（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的三相逆变电源及基于fpga的动态波形校正的研究.pdf

堡矍一 一一一一 a b s t r a c t t h et o p i co ft h i sp a p e ri s r e s e a r c ho nt h ed s p b a s e dt h r e e p h a s ei n v e r t e ra n dt h e f p g a b a s e dd y n a m i cw a v e f o r mc o m p e n s a t i o n t h ed s p b a s e di n v e r t e ri sa3 - p h a s e i n v e r t e rc o n t r o l l e db yt h ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r t h i sp a p e rd e s i g n sa4 0 k v a i n v e r t e ru s e dt od r i v et h ev a r i a b l es p e e da i r 。c o n d i t i o n e ro na t r a i n t h es t a r ta n dt h es t o pm o d eo ft h ei n v e r t e r ，t h ev o l t a g er e g u l a t o ra n dt h e e l t o r d e t e c t i n g m e t h o db r ei n t r o d u c e d t h eh a r d w a r eo ft h ei n v e r t e r s y s t e m i sb a s e do nat i s d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r - - t m s 3 2 0 c 3 2 p c m 5 0 t h es p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v e w m ) t e c h n i q u ei su s e dt oc o n t r o lt h eo u t p u tv o l t a g eo f t h ei n v e r t e r t h ev o l t a g er e g u l a t o ri s d e s i g n e db ym e a n s o f t h ei d e n t t 0 0 la n dt h es i s o t o o lo f t h em a t l a b s i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t et h er e g u l a t o r t h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi s i j l u s t m t e da n de x p l a i n e dd e t a i l e d l y t h ei n v e r t e rs y s t e mi st e s t e di nq i n d a ov e h i c l e - s t u d y i n s t i t u t i o na n dt h eg o o dp e r f o r m a n c eo f i ti sv e r i f i e db yt h er e s u l t so f t h e e x p e r i m e n t s t h i sp a p e rp r o p o s e sa nf p g a b a s e dd y n a m i cw a v e f o r mc o m p e n s a t i o ns y s t e m t h e h a r d w a r ei sb a s e do nt h ea i t e m sf p g a f l e x l 0 k 2 0a n di t s c o n f i g u r a t i o n d e v i c e - - e p c 2 l c 2 0 t h es o f t w a r ei s d e v e l o p e d u n d e rt h ea l t e r a s d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n