三电平变频器.doc

兰州理工大学毕业设计 摘要摘要 随着近年来对高质量 高可靠性电源系统的需求不断发展 生产的总电能中 越 来越多的电能必须经过电力电子技术实行能量变换后 再用于民用 工业或军事的需 要 而逆变器是对电能进行变换和控制的一种关键器件 具有输出高质量电压波形的 能力 高性能数字信号处理器 DSP 的飞速发展 使数字化逆变器系统成为今后发展 的潮流 本文主要对 NPC 三电平逆变器系统进行了分析和研究 1 以中点钳位式三电平逆变器的基本拓扑结构为基础 阐述了三电平逆变器 的运行机理 2 在两电平逆变器基础上详细研究了三电平逆变器中空间电压矢量调制技术 的基本原理 提出了一种采用最近三矢量法合成参考矢量的空间矢量脉宽调制算 法 给出了小三角形区域判断规则 合成参考电压矢量的相应输出电压矢量作用 顺序和作用时间以及开关信号的产生方法 由于中点电位的不平衡是二极管钳位式三电平逆变器运行过程中比较严重的问题 本文分析了不同矢量对中点电位的影响 并得出通过对成对小矢量的作用时间分配能 够控制中点电位的结论 逆变器控制系统在控制策略上采用电压型 PWM 逆变控制 并 用 TI 公司的 DSP 芯片 TMS320LF2407A XILINX 公司的 CPLD 芯片 XC95144XL 相应的驱 动电路和高速数据采集电路等实现这种闭环控制 另外 本文还通过 MATLAB 仿真软件 对基于空间矢量调制的 SVPWM 波控制的二极管钳位式逆变器进行了仿真 对逆变后的 电压和电流波形以及波形谐波畸变率进行了分析 并验证了三电平逆变器较两电平逆变 器的优越性 关键词 关键词 DSP 逆变 二极管钳位式 SVPWM 仿真 兰州理工大学毕业设计 Abstract In recent years with high quality high reliability of power system needs constant development the production of total power more and more power must pass power electronic technology transformation of energy then for civilian use industrial and military needs And inverter is electric transformation and control of a key components with high quality output voltage waveform ability High performance digital signal processor DSP rapid development make the digital inverter system become the trend of development in the future This paper mainly to the NPC three level inverter system analysis and research 1 The halfway point in the ground clamp type three level inverter based the basic topological structure this paper expounds the three level inverter The operation mechanisms 2 In two level inverter based on a detailed study of the three level inverter in space voltage vector modulation technology The basic principle put forward a kind of the last three vectorsynthesis method of vector space vector reference pulse width modulation calculate Method gives small triangle area judge rules synthetic reference voltage vector corresponding output voltage vector function Order and function and switch time signal generation method Due to the halfway point of the potential imbalance is the ground clamp diode type three level inverter in the process of operation is a relatively serious problem this paper analyzes the different vector to point the influence of the electric potential and that the pair small vector by the role of the