l e v e li n v e r t e rt l ：哈a l g o r i t i l i i lb a s e do nt ：h ea l g o r i m mi s f e a s i b l ea n dt l l e t w e l v cp w m s i g n a l sp r o d u c e db yf p g a a r es y n c h r o n o u s k e y w o r d s ：t h r e e l e v e li n v e n e r ；s v p w m ；s i m u l a t i o n ；s y n c h r o i l i c i 哆；d s pa n df p g a 垦坚型登型登丛奎 绪论 1 绪论 1 1 多电平技术简介 电力电子器件的发展经历了晶闸管( s c r ) 、可关断晶闸管( g t o ) 、大功率晶体管 ( g t r ) 、绝缘栅晶体管( i g b t ) 等阶段，但是在中高压大功率场合，应用于两电平逆变 器中的单管的耐压依然达不到要求。学者们提出了各种方法来解决单管容量问题，如多个 功率器件串并联方式，降压一升压方式，多重化方式，s p w m 技术等。但是这些方法都因 各自的缺陷而很难应用在中高压场合。 在中高压大容量场合中，如果使用传统的两电平结构，只能用多个开关器件进行串联。 晶闸管的优点在于容量大，但是它的开关频率不高，其驱动电路以及吸收电路的设计太复 杂，并且输出的电流有较严重的畸变现象，目前多采用i g b t 作为开关器件。但是把多个 i g b t 串联在一起，这对i g b t 之间的动静态均压及开关的同步性有较高的要求，这会使 系统的可靠性大大降低i lj 。 1 9 7 7 年，德国学者h o l t z 首次公布了对三电平拓扑结构的研究成果；1 9 8 0 年，在h o l t z 的基础上，日本学者n a b a e a 提出了改进后的三电平拓扑结构二极管中点钳位式三 电平拓扑结构2 】；1 9 8 3 年，b h a g w a t 与s t e 磊赫o v i c 将这种电路结构拓展到多电平【3 】： 随着微电子技术、电力电子技术以及现代控制理论的迅猛发展，在高压大功率领域内， 多电平逆变器成为了大家研究的热点。多电平逆变器之所以适用于高压、大容量场合，是 因为它通过采用器件钳位或输出串联等方式将一些低压的功率开关器件连接起来，每个开 关器件所承受的最大电压为直流母线电压的1 m 1 ) ，其中n 为电平数【4 】，所以不采用多 个器件串联也能用在中高压场合。因此多电平逆变器在高压大功率场合中越来越受关注。 1 2 国内外研究现状 自多电平技术出现以来，国内外学者纷纷对其展开研究，三电平变换器、五电平变换 器、七电平变换器、九电平变换器相继被研究出来，电平数越多，其拓扑结构就越复杂， 实现起来就越困难，国内目前大多数产品采用的是两电平技术，部分产品采用三电平技术， 而五电平、七电平、九电平还未在产品中得到推广。 拓扑结构与算法相辅相成，不可分割，在拓扑结构不断发展的同时，学者们也在研究 提出不同的算法。s v p w m 算法因易于数字实现，逐渐取代了早期的s p w m 算法，学者 们纷纷对其展开研究，提出了以下几种s v p w m 算法。 1 、直角坐标系下的s v p w m 算法【5 】 西安理工大学硕士学位论文 v l ( 1l l p 1 ， v 1 5 ( - 1 d 。( 0 1 1 ) ：4 1 1 、 人f 八 ( u 勰1 1o )v 7 蕊樾彪一 一衬过i ( - 1 v 弋尸v “ 图1 1 qb 坐标系下的空间矢量图 f i g u r el - 1s p a c ev e c t o rd i a g r 锄i n 洳p c o o r d i n a t e 通过3 s 2 s 变换，在qb 坐标系下进行参考电压矢量的分解、空问矢量的组合等，这 种算法在三电平系统中用的较多。