（电力电子与电力传动专业论文）基于fpga的多路spwm控制器的研究与设计.pdf

s u b j e c t ：r e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eo f t h em u l t i p h a s es p w mc o n t r o l l e r b a s e do nf p g a s p e c i a l t y ：p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e rd r i v e n a m e：h a il n i n s t r u c t o r ：w e il i a b s t r a c t ( s i g n a t u 心) 臣堕丝： ( s i g n a t u r e ) 1 “丝丝 t h es e r i e sc e l lt o p o l o g ys t r u c t u r eh a sb e e nb e c o m i n gam a i nr e s e a r c ht e n d e n c yi nt h e c u r r e n th i g hv o l t a g ef r e q u e n c yv a r i a b l ef i e l d a n ds ow er e s e a r c ha n dd e v e l o p e dam u l t i r o u t e s p w mc o n t r o l l e rf o r t h eh i g hv o l t a g ef r e q u e n c y - v a r i a b l em o t o rd r i v i n gs y s t e mt h a tb a s e do n t h es e r i e sc e l lt o p o l o g ys t r u c t u r e t h ec o n t r o l l e rf r o mt h es p w mm o d u l a t i n gt h e o r yi s a n a l y z e d ，a to n et i m e ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed e s i g n e di na r t i c l e f i n a l l y , t h ec o n t r o l l e r p a s tt h et e s t f i r s t l y , i ti si n t r o d u c e dt h a ti n c l u d e st h et e s tp l a t f o r m ss y s t e mc o m p o s i t i o n , m o d u l a t i n g m e t h o da n df a u l tc h e c km e t h o d t h et e s ts y s t e mp l a t f o r mi sap l a t f o r mo fs e r i e sc e l lh i g h v o l t a g e 仃e q u e n c yv a r i a b l es y s t e mt o p o l o g ys t r u c t u r e b ya n a l y z i n gs e v e r a lm o d u l a t i n g m e t h o da n dc o m p a r i n gt h e i ra d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g s ，t h ec o n t r o l l e ra d o p t st h ec a r r i e r l e v e lp h a s e - s h i f tm o d u l a t i n gm e t h o da tl a s t , a n da n a l y z e dt h es p w m p u l s ew i d t hc o m p u t i n g m e t h o dt h e o r e t i c a l l y a l s oi n t r o d u c e dt h es y s t e m se x i s t i n gf a u l t sk i n d s s e c o n d l y , t