distribution of time to control the halfway point of the potential conclusions Inverter control system control strategy in the voltage source PWM inverter control and the DSP TMS320LF2407A TI company XILINX company XC95144XL CPLD chip the corresponding drive circuit and high speed data acquisition circuit to realize the closed loop control In addition this paper also through MATLAB simulation software based on space vector modulation of the wave to control of diode SVPWM embedded a type inverter is simulated and the inverter to the voltage and current waveform and waveform harmonic distortion rate is analyzed And verify the three level inverter is two level inverter superiority Keywords DSP inverter diode embedded type space vector simulation 兰州理工大学毕业设计 目录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1 课题研究背景及意义 1 1 2 研究现状及特点 2 1 3 拓扑结构选择 3 1 4 本文的主要目的 任务 技术指标及主要内容 6 第二章第二章 二极管钳位式三电平逆变器主电路的设计二极管钳位式三电平逆变器主电路的设计 8 2 1 二极管钳位式逆变电路拓扑 8 2 2 逆变器工作状态分析 9 第三章第三章 三电平三电平 SVPWMSVPWM 简化控制算法简化控制算法 12 3 1 引言 12 3 2 基于参考电压分解的 SVPWM 简化算法 12 3 2 1 两电平统一电压调制算法 13 3 2 2 三电平 SVPWM 简化算法 15 3 2 3 三电平 SVPWM 与 SPWM 的统一 16 第四章第四章 中点平衡中点平衡 21 4 1 中点电位不平衡的原因 21 4 2 三电平逆变器中点电压波动分析 21 4 2 1 三电平逆变器中点电压波动定性分析 21 4 2 2 对三电平逆变器中点电位波动的定量分析 23 第五章第五章 三电平逆变器的硬件设计三电平逆变器的硬件设计 26 5 1 系统构成 26 5 2 主电路设计 26 5 2 1 母线电容的选择 26 兰州理工大学毕业设计 5 2 2 功率器件的选择 27 5 2 3 变压器的选择 27 5 2 4 输出滤波器设计 30 5 3控制电路设计 31 5 3 1TMS320LF2407A 简介及特点 32 5 3 2 CPLD 接口电路 37 5 3 3 SVPWM 波形的产生 37 5 4 采样电路设计 40 5 5 驱动电路设计 43 5 6 其他外围电路设计 46 第六章第六章 系统软件设计系统软件设计 50 6 1 计算模块 50 6 2 主控制程序及中断程序设计 51 第七章第七章 三点平逆变器的仿真三点平逆变器的仿真 56 7 1 MATLAB 简介 56 7 2 系统仿真环境 SIMULINK 56 7 3 三电平逆变器的仿真实现 57 7 4 仿真结果分析与总结 61 结论结论 62 参考文献参考文献 63 文献翻译文献翻译 65 致谢致谢 105 附录附录 106 第一章 绪 论 1 11 1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 逆变器也称逆变电源 是将直流电能转变成交流电能的变流装置 是 太阳能 风力发电中一个重要部件 随着微电子技术与电力电子技术的迅 速发展 逆变技术也从通过直流电动机 交流发电机的旋转方式逆变技 术 发展到二十世纪六 七十年代的晶闸管逆变技术 而二十一世纪的逆 变技术多数采用了 MOSFET IGBT GTO IGCT MCT 等多种先进且易 于控制的功率器件 控制电路也从模拟集成电路发展到单片机控制甚至采 用数字信号处理器 DSP 控制 由于电力电子器件技术的限制 器件耐 压水平有限 比较成熟的高压 GIBT 耐压只能达到 3300V 耐压 6500V 的 IGBT 尚未正式商品化 而且高压大电流器件普遍价格昂贵 往往耐压上一 个等级 价格翻了数倍 大大增加了装置成本 在高压大功率的应用场合 考虑到器件的耐压 电流和成本 为了获得高电压等级的功率变换 传统 逆变器只能靠器件的串并联来实现 而串并联会带来开关器件的静 动态 均压 均流以及驱动信号同步等一系列问题 大大增加了系统的复杂程度 降低了系统的可靠性 两电平逆变器的大功率化还有很多新的问题 如较 大的 dy dt 和 di dt 