图1 1 为qb 坐标系下的空间矢量图。 2 、基于两电平的s v p w m 多电平算法【6 】 图1 - 2 空间电压矢量分解图 f i g u r e l - 2s p a c ev 0 l t a g ev e c t o rd e c o m p o s i t i o nf i g u r e 如图1 2 所示，该算法将多电平矢量空间视为采用多个两电平矢量空间相互叠加而成 的矢量空间，将空间矢量电压( 以) 分解为基矢量( u 融) 和两电平矢量( 职) ，然后利 用两电平的方法划分扇区、计算参考作用时间等，该算法较适用于多电平系统中。 3 、6 0 。坐标系下的s v p w m l 7 j 2 绪论 图1 3g - h 坐标系与a b 坐标系 f ig u r e1 3g hc o o r d i n a t ea n da bc o o r d i n a t e 如图1 3 所示，该算法是在3 s 2 s 变换后再做一个变换，将qb 坐标系变换为曲坐标 系，然后再进行扇区的判断以及矢量作用时间的计算。在曲坐标系下可以避免很多三角 函数的计算，提高了系统的运算速度，降低了系统对m c u 的要求。 4 、三维直角坐标系下的s v p w m 算法1 8 j 该算法主要针对三电平系统，提出了三维坐标系，建立了三维空间矢量，该算法能很 快找出最近的4 个空间矢量，能使谐波畸变最小化，但不太适合于多电平系统。 5 、线电压坐标变换s v p w m 算法【9 】【1 0 】 上面4 种算法均有适用范围，而该算法是个多电平通用算法，该算法提出了一种三相 虚坐标系，在该坐标系能很方便的进行矢量的选择及作用时间的计算，也易于数字实现， 并且适用于不同的拓扑结构。 由以上算法可以看出，在s v p w m 方面，各个学者关注的焦点大多为算法的复杂度及 通用性，而这两点往往不可兼得。随着研究的不断深入，会有更多简易、通用的算法产生， 多电平技术终将得到推广。 1 3 研究内容 1 3 1 主要任务 与传统的两电平逆变器相比，多电平逆变器增加了输出电平数，降低了单个开关器件 所承受的电压，提高了输出波形的质量。但是电平数越多，拓扑结构就越复杂，实现起来 所要面对的困难也就越多。综合以上问题，本论文选择二极管钳位式三电平逆变器作为研 究对象，分析三电平空间矢量算法，用s i m u l i i l k 对该算法进行仿真，并搭建实验平台，做 出驱动波形。 目前大多数三电平逆变器采用t i 的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 来产生驱动开关器件的p w m 信号， 该型号d s p 自带的p w m 模块有两个事件管理器，每个事件管理器能产生6 路p w m 信号， 但是这两个事件管理器所产生的波形并不完全同步，有一定的延时。鉴于f p g a 在信号同 步方面的优势，本论文采用f p g a 来产生驱动波形。 t 3 4 塾塑垄堂塑主堂垡垒查 1 3 2 论文安排 第l 章论述了多电平技术的优势，分析了三电平技术的发展前景，介绍了本论文的研 究内容及意义。 第2 章介绍了三电平逆变器的拓扑结构，介绍了坐标变化理论，分析了三电平空间矢 量算法。 第3 章介绍了三电平空间矢量算法的仿真。 第4 章介绍了系统的软硬件设计，包括硬件平台的搭建，d s p 和f p g a 的软件设计。 第5 章对仿真结果和实验结果进行了分析。 第6 章对论文进行了总结，分析了以后的研究方向。 基于s i m u li n k 的三电平逆变器仿真 2 三电平空间矢量算法 2 1 三电平逆变器的拓扑结构 自三电平拓扑结构被首次提出后，学者们相继对拓扑结构进行了改进，经过大量实验 的筛选，目前被广泛应用的为钳位式三电平逆变器拓扑结构。该拓扑结构又分为二极管箝 位式逆变器拓扑结构和电容钳位式逆变器拓扑结构i l 。 