h ec o n t r o l l e r sh a r d w a r ec i r c u i tt a k e st h ef p g aa s i t sc o n t r o lk e r n e li s d e s i g n e d , w h i c hs e p a r a t e l yi sh a r d w a r ec i r c u i tw i t l lp u l s ee x p a n db o a r da n di n t e r f a c e t h e f o r m e rp a r ti n c l u d e sd e s i g no ff p g aa n dc p l dc h i pc i r c u i te t c ；l a t t e rp a r ti n c l u d e sc p l d d e s i g no ff i b e ri n t e r f a c e ，f a u l td e t e r m i n a n tc i r c u i td e s i g na n df i b e rt r a n s m i s s i o n t h i r d l y , t h es y s t e m ss o f t w a r ei sd e s i g n e d o nt h eb a s i so fh a r d w a r ed e s i g n , t h e c o n t r o l l e ra d o p t st h ev h d ll a n g u a g et op r o g r a mt h ef p g aa n dc p l d ，a n dr e a l i z e dt h e f o l l o w i n gf u n c t i o n s ：i tc a nb ep r o g r a m m e dt or e c e i v et h es p w mp u l s ew i d t hd a t af r o mt h e c e n t e rd s pb o a r d ，a n dp r o d u c et h es p w mp u l s e d i s t r i b u t et h ep r o d u c e ds p w mp u l s e st o e v e r yp o w e rc e l lb yo p t i c a lf i b e r s a m p l ea n dc o l l e c tf a u l ts i g n a l sf r o me v e r yp o w e r c e l l e n c o d et h ef a u l ts i g n a la n ds e n di tt oc e n t e rc o n t r o lb o a r d f i n a l l y , t e s t e dt h ec o n t r o l l e ro nt h e6 k v 2 2 k wt e s t i n gp l a t f o r m ，b ya n a l y z i n gt h et e s t i n g w a v e sg e tt h er e s u l t st h a tu s i n gt h i sc o n t r o l l e ri ns e r i e sc e l lf r e q u e n c yv a r i a b l es p e e da d j u s t i n g s y s t e mc a np r o d u c et h ec o r r e c t e dm u l t i - r o u t e ss p w mp u l s e s ，a n di tc a nc h e c kt h ef a u l t r e l i a b l y , a n dt h es y s t e mr u n ss t a b l y , a n dm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：s e r i e sc e l lf p g am u l t i r o u t es p w mf a u l t t h e s i s 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 。 