对器件及电机的冲击非常大的提高了负载的绝缘要求 电磁干扰 电磁兼容 轴电压 轴电流和长线传输问题的研究都处于起步 阶段 这对系统的稳定性可靠性有极大的影响 1981 年 日本长冈科技大学的 A Nbace 等人首次提出了中点钳位式三 电平逆变器 而后又推广至多电平逆变器 多电平逆变器不同于两电平变 换器 其中采用电容或独立电源等方式产生多个电平 通过将多个功率器 件按一定的拓扑结构组成可提供多电平输出的逆变电路 其主要目的是以 尽量多的电平输出来逼近理想的正弦波形 从而减弱输出波形中的谐波影 响 在获得高压输入输出特性的同时 多电平逆变器也减轻了器件上的高 压应力 可以使用较低电压等级的器件构造高压变流器 解决了器件串并 联带来的问题 多电平逆变器的出现 是电力电子技术发展的一个里程碑 它使得高压变频调速技术迅速走向了实用化 让我们看到了高性能控制在 高压变频技术上的应用的希望 各种现代控制理论如自适应控制 自学习控制 模糊逻辑控制 神经网络 控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域 其应用领域也达到了前所 未有的广阔 从毫瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的高压直流输电换流 站 从日常生活的变频空调 变频冰箱到航空领域的机载设备 从使用常规化 石能源的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能风力发电设备 都少不 了逆变电源 毋须怀疑 随着计算机技术和各种新型功率器件的发展 逆变装 置也将向着体积更小 效率更高 性能指标更优越的方向发展 1 2 研究现状及特点 能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪性难题 20世纪70年代 以来两次世界性的能源危机以及当前环境问题的严重性 引起世界各国对节能 技术的广泛关注 我国能源生产和消费已列世界前茅 但仍远远满足不了工业 生产和人民生活发展的需要 由于缺电 正常的生产秩序被打乱 造成巨大的 经济损失 在能源十分紧张的情况下 浪费现象仍十分严重 从20世纪90年代以来 以高压IGBT IGCT为代表的性能优异的复合器件的 发展引人注目 并在此基础上产生了很多新型的高压大容量变换拓扑结构 成 为国内外学者和工业界研究的重要课题 使得传统上在大功率应用领域中占主 导地位的SCR GTO及其变换器结构受到强有力的挑战在工业发达国家 兆瓦级 的高压多电平逆变器已有产品大量投入市场 并应用于电力机车牵引 船舶电 力推进 轧钢 造纸 油气田 无功补偿等高性能系统中 我国也有不少单位 在研究 开发和引进高压大容量多电平变换器的技术和设备 三电平逆变器的 结构较简单 其电路拓扑形式从一定意义上来说可以看成多电平逆变器结构中 的一个特例 它的中点钳位及维持中点电位动态平衡技术 功率器件尖峰吸收 缓冲电路 PWM算法简化及控制策略 高压功率器件的驱动及系统的工作电源等 也是多电平逆变器控制需要研究解决的问题 从目前功率开关器件发展的水平 来看 短时间还不可能出现耐压上万伏的器件 多电平技术是解决高压大功率 变频调速的一个有效途径同时在当前电力系统高压直流输电的趋势下 多电平 技术在电力输配电方面也有着重要的作用 因此 本课题以二极管钳位的三电 平逆变器作为研究对象 深入地研究其PWM算法及控制策略 系统地研究其电路 组成和控制原理 对三电平技术乃至多电平技术的工程应用都有重要的意义 目前多电平技术研究的热点主要集中以下几个方面 1 基于多电平逆变器基本结构单元组合思想提出新的拓扑结构和多电平 逆变器的建模 2 基于控制自由度组合思想提出新的控制策略 3 多电平软逆变器开关技术的研究 4 多电平技术在 DC DC 中的应用 而目前多电平逆变器研究的难点主要集中多电平逆变器技术所固有的一些缺陷 例如这种技术开关管子比较多 控制比较复杂 中点钳位结构的多电平逆变器 中 存在直流侧电压平衡问题等因此随着相关技术的发展和新型控制策略的提 出 多电平技术将会发展到一个新的阶段 1 3 拓扑结构选择 经过世界各地学者多年的研究发展 多电平技术主发展出了众多的拓 扑结构 如 二极管箱位式 Diode Clamped 飞跨电容式 Flynig C Paacotir 级联型多电平变流器 Case Inverter 通用型多电平拓扑 Generalized Multilevel Topology 等 各种拓扑结构除了以上多电平结 构的共有特点外 还各有其适用场合和特性 现分别简要介绍如下 1 3 1 飞跨电容钳位式 飞跨电容钳位式逆变器是1992年由T AMeynard和H Foch提出来的 其拓扑 如图1 1所示 和二极管钳位式相比 用电容取代了钳位二极管 即通过电容 来进行钳位 图 1 1 飞跨电容钳为型三电平逆变器 图 1 1 为一个三相全桥飞跨电容式三电平逆变器的主电路原理图 由图可 见 这种电路时利用飞跨在串联开关器件之间的串联电容进行钳位该电路对于 相同的输出电压可以有不同的开关状态组合得到 这种开关组合的可选择性 为这种电路用于有功功率变换提供了可能性 但同时会带来控制上的复杂性和 器件开关频率高于基频频率的问题 与二极管钳位式电路类似 飞跨电容型三 电平电路也可推广到 n 电平 每相所需开关器件 