f m a x 十p l u s i ib ym e a n so fv h d la n dg r a p h i ct 0 0 1 s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t s v a l i d a t et h es y s t e m t h et h do f t h e o u t p u tv o l t a g ed r o p sf r o m1 6 t o9 o k e y w o r d s i n v e r t e r ，s p a c e v e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ，d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ，f p g a ，d y n a m i cw a v e f o r mc o m p e n s a t i o n i i 一壹壅堕至堕鲞盔堂堡主堂垡堡奎 - _ _ - - _ - _ _ _ _ _ - - _ - - 一一一。 图表目录 图1 1 ：变换器、空调控制拒、空调机组供电原理图2 图1 2 ：变频空调系统框图一2 图2 - 1 ：d s p 系统外设结构关系简图。6 图2 - 2 ：扩展存储器接口电路图7 图2 - 3 ：a d 转换接口电路图7 图2 - 4 ：数据i o 接口电路图8 图2 5 ：定时器电路图9 图2 - 6 ：逆变电源主电路简图一9 图2 7 ：电压、电流采样电路简图1 2 图2 - 8 ：隔离驱动电路图1 4 图3 1 ：逆变器模型图1 5 表3 1 ：三桥臂开关状态袭1 6 图3 - 2 ：电压空间矢量及开关向量图l 9 图3 3 ：i 扇区p w m 信号时序图。1 9 图3 - 4 ：i i 扇区p w m 信号时序图1 9 图3 - 5 ：空间矢量分布图1 9 图3 - 6 ：护为0 5 时谐波分析图。2 1 图3 7 ：护为5 。时谐波分析图一2 1 图3 8 ：复用空间矢量法时谐波分析图2 l 图3 - 9 ：开关频率3 6 0 h z 的5 h z 正弦波2 1 图3 一1 0 ：开关频率3 6 0 0 h z 的5 h z 正弦波2 l 图3 1 l ：滤波器幅频特性图a 2 2 图3 1 2 ：滤波器幅频特性图b 2 2 图4 ，l ：逆变器仿真模型图2 4 图4 2 ：s v p w md r i v e 模型图。2 5 图4 - 3 ：死区电路m a t l a b 模型图2 7 图4 4 ：理想开关时输出波形图2 7 图4 - 5 ：5 u s 死区时间时输出波形图2 7 图4 - 6 ：空载输出电压波形图2 7 图4 7 ：3 5 k v a 水泵输出电压波形图2 7 图4 耀：空载开环阶跃响应图一2 8 图4 - 9 ：空载闭环阶跃响应图2 8 图4 1 0 ：阻性负载开环阶跃响应图2 8 图4 - 1l ：阻性负载闭环阶跃响应图2 8 图4 1 2 ：调压器仿真结果图3 0 图4 1 3 ：卸载实验波形图3 0 表5 - 1 ：数字控制平台软件资源分配状况表3 3 表5 2 ：d s p 中断资源分配状况袁3 4 图5 - 1 ：电压调节器原理框图3 7 图5 2 ：4 0 k v a 变频电源图3 7 图5 - 3 ：基于d s p 的控制板图3 8 v 目录 一。 图5 4 ：起动电流波形圈3 8 图5 - 5 ：4 0 h z 电压波形图3 8 图5 - 6 ：5 0 h z 电压电流波形图3 8 表5 - 3 ：4 0 k v a 变频电源测试数据3 8 图5 7 ：4 0 k v a 变频电源控制程序主流程图一4 0 图5 - 8 ：t o 、t i 中断子程序流程图4 l 图5 - 9 ：a d ，故障中断子程序流程图4 2 图6 - 1 ：逆变桥各处输出电压波形图( 负载电流正向) 4 4 图6 2 ：动态波形校正原理图4 4 图6 - 3 ：校正电路框图4 6 表6 - 1 ：f l e x1 0 k 2 0 资源简表4 6 图6 4 ：校正功能框图4 7 图6 - 5 ：延时时间检测电路图4 7 图6 6 ：r a m 存取方式框图。4 9 图6 - 7 ：波形校正功能仿真结果图5 1 图6 - 8 ：波形校正前后输出波形比较图5 l 图6 9 ：校正前后控制p w m 与桥臂中点p w m 关系图5 2 v i 童室堕窒堕委查兰婴主堂堡迨奎一 第一章绪论 1 1 引言 空调器的发展从原来的开停式起动发展到现在的变频起动，调速方式也从原来的 分级调速发展到现在的变频调速。