学位论文作者签名：铺匆防日期：j 蜡牛1 5 f 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，i l p ：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名溻咯指导教师签名：纬万 7 矽q 占年多月侈日 1 绪论 1 绪论 1 1 本课题的研究背景 近年来，随着地球资源的逐步枯竭，人们越来越重视对能源的节约。据统计，在中 国有6 2 左右的电能被电动机所消耗。在这些电动机中，大部分为异步电机。因此， 异步电机的合理应用是节能的关键环节之一。 目前异步电机节能的一个主要手段就是使用变频器驱动，通过调节电机的转速来适 应不同的工况，达到节约能源的目的。在高压大功率调速领域，早期大都采用电动机定 速运行，工艺场合则通过机械阀门调节方式来满足现场的需要。自2 0 世纪末采用全控 型电力电子器件的高压大功率交流调速产品诞生后，大功率传动领域巨大的节能需求得 到了释放。高压大功率交流变频产品自诞生之日起就立即得到了社会各界的重视【l 】。 1 2 国内外变频调速技术发展现状 2 0 世纪7 0 年代高压交流变频调速技术才取得一定的发展，1 9 8 2 年日本富士电机公 司成功的研制出第一台4 0 0 0 k w 轧机交交变频同步电动机传动系统。但这类电动机均以 晶闸管为开关器件，具有功率因数低、输出频率低、输入输出谐波高等一系列不足之处， 所以市场影响不大。高压变频的真正春天应当是2 0 世纪9 0 年代基于i g b t 的功率单元 串联式多电平高压变频技术的研制开始的，经过十几年的发展，单元串联式高压变频产 品已成功应用于高压交流电动机传动的领域。 我国对交流变频调速技术的应用和研究较晚，值得自豪的是，我国基于i g b t 的单 元串联式高压变频调速技术的研究是与世界同步进行的。近年来，国产高压变频调速产 品的技术性能也有大幅提升。例如，用于提升机的矢量控制高压变频器、用于交流牵引 机车的直接转矩控制高压变频器均已成功应用。这些在实际生产中成功应用的实例证明 了单元串联式高压变频调速技术已成为国内应用最多最好的技术方案。以6 k v 高压变 频器试验系统为例，单元串联变频器采用若干个独立的低压功率单元串联的方式来实现 高压输出，电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电。功率单元 为三相输入，单相输出的交一直一交s p w m 电压源型逆变器结构，将相邻功率单元的 输出端串接起来，形成星型联结结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机 1 2 】。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。每相由6 个功率单元串联，三相共 1 8 个功率单元，形成y 联结结构，其电路拓扑结构如图1 1 所示。 西安科技大学硕士学位论文 n 图1 1 功率单元串联式多电平的主电路拓扑结构 单元串联多电平逆变器具有以下优点： ( 1 ) 每个功率单元结构相同，给模块化设计和制造带来方便，装配简单，系统可 靠性高，易于维护。某个功率单元出现故障时，同时把其它两相与该单元相对应的单元 同时旁路掉，剩余功率单元采用降额运行方式继续工作，提高了可靠性。 ( 2 ) 单元串联多电平结构可实现的多电平输出。对于二极管或飞跨电容型结构， 由于受钳位二极管或钳位电容数目大以及控制复杂程度的限制，一般仅限于七或九电平 以内。单元串联多电平结构无此限制，故可输出更多的电平数与更高的电压等级，而不 会增加主电路拓扑结构和控制的复杂性，d u d t 小，当每个交流电源分别通过三相不可 控整流桥进行整流时，整流侧通过移相变压器实现多重化叠加整流，提高了输入侧的功 率因数，减小了电网侧电流谐波。 ( 3 ) 单元串联多电平逆变器采用低压功率器件，以功率单元串联而非功率器件直 接串联，容易实现获得高电压、大容量，避免了传统变频器依靠高压大功率开关管直接 串、并联所带来的均压、均流等一系列问题，具有较强的实用性。 ( 4 ) 随着串联的功率单元数目的增加，其控制方法不需作大的改变，控制简单可 靠。而其它的多电平拓扑结构。例如二极管筘位型，随着电平数目的增加，存在电容电 2 1 绪论 压平衡问题。 单元串联多电平逆变器的缺点在于： ( 1 ) 需要很多分离的直流电压源，系统结构复杂。 ( 2 ) 每个h 桥都为单相控制，电解电容在任意时刻都有电流通过，因此需要用较 大容量的电解电容，成本较高。由于采用不可控整流桥，能量只能单向流动而不能回馈， 逆变器无法四象限运行。 