2 n 1 直流分压电容 n 1 钳 位电容 n 1 n 2 2 个 飞跨电容式多电平逆变器的特点如下 优点 1 电平数量越多 输出电压谐波含量越少 2 器件在基频下开通关断 损耗小 效率高 3 可控制无功和有功功率 因而可用于高压直流输电 4 使用不同的开关组合 可使得电容电压平衡 缺点 1 需大量的箱位电容 2 用于有功功率传输时控制复杂 开关损耗大 3 存在电容电压不平衡问题 与二极管钳位式逆变器相比 它的开关选择更为灵活 在合成同一空间电 压矢量时有较多的选择 以使直流侧电容电压保持均衡 从而对该种拓扑的逆 变器控制策略进行优化 但同时 在省去大量二极管的同时又引入了大量电容 使得系统的体积和成本增加 其次因为在输出同一电平时有不同的开关组合 使得系统的控制变得复杂 1 3 2 级联型多电平逆变器 级联式逆变器又称为隔离直流电源式逆变器 是多电平逆变器家族中 出现最早的一种1975年E Hammond提出了采用隔离的直流电源作输入 多个 H逆变桥输出端相串联的结构 通过几个独立直流电源合成一个期望的电压 拓扑结构如图1 2所示 图中只画了相 其余两相与之相同 图1 2 级联型三电平逆变器 级联型三电平逆变器不需要额外的钳位二极管或者电容 通过每级四 个开关器件的任意组合输出三种不同的电压值 这种拓扑结构存在以下优 点 1 器件在基频下开通和关断 损耗小 效率高 2 不需要额外的钳位二极管或者电容 易于封装和模块化设计 3 无直流侧电压不均衡的问题 4 电平数越多 输出电压谐波含量越小 缺点 1 存在着需要多个独立直流电源 当采用不控整流得到这些直流电源 时 为减小对电网的谐波干扰 通常采用多绕组曲折变压器的多重化来 实现 这种变压器体积庞大 成本高 设计困难 2 不易实现四象限运行 1 3 3 二极管钳位型三电平逆变器 二极管钳位型逆变器又称中性点钳位型 Neutral Point Clamped NPC 逆变 器 电路结构由A Nabce等人在1980年JAS年会上提出 以两电平逆变器为基础 直流侧电容数量增加到两个 每相桥臂开关管数量由两电平的两个变为四个 并在每相桥臂上增加钳位二极管 从而在正 负两种电平的基础上 加入了一 个0电平 变成三电平 使得输出电压波形的正弦度提高 波形质量有一定改善 具体拓扑结构图如图1 3所示 二极管钳位式逆变器特点有 1 每个开关器件承受的直流侧电压值降低为直流侧电压值的一半 波形质量 得到改善的同时降低了开关频率 图1 3 二极管钳位三电平逆变电路 2 电压上升率dv dt降低为两电平变流器的一半 3 输出电压电平数的增多 每个电平相对幅值降低 电压变化减小 电流脉 动降低 降低了电磁干扰 4 三相中某项输出电压为零时有电流流入或流出直流侧电容中点 当流入与 流出电流不相等时造成上下电容电压不等 中点电位漂移 影响输出电压波形 质量 5 同一桥臂上的功率器件的开关频率不同 桥臂中部的功率开关和靠近直流 母线侧的功率开关相比 前者的导通时间远大于后者 所承担的负荷也较重 造成开关器件的利用率不同 这三种拓扑结构都有一些共同的优点 如都适合予高压大容量场合 都具 有EMI程度低的特点 效率都比较高等 但同时因为拓扑上的差异 使得它们 都有一些各自的特性 三种多电平拓扑都其有适合于高电压大容量场合的优点 但在实现的时候则需要考虑很多方面 如拓羚结构的简单性实现的容易性以及 成本高低等多方面来考虑 从多电平逆变器拓扑结构上来讲 飞跨电容式具有 电容较多的缺点 并且由于高压场合的电容体积较大 当电平数增加时将变得 难以忍受 独立直流电源的级联式拓扑虽然比较简单 但需要多个独立直流电 源 实现起来困难 相对来说 二极管钳位式拓扑有它的优势 1 电路拓扑简单 同时由于钳位二极管体积较小 所以相对于飞跨电容式 来讲易于扩展到更多电平的逆变器当中去 2 控制简单 易予用TI公司的数字信号处理器 DSP Microchip公司的 DSP 等芯片实现而飞跨电容式由于开关模式的多样性使得数字实现困难 3 相对于飞跨电容式大量的电容以及独立直流电源式所需的大量开关器 件 二极管钳位式拓扑成本较低 综合以上几点 本课题选择二极管钳位式作为多电平逆变器的拓扑 同时由 于是原理性研究所以多电平当中最简单的一种一三电平作为研究对象 今后如 有需要可以扩展到更多电平的逆变器 1 4 本文的主要目的 任务 技术指标及主要内容 传统的两电平逆变器在高压 大功率场合往往需要开关管承受很高的电压 如果采用高频逆变 还会导致很高的电压应力 开关管的损耗也很大 但是如 果频率太低 输出波形的质量又会很差 而多电平逆变器通过自身拓扑结构的 改变 增加了输出电平数 从而提高了输出电压并且降低了输出波形的谐波含 量 虽然理论上多电平逆变器输出的电平数越多越好 但是实际中如果电平数 超过了三将会遇到许多困难 如硬件电路过于复杂 如何保持直流侧电容电压 的平衡等 因此本文选择二极管钳位型三电平逆变器作为主要的研究对象 1 4 1 毕业设计 论文 的任务 1 熟悉题目要求 查阅相关科技文献 2 方案设计 包括方案论证与确定 技术经济分析等内容 3 系统设计 硬件和软件设计 其还包括理论分析 设计计算 仿真实 验及数据处理 设备及元器件选择等 4 撰写设计说明书 毕业论文 绘制图纸 5 指定内容的外文资料翻译 6 其它 1 4 2 毕业设计 论文 的主要参数 技术指标 输入电压 