空调器运用变频调速技术后，压缩机的电机转速可 以连续调节，进而使空调器的制冷量得以控制。其主要优点在于温控精度高、节能效 果好、避免压缩机的频繁启动、延长压缩机使用寿命等。九十年代以来，国外许多新 开发的空调器大都采用了变频技术，这类变频空调器比常规的开停式空调平均节能 2 0 2 5 t 卜4 1 。 变频空调在民用领域的应用已达到了商业化程度，而且发展趋势较为迅猛，控制 技术也越来越实用化和高度集成化，这些均为变频空调在d c 6 0 0 v 供电列车上的应用 提供了条件。在电气化铁道中，列车d c 6 0 0 v 供电模式为：2 5 k v 网压经动车主变压 器降压，经二次侧辅助绕组输出7 9 0 v 电压，再经整流器整流得到6 0 0 v 直流电压， 然后分3 路：第l 路经直交直变流器得到控制电路用1 1 0 v 直流电压；第2 路经逆 变器变换得到各辅助电机用三相交流3 8 0 v ，5 0h z 电压：第3 路经变压器将3 8 0 v 电 压降到2 2 0 v ，供给单相电源用。d c 6 0 0 v 供电系统自运用以来，充分显示出其供电 模式的可靠性和技术、经济上的优越性。昆明电动车组，沪宁、京津内燃动车组和 2 0 0k m h 电动旅客列车也都采用了这种成功的供电模式。就供电模式而言，由机车向 旅客列车供电的d c 6 0 0 v 供电系统将随着电气化铁路的发展而得到普遍推广，但目前 该系统内的某些供电和用电设备还存在着较大的改进余地，如d c 6 0 0 v 怂c 3 8 0 v 变换 器、空调控制柜和空调机组等嘲1 4 】。 图1 - 1 为我国过去和现在部分铁道客车空调机组的供电原理图。 该系统变换器和空调系统的控制相互独立，具有便于区分具体故障点的优点，但 也存在以下缺点： ( 1 ) 整个系统的连线过多。由于变换器吊挂在车下，空调控制柜安装在车厢配电间内， 而空调机组安装在车顶上，电气线路过长，不仅会引起不必要的线路损耗，也使车辆 布线的工艺难度增大，同时增加了箱体重量。 ( 2 ) 空调系统的控制采用0 h 卜o f f 控制，与v v v f 控制方式相比，节能效果较差。 ( 3 ) 部件多，系统成本增加，可能发生故障的部位也多。 基于d s p 的三塑望銮皇塑墨茎三! ! 鱼垒塑塑查鎏翌堡垂塑竺塞一一一 图1 1 ：变换器、空调控制拒、空调机组供电原理图 图1 2 为当前一部分新型的和将来铁路客车变频空调系统简化示意图。 ， ， ， d 嘲蛳抟， 1 _ ，? i l ? - 一州? 奎4 蕾壁谴 - 二 - _ l 窟蕾c f ，i - 通风机电机i 1 孵簪7 d；耐。擘誓墨 1 幸心 甜j l ：戆矗= i i ； - - 纠，素讧蠢e 客室 控制器 f ? -。l二嗣。簪”j # 冷凝风机电机 舒适度 ，一，0 、。，? 矧獭 髻囊麟霪 压缩机电机 + ”， ：。霉羲鞴缪；誊：彰爹 i 。， ， 图1 2 ：变频空调系统框图 可以看出，变频空调系统由以下几部分构成： ( 1 1 中心控制器。这是整个变频系统控制的核心，由大规模集成化控制芯片和1 6 位以 上单片微处理器或相应的信号处理器构成。 ( 2 ) 变换器。是中心控制器的执行机构，中心控制器根据客室舒适度的要求分别向每 个变换器单元发出控制指令，由变换器内的微处理器控制相应电机的输出参数。 ( 3 ) 空调系统的运转电机。 ( 4 ) 传感器及其他辅助电路。 该系统有以下特点： ( 1 ) 系统控制的目标不仅仅为客室温度，还可以延伸到整个客室的舒适度： ( 2 ) 不存在o n o f f 控制系统中存在的电机突投问题，不仅使客室的参数保持稳定， 同时也使变换器的功率器件成本降低； ( 3 ) d c 6 0 0 v 电源直接输入到变换器内，变换器的输出直接供给电机，简化了中间控 制环节，减少了电气连线； ( 4 ) 相互联系的供电和空调系统可以以中心控制器为核心构成故障诊断和状态监控系 统，同时参与列车通讯： ( 5 ) 可快速制冷且节能效果好。 2 喜 一嚣 一 堕重塾至堕盔查兰堡主堂垡堡壅 一十d 一一 另外，变频器还具有如下优点： 1 、许多交流电动机为交流标准电动机，便于故障时替换，逆变器的输出电压能比较 方便的满足商业上通用的各种标准交流电动机。 2 、如果交流电动机直接接在电网上，其起动电流为额定电流的数倍，但采用变频器 时，大多数情况下可限制起动电流，这样对功率元件的要求降低，节约成本并且 提高系统的可靠性。另外，可以减少对电网的冲击和保护负载。 3 、变频器可以根据负载特性改变起动和调速方式，提商起动转矩，改善起动性能。 并且由于数字技术的发展，大部分的控制由软件来完成，使得控制策略的改变更 加方便。 4 、由于变频器不是经常工作在起停状态，可以节约能源，减少对电网的影响。 