2 1 1 二极管钳位式三电平逆变器拓扑结构 对于三电平逆变器来说，其交流侧的每相所输出的电压有三种取值：正电压( + v d c 2 ) ， 负电压( v d c 2 ) ，中点电压( o ) 。二极管箝位式拓扑结构如图2 1 所示，从图中可以看出 其每一相桥上有四个功率开关管、六个二极管( 包括四个续流二极管和两个箝位二极管) ； 直流母线输入端接有两个串联的电容c 1 和c 2 ，其中c 1 = c 2 以达到串联分压的目的。给 每相的开关管的门极加上相应的p w m 控制信号，使交流侧输出阶梯状的电压波形。 c 。 图2 1 二极管钳位式三电平逆变器拓扑结构 f j g u r e 2 一ld i o d ec l 跚p e dt h r e e - l e v e li n v e n e rt o p o l o g i c a ls t m c t u r e 这种拓扑结构所具有优点总结如下： 1 、采用二极管将直流侧的中点电位与交流侧的n 点连接在一起，来实现多电平的输 出，每个开关器件最多只承受直流母线电压的一半； 2 、电平数越多，输出电压越接近正弦波，其中的谐波含量就越少； 3 、在器件的开关方面损耗较少。 这种拓扑结构的缺点如下： 1 、在多电平的情况下需要大量的钳位二极管； 2 、直流侧的电容存在分压不均的问题。 2 1 2 电容钳位式三电平逆变器拓扑结构 电容钳位式拓扑结构与二极管箝位式拓扑结构相似，只需将二极管箝位拓扑结构中的 钳位二极管改为电容即可，其三电平拓扑结构如图2 - 2 所示。 西安理工大学硕士学位论文 c 图2 2 电容钳位式三电平逆变器拓扑结构 f i g u r e 2 2c a p a c i t a n c ec l a m p e dt h r e e l e v e li n v e n e rt o p o l o 萄c a ls t m c t u r e 电容的引进使开关状态的选择具有更大的灵活性，但是大量的电容使装置的体积过于 庞大，而且成本较高，封装也不容易。通过对开关状态的调节与优化可以使电容电压保持 平衡，但是控制相当复杂。 还有一种电容钳位式拓扑结构，成为飞跨电容式拓扑结构，这种拓扑结构是上述电容 钳位式拓扑结构的改进。这种拓扑结构在三电平中比较少见，图2 。3 为五电平飞跨电容式 拓扑结构。 图2 - 3 五电平飞跨电容式拓扑结构 f i g u r e 2 3f l y i n 舻印a c i t o rf i v e l e v e l n v e r t e rt o p o l o 萄c a ls t r t j c t u r e 飞跨电容式拓扑结构的优点如下： l 、电平数越多，输出电压谐波含量越少； 2 、可控制无功功率，因而可用于高压直流输电； 3 、电容的引进使电压合成的选择增多，开关状态的选择具有更大的灵活性。 这种拓扑结构的缺点如下：。 l 、该结构需要的箝位电容比较多； 2 、使用大量的电容会使系统的体积庞大，增加了系统的成本，并且不易进行封装； 3 、该结构在应用于有功功率传输时，其控制比较复杂，并且需要较高的开关频率，增 加了开关损耗。 基于s i 邮i i n k 的三电平逆变器仿真 电容钳位式拓扑结构所用电容较多，控制较复杂，成本高；二极管箝位式拓扑结构可 以实现b a c k t o b a c k 连接，收到了高度重视。本文选择二极管箝位式三电平拓扑结构作为 研究对象。 2 2 坐标变换理论 s v p w m 调制的对象为参考电压矢量u r ，为了获得该矢量，就要根据矢量变换控制理 论对三相电压进行坐标变换。坐标变化理论是与异步电机控制分不开的。 由于交流异步电机中的电压、电流、磁通和电磁转矩各物理量间是相互关联的强耦合， 并且其转矩正比于主磁通与电流，而这两个物理量是随时间变化的函数，在异步电机数学 模型中将出现两个变量的乘积项，因此又为多变量，非线性系统这使得建立异步电机的准确 数学模型相当困难。通过坐标变换理论可以简化异步电机数学模型，使异步电机控制变得 简单【1 2 1 【1 3 】。 