0 一 1200VAC 直流母线电压最大值 1600V 输出三相电压 O 一 1200VAC 额定输出电流 40ARMS 最大输出电流 60ARMS 输出频率 0 一 180Hz 1 4 3 本文的主要的内容如下 1 对电力电子技术的发展前景进行了综述 研究了多电平逆变器的发展前 景及三电平逆变器中空间电压矢量调制技术的基本原理及本课题的重要意义 2 详尽的研究了二极管钳位三电平变流器的工作状态 设计要点和难点 3 介绍了设计过程中器件材料的选择 驱动保护电路的原理介绍和设计 采样电路的基本原理及设计 设计过程中所用到的电源的设计 基于DSP和 CPLD的数字控制平台 4 通过MATLAB仿真软件对三电平逆变器SVPWM中点电压平衡控制方法 进行了仿真 并分析输出电压 电流的THD 谐波畸变率 证明了该方法的正确 性 采用TI公司的TMS320LF2407数字信号处理器作为信号处理器件 完成了 大部分软件的编制 通过评估板获得了触发脉冲 并完成成了系统硬件电路设 计 第二章第二章 二极管钳位式三电平逆变器主电路的设计二极管钳位式三电平逆变器主电路的设计 2 1 二极管钳位式逆变电路拓扑 对于两电平的逆变电路来说 电路输出的相电压有 和 2 为直流侧输出电压 两种电平 如果能使逆变电路的相电压输出更多的电平 就可以使其波形更接近正弦波 这种电也称为中点钳位型 NPC 逆变电路 图 2 1是中点钳位三电平逆变电路图 图2 1 二极管钳位三电平逆变器 该电路的每一相桥臂有四个开关元件 4个续流二极管和两个钳位二极管 两个串联器件的中点通过钳位二极管和直流侧电容的中点相连接 钳位二极管 的作用是在开关管导通时提供电流通道防止电容短路 在图2 1所示的三电平 逆变器主电路结构中其中 平均每个主管承受正向阻断电压为直流侧母线电压 的一半 与传统的两电平拓扑结构相比较 中点钳位式三电平逆变器主要 优点是器件具有2倍的正向阻断电压能力 能减少谐波和有效地降低开关频 率 从而使系统损耗小 如从开关频率达到同样输出性能指标来衡量 三电平 的开关频率将是两电平的1 5 且其电压上升率 dv dt 比两电平通用逆变器降 低一半 污染电气性能的电流上升率 di dt 也随之减少 能明显降低损害电机 的绝缘性能而延长其工作寿命 随着电平数增加 每个电平幅值相对降低 电 压变化减少 主电路电流含有的脉动成分小 转矩脉动和电磁噪声降低 若三 电平逆变器接上中点悬空的三相对称的星形负载 则负载中将不会有3的倍数次 谐波电流流过 从三电平逆变器主电路的一相桥臂的结构出发 四个开关器件开关状态共 有 16 种 但由于 T1 与 T3 是逻辑非的关系 同样 T2 与 T4 也是逻辑非的关系 因此有效状态只有 3 种情况下面以 A 相为例 来描述相电压的三种输出状态 1 给T1 T2导通触发脉冲 T3 T4关断时 如负载电流为正方向 假设负载 电流由逆变器流入负载方向为正 反之为负 电流流过T1 T2 忽略管压降 A相输出电压U 2 如负载电流为负方向 电流流过D1 D2 A相输出电压 是U 2 2 给T2 T3导通触发脉冲 T1 T4关断时 如负载电流为正方向 电流流 过D5 T2 A相输出电压U 0 如负载电流为负方向 电流流过T3 D6 A相输出 电压U 0 3 给T3 T4导通触发脉冲 T1 T2关断时 如负载电流为正方向 电流流 过T3 T4 A相输出电压U 2如负载电流为负方向 电流流过D3 D4 A相 输出电压U 2 2 2 逆变器工作状态分析 在分析控制策略之前 有必要先了解一下二极管箝位式三电平逆变器的工 作 情况 包括逆变器的三种工作状态以及状态之闻的转换过程 三电平逆变器的 每一个桥臂有 4 个开关元件 以 U 相为例 为 Sl S2 S3 S4 有三神正常的 开关模式 当 Sl S2 导通时 U 相输国为正电平 当 S2 S3 导通时 U 相输 出为零电平 当 S3 S4 导通时 U 相输出为负电平 以 U 相为例 其余 V 相 W 相工作情况与之相同 可以分以下三种工作状态 表 2 1 三电平变流器开关状态和功率管开通关系 开关状态T1T2T3T4 1ONONOFFOFF 0OFFONONOFF 1OFFOFFONON S1 S2 S4 S3 D1 D2 D3 D4 D5 D6 S1 S2 S4 S3 D1 D2 D3 D4 D5 D6 C1 C2 Udc Udc C1 C2 a b 图 2 3 P 状态示意图 1 P 状态 即 Sl S2 导通 而 S3 S4 关断 数学运算时以 l 表示 当 U 相电流为正时 定义流出逆变器方向为正 流入逆交器方向为负 电流 从 Cl 正极经 Sl S2 流出 如图 2 2 a 当 U 相电流为负时 电流经开关 管的反并二极管 D4 D3 流向 C 正极 如图 2 2 b 2 O 状态 即 S2 S3 导通 而 Sl S4 关断 数学运算时以 O 表示 当 U 相电流为正时 电流从 C2 正极经箝位二极管 Dl S2 流出 如图 2 4 a 当 U 相电流为负时 电流经 S3 D2 流向 C2 正极 如图 2 4 b S1 S2 S4 S3 D1 D2 D3 D4 D5 D6 S1 S2 S4 S3 D1 D2 D3 D4 D5 D6 C1 C2 Udc C1 C2 a b 图 2 4 O 状态示意图 3 N 状态 帮 S3 S4 导通 而 Sl