1 2 课题背景和研究目的 随着铁道电气化发展和旅行客车环境要求的提高，对铁道系统内供电设备的要求 也随之提高，除了购买国外公司的成品外，国内铁路设备生产厂家也在不断提高自己 产品的质量和性能。本课题中对为铁道客车空调机组供电的4 0 k v a 变频电源系统的 研究包括：采用基于数字信号处理器d s p 的控制平台、采用电压空间矢量控制、变 频调速和具有电压闭环调节等。 数字控制由于其控制理论与实施手段的不断完善，且因为其具有高度集成化控制 电路、精确的控制精度以及稳定的工作性能，如今已成为功率电子学的一个重要研究 方向，而且数字控制也是最终实现电源模块化、集成化、数字化、绿色化的有效手段。 d s p 的出现又为数字控制提供了一件利器，d s p 采用哈佛结构、流水线操作，即程 序、数据存储器彼此相互独立，在每一时钟周期中能完成取指、译码、读数据以及执 行指令等多个操作从而大大减少指令执行周期。另外。由于其特有的寄存器结构，功 能强大的寻址方式，灵活的指令系统及其强大的浮点运算能力，使得d s p 运算能力 较单片机有了较大地提高。正是由于其特殊的结构设计和超强的数据运算能力，使数 字信号处理中的一些理论和算法可以实时实现f 5 , l l 。 本系统变频电源属于电压型逆变器，需要解决的一个关键问题是如何根据给定的 参考量发出p w m 开关信号。s p w m ( 正弦脉宽调制) 和s v p w m ( 空间矢量脉宽调 制) 是两种电压型逆变器的控制算法。与s p w m 相比，s v p w m 直流电压利用率高， 损耗较小，便于数字化方案的实现，并且变频调压控制简便，因此得到了广泛的应用 1 5 - 2 2 1 , 但由于受一般微控制器运算能力的限制，常常要在实时实现速度与合成p w m 波形质量之间进行折衷，应用高速数字信号处理器，一定程度上解决了这个问题，使 得s v p w m 应用越加广泛。而且d s p 的高速、稳定的数据处理能力保障了系统的准 确性、实时性和灵活性，有效地提高了系统的综合效率。另外，硬件平台具有可扩展 性，具有良好的通用性。 基于d s p 的三相逆变电源及基于f p g a 的动态波形校正的研究 1 3 本文研究的主要内容 针对本课题研究内容，对三桥臂电压空间矢量控制策略进行了深入研究，完成了 控制方案的系统仿真；完成了4 0 k v a 变频电源系统的硬件设计和调试；对数字p i 调 节器设计进行了研究；完成了4 0 k v a 变频电源系统的全部控制程序的编写和调试； 现已将该电源原理样机和初步的工程样机系统调试成功，并通过青岛四方车辆研究所 的电气测试，系统工作稳定。另外，本课题中还对动态波形校正进行了分析和研究， 完成了基于f p g a 的动态波形校正电路和校正功能软件设计，并通过仿真和实验实现 了动态波形校正功能。 本文第二章阐述了整个的硬件设计，包括：1 、由d s p 和一些外围电路构成的控 制电路硬件设计；2 、逆变器主电路设计：3 、输入滤波电容、限流电阻、输出滤波 器设计；4 、故障保护采样电路设计，包括直流母线过压、过流、欠压保护，接地保 护，i g b t 过流保护等；5 、i g b t 驱动电路设计。 本文第三章包括：l 、电压空间矢量控制原理；2 、电压空间矢量脉宽调制实时实 现方法：3 、查表法及其改进方法一复用空间矢量法，并通过计算和实验验证了其可 行性及在定条件下的优越性。 本文第四章完成了s v p w m 控制逆变器数字电压调节器的设计，包括：1 、逆变 器m a t l a b 模型的建立和开环仿真及实验结果；2 、利用m a t l a b 提供的工具得出 模型开环传递函数，以动态调节性能良好及稳态精度较高为目的设计了电压调节器： 3 、进行了闭环仿真和实验，证明了调压器工作性能良好。 本文第五章详细论述了整个变频电源系统的软件设计，包括：l 、数字控制平台 的资源分配：2 、系统工作方式和整体控制流程：3 、d s p 产生开关控制波形、逆变器 输出电压频率与有效值调节、故障保护等功能模块软件流程；4 、给出了4 0 k v a 变频 电源系统测试结果。 本文第六章对逆变器动态波形校正方案进行研究 2 3 - 2 5 l ，并设计了基于f p g a ( f l e x l 0 k 2 0 ) 的动态波形校正的硬件平台，编写动态波形校正的v h d l 语言程序， 在a l t e r a 公司的m u x + p l u s i i 的开发平台上完成了动态波形校正方案的仿真此基 础上究成了动态波形校正硬件平台的调试，初步实现了动态波形校正功能，效果良好 f 2 4 2 卯。 一 壹塞堕窒堕丕查堂堡主量! 堡笙茎 第二章逆变电源系统的硬件构成 2 1引言 随着控制策略与控制实现手段的不断发展和完善，尤其是数字信号处理技术的飞 速发展，功率电子学的数字控制技术有了更广阔的发展空间。