1 3 变频调速系统的控制方式 早期的变频调速系统一般采用p a m 方式，即脉冲幅值调制，调频调压分开；现在 采用p w m 方式，调频同时调压。目前已经提出并得到应用的p w m 控制方案不少于1 0 种，等脉宽p w m 法因为谐波分量较大而趋于淘汰，现在方兴未艾的是正弦波脉宽调制 s p w m ，它包括电压s p w m 、磁通s p w m ( 空间电压矢量s v p w m ) 和电流s p w m 。 电压s p w m 最大缺点是电压利用率低( 输出电压有效值只为进线电压的0 8 6 4 倍) ；通 常采用过调制方法克服，这使在高压时消除谐波的目的没有达到；磁通s p w m 即 s v p w m 具有转矩脉动小、噪声低，电压利用率高( 输出电压提高1 5 ) 和谐波电流有 效值的总和接近优化( 最少) 的优点，因此得到广泛应用。电流正弦p w m 技术可以满 足电机控制良好的动态响应，在极低转速下亦能平稳运转。除此之外还有优化p w m 技 术和随机p w m 技术，主要着眼点都是在不提高开关频率的前提下消除谐波，抑制转矩 脉动和噪声。这两种方法可进一步消除波形死区畸变【3 】。 s p w m 控制方式是按照一定的规律对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端 得到一系列幅值相等而宽度不相等的矩形脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波 形，这样通过改变脉冲的不同宽度可以控制逆变器输出电流基波电压的幅值，通过改变 调制周期可以控制其输出频率，从而实现变压和变频。 目前广泛采用的s p w m 正弦脉宽调制技术，虽然大大抑制了低次谐波，降低了电 动机的脉动转矩，扩展了电动机低速下平稳运行的范围，但在这种调制方式中，逆变器 的输出电压波形中含有相当高的由于调制而引起的高次谐波分量，特别是在输出电压较 低时，情况尤为严重，其幅值往往可达到与基波相近的程度。电动机在这种供电状况下 是极不理想的【训。由于这些高次谐波的存在，定、转子会由于集肤效应使电阻增大，致 使定转子铜耗增大，这对于双鼠笼及深槽式转子电机影响尤为严重。同时，高次谐波还 会使铁耗及杂散损耗大大增加，最终降低电机的运行效率。最后，由于高次谐波的存在， 还会产生电磁振动和噪声。 为了解决上述问题，许多研究人员采用各种方法来降低谐波的含量，对s p w m 波 形进行优化。其实所有的p w m 技术的不同之处全在于谐波控制的不同，本文正是基于 上述缺点，提出一种矢量旋转法实现的s p w m 调制方法，以提高单元串联型高压变频 3 西安科技大学硕士学位论文 器的输出波形质量，提高系统动态响应能力，增强系统运行的可靠性和稳定性。 除此之外，为了解决单元串联型高压变频器的s p w m 波形多路输出的需要，人们 提出了多路载波移相s p w m 技术。它是一种优秀的开关调制策略，是多电平技术与 s p w m 调制的最佳组合，多电平的特点是扩容方便；但当采用纯方波逆变器级联时调压 很难，而正弦脉宽调制s p w m 法调压很方便，但扩容很困难。所以两者联合应用可以 使调压和扩容都很方便。如果逆变器输出采用多电平载波移相式s p w m 技术，同一相 的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，而串联的各单元的载波之间互相错开一定 的角度，实现多电平s p w m 输出，电压非常接近正弦波。在每个功率单元只承受直流 母线电压大小，d i d t 很小，使得电动机绝缘不会受到影响。功率单元采用较低的开关频 率，以降低开关损耗，且可以不用浪涌吸收电路，提高变频器效率。由于采用多电平移 相式s p w m ，等效输出开关频率很高，且输出电平数增加，可大大改善输出波形，降低 输出谐波，谐波引起的电动机发热、噪声和转动脉动也都大大降低【5 1 。 1 4 本论文的研究内容 本论文围绕着基于实验的单元串联高压变频器系统，通过对多路s p w m 控制器的 调制方法一矢量旋转法的分析、推理，从软件和硬件二者相结合的方式对多路s p w m 的产生、分配进行了验证，力求从理论和实验不同角度对系统构成进行阐述。本文共分 为六章，主要内容包括： 第l 章介绍了本课题的研究背景和国内外现状。 第2 章从理论上对几种调制方法进行分析，对比他们优缺点。最终，结合载波水 平移相s p w m 调制和规则采样法的优点，提出本系统所采用的矢量旋转法，从理论上 分析了本方法对s p w m 脉冲宽度的计算过程，同时给出了系统故障的分类。 第3 章设计基于f p g a 的多路s p w m 控制器的硬件电路。