S2 关断 数学运算时以 l 表示 当 U 相电流为正时 电流从 C2 负极经 D5 D6 流出 如图 2 5 a 当 U 相电流 为负时 电流经 S3 S4 流向 C2 负极 如图 2 5 b S1 S2 S4 S3 D1 D2 D3 D4 D5 D6 S1 S2 S4 S3 D1 D2 D3 D4 D5 D6 C1 C2 Udc Udc C1 C2 a b 图 2 5 N 状态示意图 相邻状态之间转换时有一定的时间间隔 称之为死区时间 Dead Time 即 从 P 到 O 的过程是 先关断 Sl 当一段死区时间后 Sl 截止 然后再开通 S3 从 0 到 N 的过程是 先关断 S2 当一段死区时间后 S2 截止 再开通 S4 N 到 O 以及 0 到 P 的转换与上述类似 如果在 Sl 没有完全被关断时就开通 S3 则 Sl S2 S3 串联直通 从而直流母线高压直接加在 S4 上 导致 S4 毁坏 所 以在开关器件的触发控制上 一定的死区时间间隔是必要的 同时需要注意的 是 这三种状态间的转换只能在 P 与 O 以及 O 与 N 之间进行 决不允许在 P 与 N 之间直接转换 否则在死区时间里 一相四个开关容易同时连通 从而将 直流母线短接 其后果将不堪设想 同时 这样操作也会增加开关次数 导致 开关损耗的增加 所以 P 和 N 之间的转换必须以 O 为过渡 第三章 三电平 SVPWM 简化控制算法 3 1 引言 常规的查表式矢量发生技术思路清晰容易接受 但算法复杂 需要预先存 储大量的数据表格 而且涉及较多的三角函数运算 DSP 处理起来较复杂且速 度慢 此外 对于二极管箱位式三电平电路还存在一些其他问题需要解决 例 如直流侧中点电位平衡控制问题等 这更在一定程度上增加了 PWM 算法的实 现难度 因此 需要对常规方法的改进 以尽可能简化 SVPWM 算法的实现难度 现 有的简化算法 主要围绕两种思路对 SVPWM 算法进行改进 一种思路是通过适 当分解参考电压矢量来实现简化计算目的 另一种是通过选取恰当的坐标系对 参考电压矢量进行分解计算 因为一些学者经过研究发现 参考电压所选择的 正交坐标系是导致 SVPWM 计算复杂的根本原因 上述的两种简化思路都可以达到降低算法复杂度的目的 并且可以应用到 多电平变换电路的矢量发生算法中 但是比较来看 第一种思路更加直观便于 理解 而且对中点电位平衡控制等结合更方便 所以 本文采用了一种将参考 电压矢量分解为基矢量和两电平矢量 然后用类似两电平空间矢量的方法确定 构成小三角形三个顶点的基本矢量 以及计算对应的作用时间的算法 在本章 中将重点对这种简化控制算法进行介绍 3 2 基于参考电压分解的 SVPWM 简化算法 常规矢量发生算法是两电平的最近矢量合成算法中推演得到的 而算法复 杂程度却加深了 其实对于两电平 SVPWM 算法的研究已经比较成熟 其中发展 出一些两电平的 简单 运算量相对更小的算法 然而这些简化算法拓展到三 电平 SVPWM 算法中却很困难 因此能否从另外的思路出发 设法将三电平的矢量 化简到两电平矢量 在两电平下进行矢量作用时间的计算 这一方面可以对三 电平进行降阶处理 转化为两电平 避免了处理众多矢量 另一方面也可以直接 利用两电平下的简单算法 在本节中首先介绍一种两电平 SVPWM 的快速算法 而后重点介绍实现上述三 电平简化的一种算法 3 2 1 两电平统一电压调制算法 空间矢量调制算法复杂的一个主要原因是需要判断参考电压所在的区域并 进行相邻矢量组合等 它们占据了微处理器的大量工作时间 而三角波调制常 采用的规则采样法虽然不存在矢量调制的问题 实现容易 控制线性度好 但 是直流侧电压利用率却较低 统一电压调制 Unified Voltage Modulation 算 法 充分融合了两种方法的优点 通过对规则采样法三相作用时间的修正得到与空 间矢量调制相同的输出效果 而算法大为简化 统一电压调制算法通过引入一个有效作用时间 Effective Time 的概念得 到一组各相作用时间的计算公式 通过改变其中与有效作用时间相关的时间量 的计算方法 就可以轻松实现规则采样 SPWM SVPWM 和离散调制算法 而且计 算量大为降低 对于三相参考电压 直流侧电压 有 3 1 s dc b bs T V V T 上式为假想作用时间计算公式 其中称为三相假想作用时间 对其进行排序 则 对于两电平逆变器除了零矢量 000 和 111 两个外其他六个矢量都能使直流侧与 交流侧之间发生功率变换 称为有效开关状态 定义在一个开关周期中 有效 开关状态下的作用时间的总和称为有效作用时间 则其实际上为 3 2 而有效作用时间在一个开关周期中是距中间时刻一段时间对称分布的 因 此 可引入偏移时间t 对假想作用时间进行修正计算得三相实际作用时间 其中 式 3 1 3 3 就是统一电压调制算法的表现形式 合理的配置偏移时间 就可以实现不同的调制算法 对于规则采样的正弦波调制算法 其偏移时间为 结合式 3 l 3 4 就可得到规则采样法的三相作用时间 图 3 1 规则采样法和统一电压调制法的关系 对于两电平的 SVPWM 算法 在调制波形上与规则采样 SPWM 的区别在于 两种零矢量的时间分配 SVPWM 有 而规则采样法的和不一定相等 也正因此造成了电压利用率和输出电压谐波的不同 如果在统一电压调制公式 中合理配置使输出时间可以得到 