实践证明，采取数字控 制技术不仅是实现功率电源模块化、集成化、小型化的必然手段，同时还具有控制精 确、工作可靠稳定、损耗低、效率高等优点，因此是目前电力电子发展的一个主流方 向。 在变频电源功率变换器中，采用了高速d s p 芯片作为控制核心，根据数字控制 思想构建了通用的系统控制平台，全部控制功能均由软件实现，这样就构成了一个完 整的变频电源数字控制平台。此控制平台在硬件上具有通用性，不仅适合于4 0 k v a 变频电源，对于输出性能( 如输出电压、输出频率、输出电压t h d 等技术指标) 有不 同要求的变换器，只需对控制程序进行相应的修改即可。同样，变换器采取的控制方 案也不仅局限于电压空间矢量控制，开关点预置控制、可调压的s h e p w m ( s e l e c t e d h a r m o n i ce l i m i n a t i o np w m ，简称s h e p w m ) 控制、四桥臂空间矢量调制等控制方 案均能容易地通过修改控制程序实现。 2 2 基于d s p 数字控制平台硬件构成 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 是- f - j 涉及许多学科而又广泛应用于 许多领域的新兴学科，其涉及学科有：数学、网络理论、信号与系统、控制理论、通 信理论、人工智能、模式识别、神经网络等，可以说，数字信号处理是把许多经典的 理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。自从 1 9 7 8 年第一片d s p 芯片诞生以来，在近2 0 年时间里，随着现代科技技术的不断发展 以及市场需求的飞速发展，d s p 芯片技术得到了飞速的发展，其性能成几何级数地发 展。另外由于市场成熟发展其价格越来越低，性能价格比日益提高。d s p 芯片目前已 经在信号处理、通信、语音、图形图像、军事、自动控制、医疗以及数字技术产品 等许多领域得到广泛的应用。 2 2 1 数字信号处理器d s p 的概述 数字信号处理器系统具有如下优点：( 1 ) 接口方便。d s p 系统与其它以现代数字 技术为基础的系统或设备都是相互兼容的：( 2 ) 编程方便。d s p 系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级；( 3 ) 稳定性好。 d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高；( 4 ) 精度 高。一个简单的3 2 位数字系统可以达到1 0 _ 1 0 的精度：( 5 ) 可重复性好。模拟系统的 基于d s p 的三相逆变电源及基于f p g a 的动态波形校正的研究 _ _ 一 性能受元器件参数性能变化影响比较大。而数字系统基本不受影响，因此数字系统便 于测试、调试和大规模生产：( 6 ) 集成方便。d s p 系统中的数字部件有高度的规范性， 便于大规模集成。 t m s 3 2 0 系列d s p 芯片的基本结构特点包括：( 1 ) 哈佛结构；( 2 ) 流水线操作， 提高系统效率：( 3 ) 专用的硬件乘法器，可在一个指令周期内完成乘法运算，这对 于大多数算法而言具有重大意义； ( 4 ) 特殊的d s p 指令，针对常用算法共性特征， d s p 特有一些诸如数据移位、乘累加等特殊指令，提高计算速度；( 5 ) 快速的指令 周期，t m s 3 2 0 系列处理器的指令周期已经从第一代的2 0 0 n s 降低至现在的2 0 n s 以下。 这些特点使得t m s 3 2 0 系列d s p 芯片可以实现快速的d s p 运算，并使大部分运算( 例 如乘法) 能够在一个指令周期内完成。由于t m s 3 2 0 系列d s p 芯片是软件可编程器 件，因此具有通用微处理器具有的方便灵活的特点。 t m s 3 2 0 c 3 2 是一个功能强大的d s p 系统，为用户提供了一个真正的单片处理器。 在d s p 系统应用中，除了充分利用d s p 系统内部资源外，必须使用些外围设备， 以扩展系统功能，一般和d s p 结合使用的外设有r a m 、a d 转换器、定时器和数据 i o 端口( 见图2 - 1 ) 。下面将对基于d s p 的变频电源数字控制平台各个接口部分电路作 进一步阐述。 图2 - 1 ：d s p 系统外设结构关系简图 2 2 2 扩展存贮器接口 t m s 3 2 0 c 3 2 为了提高系统性能价格比，其内部仅有2 片2 5 6 x 3 2 b i t 的s r a m ( 静 态随机存储器) ，这远远不能满足系统工作需要，需要在外部扩展存贮空间。