主要包括脉冲扩展板的 硬件电路设计，对于本控制器的一些外围电路的设计思想及原理也作了理论分析和说 明。 第4 章通过介绍v h d l 语言给出了s p w m 脉宽计算的编程方法和f p g a 片选电路 编程思想。基于c p l d 产生单路和多路s p w m 脉冲的软件实现方法以及故障的查询和 处理的编程思路。 第5 章通过对系统调试和实验，分别得出3 k v 和6 k v 相、线电压输出波形。最后 通过对本课题进行6 k v 2 2 k w 试验系统的空载实验，验证本课题的有效性和实用性。 第6 章结论与后续有待研究的方面。 4 2 多路s p w m 设计的理论分析及故障诊断 2 多路s p w m 设计的理论分析及故障诊断 本章主要介绍高压变频器功率单元、s p w m 产生机理及调制方法等，在分析s p w m 的产生及分类的基础上，将规则采样法和s p w m 载波水平移相的原理融合，提出本系 统所采用的矢量旋转法，并给出本课题中涉及到的故障。 2 1 引言 本试验系统是6 k v 2 2 k w 高压变频器，其主电路拓扑结构如图1 1 所示，每相由6 个功率单元串联，三相共1 8 个功率单元，形成y 联结结构，每个功率单元的额定电压 为5 8 0 v ，相邻功率单元的输出串联起来，使得变频器的额定相电压为3 4 8 0 v ，线电压 为6 0 0 0 v ，每个功率单元承受全部的输出电流，但只提供1 6 的相电压和1 1 8 的输出功 率。功率单元( 如图2 5 ) 为三相输入、单相输出的交一直一交p w m 电压型逆变器结 构，每个功率单元由一体化的移相变压器的副边线圈分别供电。为了减少对电网的谐波 污染，移相变压器实行多重化设计，1 8 套副边绕组，采用延边三角形联结，分为6 个不 同的相位组，互差1 0 0 电角度，形成3 6 脉动的六重化二极管整流电路结构。每相由6 个功率单元串联叠加，共产生1 3 种电平既0 、士u 、士2 u 、士3 u 、+ 4 u 、+ 5 u 、- t - 6 u ，对 应的线电压则有2 5 种电平，使得该变频器的输出电压波形非常接近正弦波。 2 2 功率单元简介 功率单元的主电路拓扑如图2 1 所示，从图上可以看出基本单元是由开关器件，电 容和电阻三部分组成。开关器件可选用i g b t 与功率二极管反并联的模块。这种模块将 两个i g b t 以及反并联的功率二极管集成在一起，使用方便。也可选用内部集成触发电 路和保护电路的i p m 模块。具体的型号根据实际工作的电压、电流情况进行选择【6 1 。本 实验系统的功率单元除主回路外还包括电压变换单元、开关电源、检测板、光纤接口板 及驱动板等几部分。电压变换单元主要完成以下功能：其一，将进线电压a c 5 8 0 v 变为 a c 2 2 0 v ，作为开关电源供电；其二，将三相a c 5 8 0 v 电压变为三相四线的a c 2 2 0 v ， 供检测板作为缺相检测；其三，预充电控制。当主回路a c 5 8 0 v 电源一上电，由于c l 、 c 2 、c 3 的电压不能突变，使得功率单元直流母线在得电瞬间相当于短路。为了防止此 种现象，在电路中增加充电电阻，主回路得电初期，电阻r 投入运行，主回路供电后， 电压变换环节在一段时间后，即c 1 、c 2 、c 3 上充电完毕后，控制k m 接触器使得电阻 r 短路。电压检测板检测直流母线电压，并形成过压、弱过压、欠压信号；缺相检测的 目的是检测缺相故障；过温检测的目的是检测每个单元温度状况，超过一定值时过温保 护动作。驱动板是用来接收光纤接口板送来的驱动信号并驱动i g b t ，同时反馈回故障 5 西安科技大学硕士学位论文 信号；光纤接口板通过3 根光纤和脉冲扩展板进行光纤通信，共有两个作用分别为( 1 ) 接收来自脉冲扩展板的s p w m 信号，传递给驱动板，以驱动i g b t ；( 2 ) 接收来自电压 检测板、缺相检测、过温检测及驱动板的故障信号，同时通过光纤的输入和输出信息检 测通信故障，通过编码显示出a 桥臂故障、b 桥臂故障、过压、弱过压、欠压、缺相、 过热等9 种故障信息。开关电源给检测板和光纤接口板提供+ 1 5 v 和+ 5 v 两种电源。 r 光纤 a b 图2 1 功率单元主电路及其框图 2 2 1 功率单元工作原理 每个功率单元均由移相变压器的副边绕组供电。副边绕组输出的三相交流电压经过 二极管不可控整流桥得到脉动的直流电压，再经过电容滤波环节，便看作是一个恒定的 直流电压源。功率单元的交流输出环节( h 桥) 中，每两个i g b t 及其反并联二极管串 联构成一个桥臂，两个桥臂并联后联结到直流母线上。