就可以得到 SVPWM 的效果了 两个零矢量的作用时间分别为 如令 Va Vb Vc Sa Sb Sc 综合公式 3 1 3 3 3 6 即为两电平统一电压调制的空间矢量调制的表现 形式 可以看出通过统一电压调制方法实现 SVPWM 避免了区域判断和空间 矢量组合 计算量大为简化 此外 从统一调制算法可以看出两电平 SVPWM 和 SPWM 可以通过零序分量的控制建立一种统一关系 a b 图 3 2 三电平空间矢量图的简化 3 2 2 三电平 SVPWM 简化算法 上述的两电平 SVPWM 计算方法比较简单 如果能将三电平空间矢量分解为 几个两电平的空间矢量的组合 将使得三电平 SVPWM 的计算得到简化 从这个 思路出发 仔细观察三电平空间矢量图 3 a 可以发现图形可以分解为六个 六边形的组合 而每个六边形恰与传统两电平空间矢量图相同 其中心为中心 六边形的顶点 也是三电平的 6 个小矢量的顶点 图 3 2b 可以清晰的看出其中 关系 1 参考电压矢量修正 基于以上分析 只要将三电平逆变器的参考电压矢量分解为对应的两电平矢量 就可以将三电平空间矢量的计算化简为两电平下的计算 在进行分解之前首 先对整个空间矢量范围进行分区以便确定参考电压矢量究竟在哪一个六边形中 进行分解 为此将矢量空间分为 hl h6 等六个区域 相邻的六边形有重叠的区 域 当参考电压落在重叠区域中时 可以有两种选择 在本文中为了便于处理 可将相邻六边形的重叠区域等分 如图 3 2 b 所示 参考电压矢量具体所在区域可以在三相坐标系下通过图 3 3 所示的方法判断得 到 确定了参考电压所在的六边形区域 就可以根据六边形的中心矢量对三电 平下空间矢量进行分解 下面以图 3 4 中位于 h1 区的参考电压矢量的分 解 为例做具体分析 参考电压矢量吸 按照传统三电平空间矢量调制的最近三矢量 合成法 并做简单的变换可得 图 3 3 六边形区域判断 显然 矢量 即为两电平下的电压 矢量 且由公式 3 7 可证明转化为两电平下各矢量的作用时间与传统三电平 下计算结果相同 因此可以看出减去所在六边形的中心矢量就可以得到一 个新的参考电压矢量 该矢量就是两电平下等效参考电压矢量 可以用下式表示 T 3 8 3 三电平输出开关矢量 两电平中得到的状态只有 0 1 两种开关状态 要将其计算出的开关时间应 Ua Ub Uc Ua Ub Uc 0 Ua 0Ub 0Ua 0Ub 电感对开关频率分量阻抗很大 即滤 波器不 允许开关频率分量通过 更不允许它的高次谐波分量通过 则该滤波器可以满足滤波要求 由于采用了高频开关技术 输出的正弦波谐波分量主要集中在开关频率附近 因此 谐波频率可以选的很高 设 而谐振频率 则可得 L C计算公式为 5 11 本文的逆变电源功率为 50kva 输出的电压为 1200V 开光频率为 18000HZ 额定负载 Rl约 为30 一般取额定负载 Rl的0 4 0 8倍 而 一般取开关频率的0 04 0 1倍 本设 计取 0 08 则由式 6 4 可以计算出 L 1Mh C 1200V 100uf 5 3控制电路设计 DSP 即数字信号处理 它是美国 TI 德州仪器 公司自 1982 年以来开发的 一种控制芯片 一共三个系列 用于交流电机调速 电力电子设备控制的 2000 系列 用于电信 雷达 仪器仪表 图像处理等方面的 5000 系列以及用于视频 开发 音影处理等方面的 6000 系列 TMS320LF240X 是 TI 公司推出的新一代 DSP 控制芯片 它将高性能的 DSP 内核和丰富的微控制器外设功能集于芯片之 中 是传统的多微处理单元和昂贵的多片设计的理想代替 逆变器控制系统的基本组成有 DSP 串行通信等 依靠他们以实现复杂的 控 制算法 本文的控制系统的实现就是基于 TMS320LF2407DSP 芯片构成的控制电 路 系统设计涉及 DSP 的 I O 端口 事件管理器模块但码 模数转换模块 ADC 等 软件编写环境是 DSP 专用的集成开发环境 Code Composer Studio 简 称 CCS 程序编写采用 C 语言代码方式 5 3 1TMS320LF2407A 简介及特点 TMS 32OLF2407A 是 TI 公司推出的一款定点 DSP 控制器 它采用了高性 能静态 CMOS 技术 使得供电电压降为 3 3V 减小了控制器的功耗 40MIPS 的 执行速度使得指令周期缩短到 25ns 40MHzy 从而提高了控制器的实时控制能 力 集成了 32K 字的闪存 可加密 2 5K 的 RAM 500ns 转换时间的 A D 转换 器 事件管理器提供了可以满足各种电机的 PWM 接口和 UO 功能 此外还提 供了适用于工业控制领域的一些特殊功能 如看门狗电路 SPI 和 CAN 控制 器等 从而使它可广泛应用于工业控制领域 TMS320LF240X 系列 DSP 有以下特点 采用高性能静态 CMOS 技术 使得供电电压降为 3 3V 减小了控制器的功 耗 30MIPS 的执行速度使得指令周期缩短到 33ns 30MHZ 从而提高了控制 器的实时控制能力 基于 TMS320C2xxDSP 的 CPU 核 保证了 F240X 系列 DSP 代码与 TMS320 系列 DSP 代码兼容 片内有高达 32K 字的 FLASH 程序存储器 高达 1 5K 字的数据 程序 RAM 