2 2 13 s 2 s 变换 从三相静止坐标系( 3 s ) 到两相静止坐标系( 2 s ) 的变换简称为3 s 2 s 变换，又称为 c l a r k 变换。 三相异步电机的定子三相绕组空间上互差1 2 0 度，且通以时间上互差1 2 0 度的三相正 弦交流电时，在空间上会建立一个旋转磁场。 取空间上互相垂直的两相绕组，且在绕组中通以互差9 0 度的两相平衡交流电流时，也 能建立与上述三相绕组等效的旋转磁场，此时的电机数学模型有所简化。 ；i ! 三相绕组每相电流分别为乞、毛、t ，令三相绕组匝数相等即 a = b = c = 3 ( 2 一1 ) 两相绕组每相电流分别为k 、卢，令两相绕组匝数相等即；7 口= = 虬 ( 2 2 ) 在三相静止坐标系a b c 和两相静止坐标系qb 中，令a 轴与q 轴重合，在功率不变 这个约束条件下可得到两相绕组的旋转磁动势与三相绕组的磁动势等效表达式 虬屯= m + 虬c o s l 2 0 。+ c f c c o s2 4 0 f 9 一蚋 芦= o + 名s i n1 2 0 。+ c 砝s i n2 4 0 。 将式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 带入式( 2 3 ) 可得： ： = 熟黑 由此可得变换矩阵 r ：丝 蟠2 1 三 三 22 o 笪一笪 2 2 ( 2 5 ) 7 4 2 bk 厂呻oii01 旷o 。鲥o 。 m m傩曼 西安理工大学硕士学位论文 根据功率不变原则有 ( 2 6 ) 由此可以得出 磐：，陲 ( 2 _ 7 ) 从v3 一 至此得出从三相静止坐标系( 3 s ) 到两相静止坐标系( 2 s ) 的变换矩阵g m ，： 一 压 乙3 j 2 j2 1 - yj 其反变换矩阵c 2 m ，为： r巨 棚，2 了 l一!一1 22 o 笪一鱼 22 l0 l压 22 1历 22 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 2 2 22 s 2 r 变换 从两相静止坐标系( ab ) 到两相旋转坐标系( d q ) 的变换简称为2 s 2 r 变换，也称为 p 破变换。 建立两个相互垂直的绕组，在两绕组中分别通以直流电流，空间中将形成一个固定磁 场，将此固定磁场以同样的角速度旋转，则这两个旋转绕组产生的合成磁场也是一个旋转 磁场。再进一步使两绕组轴线与三相绕组( 或与两相静止绕组的轴线同方向) 的旋转磁场 方向相同。由此即可用旋转绕组中的两个直流分量来等效三相静止绕组中的三相交流电。 设两相静止坐标系与两相旋转坐标系间的夹角为西，由两相静止轴系与两相旋转轴系 的等效磁动势表达式可以得到变换关系： ：二跏a 浯 即变换矩阵c 2 垅，为： -一r c o s 9 s i n p l ( 2 1 1 ) 。2 “2 7 一l s i n pc o s pi 其反变换矩阵c 2 m ，为： 8 = 瞄等l is l n 拶 c o s hl ( 2 1 2 ) 基于s i 邮1 i n k 的三电平逆变器仿真 由上述两个变换可以得出 。 ；：=cr2s，：ri：=岛s，：，c乏，：，差 所以三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换矩阵为 向：。= 后 篇篙兰毛二端期 一l c o s 日一s i n 日 i q 脚2 雌搿翟二嚣高i ( 2 1 3 ) ( 2 一1 4 ) ( 2 1 5 ) 2 3s v p w m 原理 目前应用较广泛的调制策略为电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) ，其控制目标是直接 在电动机空间内形成圆形旋转磁场，因此又称为磁链轨迹控制1 4 】【1 5 】。 