5 0 m h z 的c 3 2 处理器，其零等待程序存储器的读取时间应小于2 1 n s 。 本系统扩展了3 2 k x 3 2 b i t 的s r a m 和1 6 k x 8 b i t 的e p r o m ，用于存放数据和程序。 s r a m 采用2 片3 2 k x l 6 b i t 的c y 7 c 1 0 2 0 构成数据存贮器。c y 7 c 1 0 2 0 ( 3 2 k 1 6 b i t ) 的存取时间为1 5 n s ，可完全满足c 3 2 的速度要求( 对于5 0 m h z 主频的c 3 2 ，要求r a m 南京航空航天大学硕士学位论文 的零存取时间不超过2 1 n s ) ，与d s p 接e l 无需额外等待，提高了系统性能；由于c 3 2 的数据总线宽度为3 2 位，需要采用两片c y 7 c 1 0 2 0 。e p r o m 由于是存放程序的，其 数据的加载仅在每次开机或复位时进行一次，对存取时间要求不太高，可采用一片 1 6 k x s b i l 的2 7 5 1 2 ，其访问时闻为2 0 0 n s 。 j i 霹 一伞 禹e 南欧 = 乇釜= 釜： 三电 ： 一 _ 鼎辜蠢 、ib 簪 苎1 ，一 习；瓢陛 2 e j 厦鳓 “一 墓窖 ”= b 图2 2 ：扩展存储器接口电路图 2 2 3a d 转换接口 模数转换器a d c 是用来将输出三相电 压和输入直流电压转换成数字信号，以便 d s p 检测。本系统中a d 转换电路采用2 片a d 公司的a d l 6 7 4 ，它转换精度较高( 1 2 位数据线) ，转换速度较快( 1 0 u s 完成一 次转换，产生转换完成信号) 。两片a d l 6 7 4 的数据位分别与d s p 数据位的4 1 5 位和 2 0 3 l 位连接，电路如图2 3 ，由相同的片 选信号启动转换，转换完成信号b u s y n ( n ： l 、2 ) 经过或门电路与d s p 的一个外部中 断输入引脚连接，这样它们能够同时启动 转换，d s p 也能同时读取转换结果，既 简化了程序，又节省了时间。 2 2 4 数据i 0 接口 图2 - 3 ：a i d 转换接口电路图 数据的输入是通过两片7 4 l s 2 4 4 数据收发器从外部读入数据传到数据总线上： 数据的输出通过三片7 4 l s 3 7 3 数据锁存器从数据总线输出数据到外部端口。两片 7 4 l s 2 4 4 和片7 4 l s 3 7 3 共用一个片选信号( d i g i w l 8 2 0 0 1 0 h ) ，另外两片7 4 l s 3 7 3 分别有个片选信号( d i g i w h - 8 2 0 0 1 4 h ，1 n t f e n - 8 2 0 0 8 0 h ) 。将7 4 l s 3 7 3 的片选 一 兰王里望塑三塑望壅皇塑墨茔量! 里堂皇塑垫查垫兰丝垩堕塑至l 一 信号分开的原因是，数据输出口中有3 位是用来输出i g b t 驱动信号，6 位是用来输 出协议，具体分配见表5 - i ，i g b t 驱动信号输出在整个软件运行期间使用非常频繁， 丽输出协议的改变频率很低，如果用同一个片选信号不仅会增加软件长度和复杂度， 而且可能影响i g b t 驱动信号的准确性而影响输出波形。 图2 4 ：数据d o 接口电路图 2 2 5 可编程器件实现d s p 与外设的时序控制 如前所述，无论是内存、a d c ，还是数据输入，输出芯片，在与d s p 配合使用时， 都需对时序匹配、中断响应和逻辑控制进行设计，这里采用了两片i s p l s l l 0 1 6 完成 所有的逻辑控制功能。实践证明，采用这种可编程逻辑控制芯片可以完成大量的逻 辑控制功能，可以省去大量的译码器与小规模门电路，节省空间。整个d s p 数字系 统除了作为接口芯片用的驱动器7 4 l s 2 4 4 、2 4 5 、3 7 3 等逻辑器件与用来产生r e s e t 信号的施密特门电路7 4 l s l 4 外，c p u 主电路中基本上没有其它的小规模逻辑电路。 整个电路显得比较简洁，且可靠性也要高，便于逻辑功能的扩展与更改；同时， i s p l s i l 0 1 6 的逻辑控制设计软件成熟，使用方便。 2 2 6 定时器电路 虽然本系统所用的d s p 内部已有两个定时器，但鉴于本系统实时性很强，为简 化软件且避免些定时器冲突，需再增加一个定时器。8 2 c 5 4 因为其价格便宜、使用 方便，是许多工程中较常用的定时器。