左右两个桥臂的中点作为功率单 元的交流输出端。 ( 1 ) 整流部分 随着整流装置功率的加大，它所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随之加大。 为减小整流装置对电网的污染，可采用多重化整流电路。单元串联多电平高压变频器采 用的是移相串联多重联结，通常采用二极管不可控整流电路。作为一般规律，以m 个相 位依次相差耐3 肌的变压器绕组分别供电给m 个三相整流桥就可以获得6 m 脉波整流电 6 2 多路s p w m 设计的理论分析及故障诊断 路，其网侧电流仅含有6 m k _ - l 1 次谐波，而且各次谐波电流的有效值与其谐波次数成反比， 而与基波电流有效值的比值是谐波次数的倒数。虽然采用多重化联结的方法并不能提高 位移因数，但可以使输入电流谐波大幅减少，从而也可以在一定程度上提高功率因数【7 】。 对于二极管不可控整流电路而言，位移因数大于0 9 6 6 ，所以采用多重化( 1 8 脉波以上) 的二极管整流电路，总的输入功率因数基本上可以保持在o 9 5 以上。 ( 2 ) 功率单元逆变部分 功率单元输出电压与四个开关管v a + - - - v b 的通断状态有关。为了防止直流母线发 生短路，同一桥臂的上下两个i g b t 不能同时导通，每个单元中有4 种不同的开关组合， 因而来自控制系统的i g b t 驱动信号中，v a l + 和v b + 触发信号反相，即v a + 和v b 一同时 导通，则输出正的直流母线电压+ u 。v a - 和v b 一触发信号反相，即v b + 和v a 一同时导通， 则输出负的直流母线电压- u ；v a + 和v b 一同时导通或v _ a 一和v b 一同时导通，输出电 压为o 。这样h 桥中的四个i g b t 共有四种有效开通组合状态，见表2 1 所示，这样每 个功率单元最多有三种不同电平的输出电压，最p + e d ，0 ，e d 。 表2 1 逆变单元输出电压与四个i g b t 开关状态关系 移相变压器副边输出的5 8 0 v 三相交流电经功率单元的三相二极管整流桥整流后， 由滤波电容c 1 、c 2 、c 3 形成平直的直流电源，再经由4 只i g b t 构成h 型单相逆变桥， 实行单极性p w m 调制，在其输出端形成电压在7 8 0 v 以下可变，基频在5 0 h z 6 0 h z ( 此 频率可根据电机的额定频率调整) 以下可调的s p w m 波。 2 3 多路s p w m 产生机理的分配 所谓s p w m ( 正弦脉宽调制) 波形，就是把一个正弦半波波形分成n 等份( 如图 2 2 所示) ，把正弦半波看成由n 个彼此相连的脉冲组成的波形。这些脉冲宽度相等，都 等于7 c n ；但幅值不等，然后把每一等份的半波曲线与横轴所包围的面积都用一个与此 面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与半波每一等份的中 点相重合。这样，由万个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与半波的半周等效，同 样，正弦波的负半轴也可以用相同的方法与一系列负脉冲波等效，这样的波形称作 s p w m 波形1 8 】o 7 西安科技大学硕士学位论文 暑暑i 暑叠暑暑宣i 暑i 暑宣i 暑皇i 暑置宣昌葺暑昌暑宣i 葺宣宣宣i i 暑i 暑萱宣i 宣j i 。iii i- i 盲宣暑宣i 置宣i i i i 暑i 葺i 宣昌暑薯 i iii i ujl iiili 上 j j 【上 _ l 0t o t 图2 2 与正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波 如图2 3 所示，逆变器输出电压砜的反馈电压u ，与基准电压u 。，f 比较放大后得到 误差电压。将坼送到s p w m 发生电路( 用正弦波与三角波即载波进行比较，在正弦 波大于三角波的部分，开关管v a i + 和v b 导通，产生出二阶s p w m 波形中的正脉冲；小 于部分，开关管v b + 和v a - 导通，产生出二阶s p w m 波形中的负脉冲，同一时刻两个开 关器件一个闭合另一个开启，以便为负载提供连续的电压、电流通路) 控制正弦波幅值。 功率单元中功率器件的开关频率与载波频率相同，正弦波脉宽调制s p w m 是利用三角 波与正弦波的交点作为逆变器的开关控制【9 】。 r 一一一一一一一。一一一一一一一一一一一一一一一一一一一： 图2 3s p w m 电路原理框图 2 3 1s p w m 分类 s p w m 的调制方式分两种：单极性和双极性调制。