544 字双口 RAM DARAM 和 2K 字的单口 RAM SARAM 两个时间管理器模块 EVA 和 EVB 每个包括 两个 16 位通用定时器 8 个 16 位脉宽调制 PWM 通道 它们能够实现 三相反相器控制 PWM 的对称和非对称波形 快速的 PWM 通道关闭 当外部引脚 PDPINTx 出现低 电平时 可编程的 PWM 死区控制 以防止上下桥臂同时输出触发脉冲 3 个捕获单元 片内光电编码器接口电路 16 通道 A D 转换器 事件管理 器模块适用于控制交流感应电机 无刷直流电机 开关磁阻电机 步进电 机 多级电机和逆变器 可扩展的外部存储器 LF2407 总共 192K 字空间 64K 字程序存储器空间 64K 字数据存储器空间和 64K 字 I O 寻址空间 看门狗定时器模块 WDT 10 位 A D 转换器最小转换时间为 500ns 可选择由两个事件管理器来触发 的两个 8 通道输入 A D 转换器或一个 16 通道输入 A D 转换器 控制器局域网络 CAN 2 0B 模块 串行通信接口 SCI 模块 16 位串行外设 SPI 接口模块 基于锁相环的时钟发生器 高达 40 个可单独编程或复用的通用 I O 引脚 GPIO 5 个外部中断 两个驱动保护 复位和两个可屏蔽中断 电源管理包括 3 种低功耗模式 能独立的将外设器件转入低功耗工作模式 1 体系结构和功能特性体系结构和功能特性 1 CPU 及总线结构采用 16 位定点低功耗内核 四级流水线技术加快程序 的执行 可在一个处理周期内完成乘法 加法和移位运算 增强的哈佛结构支 持并行的程序和操作数寻址 2 存储器配置 TMS320LF2407AA 地址映像被分为三个可独立选择的空间 程序存储器 64K 数据存储器 64K 输入 输出 刀 O 空间 b4K 这些空间提 供了共 192K 字的地址范围 3 事件管理器模块包含两个专用于电机控制的事件管理器模块 EVA 和 EVB 每个事件管理一器模块包括通用定时器 GP 全比较单元 正交编码脉 冲电路以及捕获单元 4 片内集成外设 TMS32OLF2407A 片内集成了丰富的外设 大大减少了 系统设计的元器件数量 2 中央处理单元中央处理单元 CPU 1 32 位中央算术逻辑单元 CALU 和 32 位累加器 TMS320LF2407 的 32 位 CALU 实现二进制补码算术运算 CALU 的操作 数取自数据存储器或立即数指令的 16 位字 也可取自乘法器的 32 位乘积 除 了算术运算外 CALU 还执行布尔运算 累加器中存储来自 CALU 的结果 它 同时也向 CALU 提供另一个输入 累加器为 32 位宽 可分为高位字 位 31 至位 16 和低位字 位 15 至位 0 相应的汇编指令用于控制累加器的高位字和低位字 存入数据存储器 2 16 位 xl6 位乘法器 片上乘法器实现 16 位 x16 位二进制补码乘法运算 输出 32 位结果 与乘 法器相连的有一个 1 位暂时寄存器 TREG 和一个 32 位乘法寄存器 FREG TREG 提供一个乘数 PREO 接收每次乘的结果 使用乘法器 TREO 和 PREG TMS329LF2407 可以有效的执行典型的 DSP 运算 比如卷积 滤波等 每一条指令的有效执行时间为一个 CPU 时钟 3 三个定标移位器 TMS320LF2407 具有三个 32 位移位器 输入数据定标移位器 输出数据定标 移位器和乘积定标移位器 它们用于定标 位抽取 扩展算术运算和滥出预防 操作 4 八个 16 位辅助寄存器和一个用于数据存储器间接寻址的专用算术单元 CPU 中还包括辅助寄存器算术单元 ARA U 该算术单元完全独立于中央 算术单元 CALU ARAU 的主要功能是在 CALU 操作的同时执行 8 个辅助寄存 器 AR7 AR0 上的算术运算 这 8 个辅助寄存器提供了灵活而强大的间接寻址 能力 利用包含在辅助寄存器中的比位地址可以访问 64K 数据存储器空间中的 任一单元 这些辅助寄存器的状态取决于状态寄存 STO 中的三位辅助寄存器 指针 ARP 的值 3 事件管理器模块 事件管理器模块 TMS320LF2407DSP 一共包含两个事件管理模块 EVA EVB 两个模块结 构功能完全相同 1 通用定时器 每个事件管理器模块均有两个通用的可编程定时器 GP 各个 GP 定时器 之间可以彼此独立工作或者相互同步工作 与每个 GP 定时器有关的比较寄存 器可用作比较功能或 PWM 波形的产生 周期寄存器和比较寄存器的双缓冲允 许根据需要编程改变 PWM 周期和 PWM 脉冲宽度 通用定时器的控制寄存器 GPTCONA B 规定了定时器针对不同的定时器事件采取的操作并指明了定时器 的计数方向 它们的定义 定时器所处的计数模式和在连续增 减计数模式下的 计数方向决定了 PWM 输出跳变 本文采用对称方式产生 PWM 信号 计数模 式采用连续增 减计数模式 2 比较单元 两个事件管理器模块各有三个全比较单元 每个比较单元都有两个相关的 PWM 输出 比较单元的时基由通用定时器 1 EVA 模块 和通用定时器 3 EVB 模块 提供 全比较单元包括 六个可读 写的 16 位比较寄存器 CMPRX x l 2 3 4 5 6 两个可读 l 写的 i 位比较控制寄存器 COMCONA COMCONB 两个可读 写的 1 位动作控