毒 三电平s v p w m 算法的实现过程中要经过大量的计算，需要频繁计算矢量作用时间并 存储大量的数据，计算中包含大量三角函数，过程比较复杂。， 一本文在两相静止坐标系下进行矢量空间的划分，矢量的选取，通过参考电压在两相静 止坐标系下的分量玑和或者参考电压的幅值l k i 和幅角p 进行矢量作用时间的计算。若 参考电压以三相交流电的形式给出，则通过3 s 2 s 变换，可以得出在两相静止坐标系下的 参考电压分量眈和；若参考电压以两相旋转坐标系下的分量和u 的形式给出，则 通过2 r 2 s 变换可以得出在两相静止坐标系下的参考电压分量虬和。 整个算法的基本流程为： 1 、矢量的生成以及矢量空间的建立； 2 、大扇区以及小三角形的划分； 3 、进行合成参考电压矢量所需的三个空间矢量的选取； 4 、对所选取的空间矢量进行矢量作用时间的计算； 5 、作用顺序的排列以及p w m 波形的产生。 2 3 1 矢量空间的建立 三电平空间电压矢量由三相输出状态合成， 间矢量合成公式如下： u s = h o + p 仪h + 矿m c 2 石 其中j p 为矢量算子，p = p 7 了 经过c l a r k 变换后，两相静止坐标系下空 9 西安理工大学硕士学位论文 “。为合成空间矢量 心，心为三相输出电压 根据二极管筘位式三电平拓扑结构可以得出交流侧每相输出仅有三个值：娑( 高电 z 平) ，o ，一等( 低电平) 。现定义开关函数 f 1 ，第x 相输出高电平 s ，= o ，第x 相输出o l 一1 ，第x 相输出低电平 则三相输出电压 心= 丢配，= 丢，心= 丢墨 ( 2 1 7 ) 将式( 2 1 7 ) 带入式( 2 1 6 ) 中可以得出： = 妻( 叉+ a 瓯+ 口2 叉) j ( 2 - 1 8 ) 1， 2 虬【( 2 咒一瓯一) + 3 ( 瓯一疋) 】 。 o 各桥臂的开关状态分别用开关函数& ，& ，疋来表示，定义( 墨瓯疋) 为空间矢量， 疋，最，各有三种取值( 1 ，0 ，- 1 ) ，因此共有3 3 = 2 7 个空间矢量，将开关函数的取值带 入式( 2 1 8 ) 中可以计算出各个空间矢量，将这些空间矢量标注在两相静止坐标系下可以 得到图2 1 所示的空间矢量分布图【1 6 】【1 7 】。 如图2 - 4 所示，这些空间矢量虽然很多，但是在长度方面有较多的共同点。根据矢量 长度，我们可以将这些空间矢量分成4 大类：大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。大矢量 共有6 个，矢量长度为等等，矢量末端在图2 - 1 中外六边形的顶点，如( 1 11 ) ，( 1 11 ) ， ( 1 卜1 ) 等；中矢量共有6 个，其长度为盟，所有矢量的末端均在各扇区的角平分线上， 3 如( o1 1 ) ，( - l1o ) ，( o 一11 ) ：有1 2 个小矢量，其长度为睾，并且成对出现，其矢量末端 在大矢量的中点处，如( 001 ) ，( 101 ) ，( 一1 - l0 ) ；有3 个零矢量，其长度为0 ，如( 0oo ) ， ( 1 11 ) ，( - l _ 1 一1 ) 。虽然某些空间矢量完全重合，即有一定的冗余度，但是他们各自有各自 的作用，一个都不可以忽略，他们的作用会在以下章节中讲述。 l o 基于s i m u l i n k 的三电平逆变器仿真 v 1 5 ( - 1 1 d ( 0 1 - 1 ) 囊1 、 八i f 八” ( u 朋1 0 )v 7 瓜热彪弋，。 粥憾： 功? 删冬q - i i o ) fn 图2 _ 4 空间电压矢量分布图 f i g u r e 2 4s p a c ev o l t a g ev e c t o rd i s t r i b u t i o n 将这些空间矢量分类汇总，可以得到表2 1 。 