下面分别介绍： ( 1 ) 单极式s p w m 所谓单极性是指在输出的半个周期内同一组的两个桥臂仅一个反复通断，而另一个 8 2 多路s p w m 设计的理论分析及故障诊断 始终截止。单极性调制只适用于全桥电路，不适用于半桥电路，调制波和载波的交点， 决定了s p w m 脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔。 单极性调制的基本原理如图2 4 所示。电压比较器反向输入端加入的三角波调制电 压与同极性的参考电压比较，当a 相的信号波瞬时值u ， “。时，相应的开关器件( 例 如、r a + ) 导通，输出正的脉冲电压；而当u ， 甜。时，v a + 关断，输出电压为零。在甜，的 负半周中亦可用类似的方法控制下桥臂输出负的脉冲列。 入八 l j 吣 - l i t - i p l 一 协p u v t 7 3p 冬 乡 妁 仞 p雨 i i 一 一 i 。 i f i 一 倒 、 。 一 、 、 图2 4 单极性控制方式 ( 2 ) 双极式s p w m 单极性p w m 控制方式在调制波的半个周期内载波只在正极性或负极性的一种范围 内变化，得到的p w m 波形也只在单个极性范围变化的控制方法称为单极性控制方式。 u 图2 5 双极性控制方式 9 西安科技大学硕士学位论文 而双极性控制方式在半个周期内载波在两个极性范围内变化，得到s p w m 波形也 在两个极性范围内变化。 单极式s p w m 波在半周内的脉冲电压只在正和零( 或负和零) 电平之间变化，主电路 每相只有一个开关器件反复通断，因此，元件的利用率不高，且正负信号交替的控制有 一定的复杂性，故三相逆变器中已很少用单极式s p w m ，而用双极式s p w m 来代替。 双极式s p w m 形成原理如图2 5 所示，图中当a 相材， u ，时，v a + 关断，而v b - 导通，则u 加= 圳，2 。 2 3 2s p w m 的生成方法 按照s p w m 整流电路的基本原理和控制方法，可以用模拟电路构成三角波载波和 正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对功率开关器件进行控 制，就可以生成s p w m 波形。但这种模拟电路结构复杂，难以实现精度高的控制。但 它的原理是其他控制方法的基础。数字控制是s p w m 目前常用的控制方法。可以采用 微机存储预先计算好的数据表，控制时根据指令调出，或通过软件实时的生成s p w m 波形，也可以采用大规模集成电路专用芯片产生s p w m 信号。 ( 1 ) 自然采样法 自然采样法通过三角载波和正弦调制波的交点来确定开关切换点，它的采样点和开 关切换点重合，采样点不能预先确定如图2 6 所示。 图2 6 生成s p w m 波形的自然采样法 它是将基准正弦波与一个三角载波相比较，由两者的交点决定出逆变器开关模式的 1 0 2 多路s p w m 设计的理论分析及故障诊断 方法。在以前的数字化实现过程中，由于受微控制器能力的限制，它有严重缺陷：脉宽 计算公式是超越方程，只能通过数值迭代求解，实时控制较困难，不符合全数字控制要 求近年来随着采用并行工作方式的大规模可编程逻辑器件( 如f p g a 、c p l d ) 的出 现，已经发展出数字化自然采样的方法，例如采用查表的形式进行计算。 下面是自然采样法的计算公式： t o f f = 了l s ( 1 一ms i n t o t l ) t o g 。= 等( 1 一m s i n o t 2 ) ( 2 1 ) t o n 。= i 1 s ( 1 + m s i n 颤o t 2 ) 乙= 等( 1 + m s i n a l t l ) ( 2 2 ) t p = 乙+ 。：吾i1 + 等( s i n 姚+ s i n c o t ：) i ( 2 3 ) -l j 其中m = 鲁是调制比， u 为正弦波幅值，u 为三角波幅值，瓦为三角波周期；互为 u ， 正弦波周期；纪一脉宽；，1 、乃一时间间隙。 m ( o u t p 时，光敏二极管导通，使缺相( q x ) 输出低电平 3 硬件设计与实现 i_ i i 宣罩宣暑宣i ；暑宣暑置置暑暑j 宣萱i i i 葺i 暑暑i 一 有效。采用相同的判定方法，过压( o v e r ) 输出信号为高电平有效，欠压( u n c o v e r ) 输出信号为高电平有效，弱过压( l o v e r ) 输出信号为低电平有效，过热( g r ) 输出 信号为高电平有效，其工作原理分析完全一样，电路主体结构也一致，所以，对于其他 故障的判定方法这里就不再赘述。 