一片8 2 c 5 4 中含三个定时器，因为本系统中 某些场合需要定时较长，而使用的晶体振荡器的频率为5 0 m h z ，8 2 c 5 4 的周期计数 i 堕堕至堕盔奎堂堡主兰焦堡墨 一一 器数据长 频率作为 时器2 的 图2 - 5 ：定时器电路图 2 3 逆变电源主电路硬件设计 m h z 为定 逆变电源主电路如图2 - 6 ，v o c 为输入直流电压，控制电路和驱动电路控制三相 桥式逆变器上的功率器件按照一定规律开关，直流电逆变为线线之间互差1 2 0 。的三 相交流电，经输出低通滤波器滤除其中高次谐波分量，进一步改善波形质量，最后得 到三相三线制交流电输出。 v 图2 - 6 ：逆变电源主电路简图 2 3 1 直流滤波电容及其充电限流电阻设计 限流电阻的作用是限制输入直流接触器k l 吸合时电网对直流端输入电容充电的 电流，保护直流端输入电容。直流端滤波电容可以滤除直流电压纹波。本系统输入电 压情况如下： 输入电压：额定值d c 6 0 0 v ，最高值d c 6 6 0 v ，最低值d c 5 0 0 v 。 输入电压纹波：( 峰一谷值“) 小于额定电压值的1 5 。 ( 1 ) 直流滤波电容选择 由于直流电压的纹波较大，将影响逆变器输出电压的失真度，必须将其滤成平滑 9 一 苎王旦翌塑三塑望奎皇塑墨萎王! 旦旦垒塑垫查垫兰堇垦堕竺至l 一 的直流电压，这可以通过采用直流滤波电容来完成。从减小纹波的角度看，直流滤波 电容越大越好：而从减小体积重量看，电容越小越好，这需要综合考虑，在本系统中 取c = 9 4 0 0 u f ，电压等级为9 0 0 v 。 ( 2 ) 限流电阻的选择 由( 1 ) 可知，直流电压最大值可能6 6 0 v ，经推算后，取限流电阻的阻值为5 1 0 f f 2 ， 则最大瞬时功率为： ：芝6 6 0 28 5 4 r5 l o 最大瞬时电流为： ，：三：6 6 _ 3 0 ：1 2 9 a r5 l o 瞬时允许5 1 0 倍过载，所以电阻功率应大于8 6 w ，为减少电阻温升，本系统 最终选取电阻功率1 5 0 w 。 ( 3 ) 直流接触器k l 、k 2 采用沙而特宝公司的$ 2 9 5 - a e 0 一1 1 0 ，线圈电压1 i o v ； 输出交流接触器k 3 采用西门子公司的3 t f 4 9 4 4 ，线圈电压也为1 1 0 v 。 2 3 2 三相逆变桥设计 三相逆变桥的功能是将高压直流电逆变为三相三线交流电，它的器件选用、电路 设计、冷却结构和工艺等都需要精心设计，以保证系统具有高的可靠性、好的维修性 以及高效率。 在常用的全控开关电力电子器件中，双极型大功率晶体管( g t r ) 具有导通饱和 压降小、电压容量大等显著优点，因此被广泛应用于大功率变换电路中。但晶体管有 明显的缺点：电流驱动，驱动损耗大、开关速度低。尤其是存贮时间长，从而引起较 大的开关损耗，特别当开关频率很高时，开关损耗比较显著。功率场效应晶体管 ( m o s f e t ) 与双极型晶体管恰好相反，其开关速度快，开关损耗低，可以工作在较 高的工作频率；电压驱动，驱动损耗低；其导通电阻是正温度系数，易于并联。但是 它电流容量小，饱和压降比较大，且随着阻断电压的提高，导通电阻近似成正比上升。 绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 作为新发展起来的电力电子器件，它兼有g t r 和 m o s f e t 两种晶体管的优点，抛弃了两者的缺点。该器件的输入控制级为场效应管， 而输出级为双极型晶体管g t r ，故驱动功率小。它具在如下优点：1 ) 开关频率高， 因此脉宽调制时可以用较高的开关频率来削弱输出谐波分量，减小谐波损耗。而且随 着功率管工作开关频率的提高，输出电压中的谐波成分多为高频，这样就可以降低输 出滤波器电感和电容，可采取较小的滤波器，从而减小系统的体积重量，提高效率： 2 ) i g b t 作为电压控制自关断器件，输入阻抗高，栅级所需驱动功率很小，这样可以 简化功率管驱动电路和逆变器的结构，提高系统可靠性；3 ) i g b t 的饱和压降比m o s 器件压降小，且电流容量大，耐压高，安全工作区宽。 1 0 壹室堕至堕查盔兰堡主堂垡堡奎一 一一。 本系统的三相桥式逆变器中，需要用6 个主功率管。主功率管的工作开关频率为 3 6 0 0 h z ，功率管承受最大电压u 。= 6 6 0 v ，考虑2 倍的安全裕量，i g b t 的耐压为 1 5 x 6 6 0 = 9 9 0 vo 功率管流过电流瞬时最大值i 。= 黑i 1 5 = 1 2 9 a ，考虑2 倍的安全裕量，i g b t 的电流可取1 2 9 x 2 = 2 5 8 a 。综合以上计算，可选取型号为 b s m 3 0 0 g b l 2 0 d l c 的i g b t ，其电压、电流参数为：v c e s = 1 2 0 0 v ，i c = 3 0 0 a 。 