表2 1 三电平空间矢量分类汇总 f i g u r e2 - lc i a s s i f i c a t i o ns u m m a 巧o f t h r e el e v e ls p a c ev e c t o r s 矢量类型空间矢量 大矢量 ( 1 1 1 ) ，( 1l 一1 ) ，( - 11 一1 ) ，( 111 ) ，( 一1 11 ) ，( 1 11 中矢量( 1o 1 ) ，( o 】1 ) ，( 110 ) ，( 1o1 ) ，( o 11 ) ，( 1 1o ) 正小矢量 ( 100 ) ，( 11o ) ，( ol0 ) ，( ol1 ) ，( oo1 ) ，( 1o1 ) 芦 小矢量 负小矢量 ( 0 1 一1 ) ，( 0 0 1 ) ，( 10 1 ) ，( - 10 0 ) ，( 1 - lo ) ，( 0 一l0 ) 零矢量 ( 111 ) ，( 0o0 ) ，( 1 1 1 ) 2 3 2 大扇区的判定 将6 个大矢量的末端连接起来，形成一个正六边形，从a 轴开始，每逆时针旋转6 0 。， 划分一个大扇区，在该坐标系中共划分6 个大扇区，如图2 5 所示。 卢 a a l a 。 虻 一 、v 矿v 图2 5 大扇区的划分 f i g u r e 2 - 5s e c t o rd i v i s i o n 西安理工大学硕士学位论文 参考矢量l 逆时针在a 一卢坐标系中旋转，其在坐标轴上的分量为吼和。 由正六边形空间矢量图可以看出： 若嚣三，且 ( 2 1 9 ) 则v r 处于第1 扇区； 其中砟= 醒+ 啡，由式( 2 - 1 9 ) 结合几何意义，可转化为： j ? o ( 2 _ 2 0 ) 气，一 二。u i 3 一 o 即若式( 2 2 0 ) 成立，则v r 处于第1 扇区； ， iu 。 0 同理，如果满足 二 ( 2 2 1 ) 【3 眈一 0 同理，如果满足 ； ( 2 2 2 ) 【3 u a + 己7 卢 o 则v r 处于第1 i i 扇区； iu 。 0 同理，如果满足 二 ( 2 2 3 ) h 3 一 o 则v r 处于第扇区； lu 。 o 同理，如果满足 二 ( 2 2 4 ) l 3 虬+ o 则v r 处于第v 扇区： lu 。 o 同理，如果满足 二 ( 2 2 5 ) 【3 虬+ o 则v r 处于第v i 扇区。 但是由于大扇区的划分主要是角度的判断，如果不采用和，而采用参考电压的 幅角p 进行大扇区的划分会更简单。 若0 9 6 0 。，则v r 处于第1 扇区。 若6 0 。 8 1 2 0 。，则v r 处于第1 i 扇区。 若1 2 0 。 p 1 8 0 。，则v r 处于第1 i i 扇区。 若1 8 0 。 口q 4 0 。，则v r 处于第扇区。 若2 4 0 。 p 3 0 0 。，则v r 处于第v 扇区。 1 2 咋 一3一：寥历了 人i 叁主! ! 竺! ! 竺! 竺三量望奎墨笪皇 - _ - ：- _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - l _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - 。一一一 若3 0 0 。 p 3 6 0 。，则v r 处于第v i 扇区。 2 3 3 小三角形的划分 。 将每个大扇区划分成6 个小三角形，以第一大扇区为例，如图2 - 3 所示。其中日为参 考矢量l 与a 轴的夹角，则眈= kc o s 口，= i s i n p 。 1 、小三角形l 和小三角形2 图2 6 第1 扇区中的小三角形l 和小三角形2 f i g u 佗2 6t r i 卸g l el 狮dt r i 锄g l e 2i ns e c t o r i 如图2 6 所示，作c 么上于点a ，只要l 伽i i l ，参考矢量k 就落在小三角形l 或 者小三角形2 中，从而得以下关系式【1 8 】： 细s ( 詈卅孚s i n 弓 将虬= kc o s 9 ，= ks i n p 带入式2 2 6 得： 珞也+ 半吃 小三角形1 与小三角形2 的区别在于p 的范围不同， 若虹也+ 孚 l o p u ( 2 - 3 1 ) 同理可以得出e f 边界条件为： 1 4 风+ 一挚 。 