3 3 3 光纤传输 c p l d 输出的s p w m 要经过驱动单元进行功率放大，才能用于开关器件的控制。功 率单元与主控系统之间同时存在强电和弱电，使得主控系统与功率单元之间，以及开关 单元之间容易产生相互干扰，严重影响了高压变频器的安全可靠运行。因此驱动单元应 具有很高的抗干扰能力以防误触发【2 3 1 。传统的解决方法是采用变压器的电磁隔离和屏蔽 电缆技术。但是，信号线与开关器件之间的最短距离要求，以及良好的接地要求，不仅 使系统变得庞大也增加了系统成本。为解决这个问题，本系统采用光纤收发器件实现开 关器件驱动信号的传输，不仅解决了强弱电之间的隔离问题和信号的精确传送，而且缩 小了系统体积，降低了系统成本。典型光纤是由玻璃或塑料制成，所以光纤连接的发送 器与接收器之间没有直接的电连接。这有助于减轻环路噪声的问题，并且可隔离各种电 压，以防相互干扰。 光纤的另一特点是不产生附加辐射，对电磁干扰( e m i ) 不敏感，这将防止光纤干 扰临近的导线，并防止临近导线的感应或耦合噪声干扰，在此使用的光纤连接主要用于 脉冲s p w m 信号的传送，并将高压信号和驱动信号隔离开来，同时实现远距离的准确 传送。系统采用的光纤为传输媒介，采用分立光发送器和光接收器来实现远距离传送 s p w m 脉冲信号的，其基本工作原理很简单，如图3 9 所示。即发光二极管发送器发出 的耦合s p w m 信号进入光纤，沿着光纤到光检测器，然后由检测器将光信号转换为输 出电信号，从而完成信号的传输过程。 ( 1 ) 光纤连接设计 h f b r l 5 2 1 2 5 2 1 是标准8 管脚d p i 封装结构，可水平或垂直安装，拥有单向锁存、 双向锁存连接器。通用光纤收发器件是自动可插入式的。在设计电路时，可将发送器和 接收器放在一起，构成双光通路，以节省p c b 板空间并避免连接错误。图3 9 为光纤连 接示意图。从图中可以看出，h f b r l 5 2 1 作为输入端，h f b r 2 5 2 1 作为输出端。 本文中的光纤接口板通过3 根光纤和脉冲扩展板进行光纤通信，3 根光纤中，2 根 为输入，接收中心控制板通过脉冲扩展板送来的a 、b 两个桥臂的驱动信息，解码后形 成四个驱动信号送驱动板：另一根为输出，由其把光纤接口板综合的故障信息，编码后 以串行数据格式送到脉冲扩展板进行处理。 3 7 西安科技大学硕士学位论文 图3 9 为光纤连接示意图 ( 2 ) 电光转换电路 脉冲扩展板中的c p l d 的脉冲信号是通过光纤传输给光纤接口板，所以系统应该首 先把电信号转化为光信号，然后传输。本系统中采用了h f b r l 5 2 1 光纤接头，进行电光 转化的。具体实现电路如图3 1 0 所示： 我们仍以脉冲扩展板中的c p l d l 为例，其余原理相同。当p w m l a x 有信号输入 时为高电平，n a n d ( 与非门) 的输入端均为高电平，输出端为低电平，则g t r 的基 极b 为低电平，g t r 不能导通。那么，当+ 5 v 电经过电阻r x 后，导通h f b r l 5 2 1 中的 发光二极管，使其输出光信号发给光纤接口板。 当p w m l a x 没有信号输入时为低电平，n a n d ( 与非门) 的输入端1 为高电平，2 为低电平，输出端为高电平，则g t r 的基极b 为高电平，g t r 导通。那么，+ 5 v 电经 过电阻r x 后，流过g t r 后接地。 图3 1 0 电光转化电路图 由于h f b r l 5 2 1 是一种通用的电光转换器，它内部有5 0 0 f l 的上拉电阻，典型电压 为0 4 v ，最高电压为0 5 v ，典型电流为8 m a 。所以必须对r 1 的阻值进行选取。由于r 内 很小，可以忽略，所以有下式成立： c 二一= 8 1 0 一3 3 8 3 硬件设计与实现 得：r 1 = ；了一5 0 0( 3 1 ) 8 l o 。 于是得出r 1 = 1 2 0 f 2 ，所以本系统选用1 2 0 f l 为其分压。 ( 3 ) 光电转换电路 当系统故障从光纤接口板发送过来时，也是光信号，那么系统只有把光信号转化为 电信号后，c p l d 芯片才能读取，即为光电转换电路，该电路如图3 1 1 所示【3 5 】： 当h f b r 2 5 2 1 有信号输入为高电平，则发光g t r 的基极为高电平，g t r 导通。 h f b r 2 5 2 1 的l 、2 管角等电位，为低电平。7 4 l s l 4