2 3 3 输出滤波器设计 滤波器设计的基本要求如下：1 、在满足输出电压波形失真度要求的前提下，尽 量提高滤波器的谐振频率，以减小其体积和重量。2 、滤波电路应具有较低的输出阻 抗，以减小负载变化时对滤波器滤波效果的影响。3 、尽量低的损耗。 ( 1 ) 谐振频率选择 在理想开关条件下，采用电压空间矢量控制方案时，输出电压中所有偶数次谐波、 3 及3 的倍数次谐波都为零。5 、7 、1 1 、1 3 等低次谐波含量也很小，滤波器的谐振频 率可以取得较高。但c a 于实际系统中存在控制信号死区、信号传输延时、晶体管开关 时间以及功率器件参数不完全一致等因素，输出电压中含有一定的低次谐波，限制了 滤波器谐振频率的提高根据滤波甍求，滤波器谐振频率不能超过基频的五倍，并为 了避免对某次谐波过度放大，谐振频率不能取得靠近整数，设f i 为输出滤波器的谐振 频率，f o 为输出电压频率，可取输出滤波器的谐振频率f i = 4 5 岛= 2 2 5 h z 。 表2 1 ：滤波电感电容参数表 电感电容( x 6 ) j 项目参数项目 参数 铁芯规格 c f 1 9 3类型 c b b、 匝数 5 6 尺寸直径6 0 r a m ，高1 3 0 m m 一 _ _ 气隙 1 0 m m 参数4 0 u f ，6 5 0 v a c ( 2 ) 电感电容参数及材料的选择 滤波器谐振频率确定以后，l c 的乘积也就确定了，还需要选择电感和电容的具 体数值。当电感l 较大时，电感上电压降也就比较大，为了保证输出稳定在3 8 0 v ， 直流母线电压将相应升高，这就增大了功率管的电压应力。此外，当系统带有不平衡 负载时，流过电感的不对称电流所产生的压降将造成三相输出电压的中点偏移。从这 些方面考虑，电感取值要尽量小。但由于谐振频率一定，减小电感势必要增大电容， 过大的电容将大大增加电容的体积重量，增大功率管的电流负担，而且一定量的电感 也有助于限制过载或短路时输出电流上升率，对系统起保护作用。经综合考虑后，取 l = 7 6 0 p h ，c = 2 4 0 1 d ：。电感电容具体参数见表2 1 。 流过滤波电感的电流中含有丰富的高次谐波，其损耗比较大，在整个变换器损耗 l j 基于d s p 的三相逆变电源及基于f p g a 的动态波形校正的研究 一一 中占有相当大的比重。为了减小损耗，可以选用高频铁芯。铁基非晶铁芯具有较小的 高频损耗，较高的导磁率和饱和磁感应强度，与普通硅钢相比，更适合用作电感铁心 材料。滤波电容的选择应考虑到减小由于高频谐波电流所带来的损耗，电容的体积重 量也是需要考虑的因素，可以选用多个高压c b b 电容并联。 2 4 保护和驱动电路 2 4 1 采样、保护电路 为保障系统工作的安全可靠性，系统中设置有输入过流，直流母线电压过压、欠 压，输出过流和接地保护等保护环节。硬件部分保护方法如下，当采样电路采样到电 压或电流后与比较器的给定值进行比较，当超出预定范围即故障时，比较器的输出信 号将封锁i g b t ，并向d s p 提供一个故障中断信号。除了硬件保护外，软件上同样也 设置了保护功能，软件保护详见第五章。整个电源系统保护功能由硬件、软件共同实 现，使得系统故障保护更加可靠。 在采样电路中，通常采用小电容对采样信号进行消除尖峰和干扰，同时精心设置 故障保护上限值和恢复工作下限值两个动作参数。以输出电流过流保护为例，当检测 电流大于保护上限值时进入保护状态：当检测电流小于下限值时方才进行故障复位， 系统恢复工作。这种滞环比较方法可以有效地消除保护误动作，避免了系统在保护点 附近保护复位频繁动作。 ) f a l j f l 照 劲殴 图2 - 7 ：电压、电流采样电路简图 ( 1 ) 输入过流保护信号采样 为了防止直流母线电流过大造成功率管损坏，需要在输入端进行过流保护。当直 流母线电流峰值过大时，输入过流保护起作用，封锁全部功率管开关信号，以便可靠 的保护功率管，采样电路如图2 - 7 ( a ) 中所示。系统采用电流传感器模块l t 3 0 8 s 7 检 测直流母线电流，其检测电流额定值3 0 0 a ，转换率l ：2 0 0 0 。设计保护电流上限为 2 0 0 a ，对应测量电流为2 0 0 x 1 2 0 0 0 = 1 0 0 m a ，采样电阻r i 为4 0 欧，所以翻转电平为 南京航空航天大学硕士学位论文 4 0 0 1 0 = 4 0 伏；保护电流下限为1 8 0 a ，对应翻转电平为3 6 v 。 ( 2 ) 瞬时过流限制信号采样 当负载过重或输出端发生短路时，支路电流超过其额定值，瞬时过流限制互感器 敏感于每相桥臂输出电流，对每相桥臂两功率管进荦亍监控，当某相桥臂的电流超过最 大容许值时，瞬时过流限制互感器动作，封锁对应相桥臂两功率管，限制支路电流进 一步增长，起到保护该相功率管的作用。当支路