3 2 ) 由此得出参考矢量在小三角形3 中的条件为： 旭一吩华 j 旭+ 挚 o p 。 d f 边界条件在三角形3 中已经求过，此处的d f 边界条件为： 风山一孚 。 b f 边界条件为：o 口 3 0 。 由上述式子得出参考矢量在小三角形4 的条件为： 风+ 一等。 帆山一孚 。 0 p 3 0 。 ( 2 3 4 ) ， 麓 ( 2 3 5 ) a 。 ( 2 3 6 ) ( 2 ，3 7 ) ( 2 3 8 ) 1 5 墅塑墅三叁塑堂堡垒圭 4 、小三角形5 d 图2 9 第1 扇区中的小三角形5 f i g u r e2 - 9 秭a n g l e 5i ns e c t o r i 如图2 - 9 ，c 为参考矢量顶点。小矢量长度为誓，由几何关系可以得出小三角形g b f 各顶点蛎gc 警，孚邶c 导，警c 警，华) 。 直线g f 掘y = 誓 g f 边界条慨 等 b g 和b f 边界条件在前几个三角形中已经分析过，由此可得参考矢量在小三角形5 的 条件为： 5 、小三角形6 1 6 风+ 一孚吣。 等 3 0 。 口 6 0 。 o ( 2 3 9 ) 图2 一1 0 第1 扇区中的小三角形6 f i g u r e2 1 0t r i a n g l e 6i ns e c t o r i 如图2 - l o ，c 为参考矢量顶点。小矢量长度为孚，由几何关系可以得学小三角形h g f 基于s i m u i i n k 的三电平逆变器仿真 各项点坐标：h亟) ，g ( 丝， 36 h g 边界条件：3 0 。 9 6 0 。 h f 边界条件：风+ 一华 。 g f 边界徘咿誓 因此，参考矢量在小三角形6 中的条件为： 风+ 一华 。 咿譬玑 3 0 。 p 2 = e 睁 一 s c i l b 四b 1 2 。，、，l 一1 3 p c 站l 1 “1 。”j i ” 1 广k 32 。，、：i ， 8 lj l o k 。“”。、j “一“ 1 5 6 一半1 _ g n dv l：n f 。 图4 5r s 2 3 2 通信电路 f i g u r e4 5r s 2 3 2c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t 4 、c a n 通信电路 控制器局域网络( c o n t r o l l e r e an e 铆o r k ) 简称为c a n ，c a n 总线通信与一般的通信方 式相比具有更好的灵活性和可靠性，它不仅有自己的电气协议，还具有完整的通信协议， 具有比较出色的纠错能力，最初被应用于汽车电子方面，经过多年的发展，现被应用于多 种工业场合，已经发展为国际标准，并成为了国际上所应用最为广泛现场总线之一。 t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 中提供了两路c a n 总线接口，这里只用了其中一路。在电路上，只需 要将d s p 芯片中的发送引脚和接收引脚通过相应的c a n 收发器接入c a n 总线即可，常 用的c a n 收发器有5 v 和3 3 v 两种电平规格，t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 的i o 引脚电压为3 3 v ， 但是目前使用最多的c a n 总线电平为5 v ，因此，在设计中先通过a d u m l 2 0 l 将3 3 v 转 换为5 v ，然后再接入5 v 的c a n 收发器s n 6 5 h v d 2 5 l ，然后将c a n h 和c a n l 接入c a n 总线内即可，其电路图如图4 6 所示。 图4 6c a n 通信电路 f i 目盯e4 6c a n c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t 4 1 2f p g a 及其外围电路设计 e p 2 c 8 q 2 0 8 c 为a l t e r a 公司c y c l o n ei i 系列的一款f p g a ，具有8 2 5 6 个逻辑单元， 3 4 系统软硬件设计 1 6 5 8 8 8 b i t 的r a m ，1 8 个乘法器和2 个p l l ，1 8 2 个i o 口，资源配备十分丰富p 5 1 。 l 、f p g a 的电源电路 e p 2 c 8 q 2 0 8 c 的内核电压为1 2 v ，i o 电压为3 3 v ，我们提供的输入电压为5 v ，这里 采用线性稳压芯片l m l 0 8 5 3 3 提供3 3 v 供电，最大输出电流为3 a ，采用l m l l1 7 一1 2 提 供1 2 v 供电，最大输出电流为8 0 0 m a 。电源电路如图4 7 所示。 图4 - 7f p g a 电源电路 f i g u r e4 - 7f p g ap o w e rs u p p i yc i r c u i t 2 、f p g a 的配置芯片 f p g a 器件有主动配置方式( a s ) 、被动配置方式( p s ) 和j t a g 配置方式。 a s 模式的操作过程是由f p g a 器件引导的，它控制着芯片的初始化的过程以及外存储 区，整个过程是由a l t e r a 公司的串行配置器件配合完成的。在这种模式下，f p g a 器件为 主动器件，配置器件为被动器件。配置器件的数据从d a t a 0 引脚送入f p g a ，配置速度 与d c l k 有关，一个d c l k 周期内完成一位数据的发送。 p s 模式则由外部的配置器件来引导整个配置过程。在这种模式下，配置器件为主动器 件，f p g a 为被动器件。在p s 配置期间，配置器件的数据通过d a l a 0 引脚送入f p g a 。 配置数据在d c l k 上升沿锁存，一个d c l k 周期内完成一位数据的发送。 j 1 a g 模式不需要配置器件，把程序直接下载到f p ( 认中的s r a m 中，掉电后程序丢 失。该模式多用于来进行测试。 这里提供了a s 下载模式和j t a g 下载模式，其中a s 下载模式选用a l t e r a 公司的e p c s 4 作为f p g a 的串行f l a s h 配置芯片，其电路如图4 8 所示。 西安理工大学硕士学位论文 图4 8 串行配置芯片 f i g u r e4 8s e r i a lc o n f i g u r a t i o nc h i p 4 1 3 逆变桥电路设计 本实验采用低压器件搭建逆变桥，来对上述仿真进行验证，采用5 v 线性电源为直流 母线供电。 l 、器件的选择 开关器件选用i r 公司的i r f 5 4 0 a 型功率m o s f e t ，其最大开启时间为1 0 0 n s ，最大 关断时间为3 0 0 n s ，漏源击穿电压为1 0 0 v ，最大导通电流为1 a ，其主要参数如图4 9 所 不o s y m b o l c h a r a c t e r i s t l cv a i u e u n i t s v o s s d r a l n - l o s o u r c ev o i t a g e 1 0 0 v c o n t i n u o u sd r a i nc u r f e n t ( t c = 2 5 c ) 2 8 i o a c o n t i n u o u sd r a j nc u r r e n t ( t c = 10 0 )1 9 8 i o d f a i nc u r r e n t p u l s e d0 1 1 0a v g s g a t e t o s o u r