[硕士论文精品]基于fpga的pwm控制多重逆变器的设计与实现

基于FPGA的PWM控制多重逆变器的设计与实现摘要逆变器在自动控制系统、电机交流调速、电力变换以及电力系统控制中都起着重要的作用；各系统对逆交器的性能需求也越来越高。PWM控制多重逆变器正是基于这些需求，实现可变频、调压、调相、低谐波、高稳定性的解决方案。PWM控制逆变器通过对每个脉冲宽度进行控制，以达到控制输出电压和改善输出波形的目的；多重逆变器则是把几个矩形波逆变器的输出组合起来起来形成阶梯波，从而消除谐波；PWM控制多重逆变器综合上述两种技术的特点，非常适合于应用在对谐波、电压输出及稳定性要求比较高的场合。电力半导体技术和集成电路技术的快速发展，使得多重逆变器的控制、实现成为可能。本文首先分析风力发电系统对逆变器的要求，从多重逆变器理论和PWM逆变器理论出发，提出同步式PWM控制电压型串联多重逆变器系统解决方案。本方案也可以应用在逆变电源、交流电机调速及电力变换领域中。文中建立了一个多重逆变器的PWM控制算法模型。该算法可完成频率、相位、幅值可调的多重逆变器的PWM控制，且能完成逆变器故障运行下的保护与告警。并在MATLABSIMULINK环境下对算法模型进行仿真与分析。在比较了现有PWM发生解决方案的基础上，本文提出了一个基于FPGA可编程逻辑阵列的多重逆变器PWM控制系统实现方案。并给出一个主要由FPGA、ADCDAC、驱动与保护电路、逆变器主回路及其他外围电路构成的多重逆变器系统解决方案。实验结果表明，此方案系统结构简单、可行，很好完成上述多重逆变器的PWM控制算法。关键词电压型多重逆变器，PWM，同步式调制方式，MATLAB建模，FPGAPWMCONTROLMUI。TILEVELINVERTERBASEDONFPGAABSTRACTINVERTERHASTAKENAVERYIMPORTANTROLEINAUTOMOBILECONTROLSYSTEMS，INDUCTIONMOTORSPEEDCONTROLSYSTEMS，POWERCONVERTERSANDPOWERCONTROLSYSTEMS；ANDHIGHPERFORMANCEINVERTERSAREWIDELYNEEDEDINTHESESYSTEMSPWMCONTROLMULTILEVELINVERTERCALLMEETSUCHREQUIREMENTSSUCHASHIGHVOLTAGE，VARIABLEAMPLITUDE，VARIABLEPHASE，VARIABLEFREQUENCYANDLOWHARMONICTHEMULTILEVELPOWERCONVERSIONTECHNOLOGYISATTRACTIVEFORHI曲VOLTAGEORLOWHARMONICSAPPLICATIONS。臌THEDEVELOPMENTOFPOWERSEMICONDUCTORANDINTEGRATEDCIRCUITSTECHNOLOGIESINRECENTYEARSTHECONTROLOFMULTILEVELINVERTERHASTURNEDINTOREALITYBASEDONTHEMULTILEVELINVERTERTHEORYANDTHEPWMINVERTERTHEORY,THISPAPERDEVELOPSASOLUTIONDESIGNOFVOLTAGETYPEPWMCONTROLMULTILEVELINVERTERTOMEETTHESYSTEMREQUIREMENTSAPULSEWIDTHMODULATIONPWMCONTROLALGORITHMMODELISCREATEDANDDISCUSSEDFIRSTLYITCANCOMPLEMENTAFREQUENCY，PHASEANDAMPLITUDEVARIABLEMULTI1EVELINVERTERSCONTROLSYSTEILLINCLUDINGPROTECTIONANDALANNINDICATIONINACCIDENT。WECONDUCTTHESIMULATIONBYMATLABSIMULINKANDANALYZETHESIMULATIONRESULTSTHENTHEAUTHORGIVESOUTASOLUTIONPLANFORTHEMULTI1EVELINVERTERPWMCONTROLALGORITHMBASEDONFIELDPROGRAMMABLEGATEARRAYFPGA,WHICHDIFFERSFROMTHEPRESENTCONTROLSYSTEMSUSINGDSPORASICTOGENERATEPWMCONTROLSIGNALSANDAWHOLEMULTILEVELINVERTERSYSTEMISDISCUSSEDINDETAILWHICHINCLUDEFPGA，ADC，DAC，MCU，DRIVERANDPROTECTIONCIRCUITS。THEMAINBRIDGELOOPCIRCUITSOFINVERTEREXPERIMENTSARETAKENTOTESTTHEPERFORMANCESOFTHISFPGABASEDCONTROLSYSTEMANDTHERESULTSPROVETHATITWORKSWELLKEYWORDSVOLTAGESOURCEMULTILEVELINVERTER,PWM，SYNCHRONIZATIONMODULATOR,MATLABMODELING，FPGA符号说明符号名称符号含义一PWMPULWIDFLLMODULATION脉冲宽度调制FPGAFIELDPROGRAMMABLEGATEARRAY现场可编程门阵列ASICAPPLICATIONSPECIFICINTEGRATEDCIRCUIT专用集成电路DSPDIGITALSIGNALPROCESSING数字信号处理IGBTINSULATEDGATEBIPOLARTRANSISTOR绝缘栅双极晶体管SOCSYSTEMONACHIP芯片上系统SOPCSYSTEMONAPROGRAMMABLECHIP可编程芯片上系统I0INPUTOUTPUT输入输出PCBPRINTEDCIRCUITBOARD印刷线路扳HDLHARDWAREDESERIPTIONLANGUAGE硬件描述语言VHDLVHSLCHARDWAREDESCRIPTIONLANGUAGE超高规模集成电路硬件描述语言IPMINTELLECTUALPOWERMODULE智能功率模块EABEMBEDDEDARRAYBLOCK嵌入式阵列区块LUTLOOKUPTABLE查找表LPMLIBRARYOFPARAMETERIZEDMODULES参数化模块库LELOGICELEMENT逻辑单元JTAGJOINTTESTACTIONGROUP测试行动联合组织BISTBUILTINSELFTEST内置自钡0试RTLREGISTERTRANSFERLEVEL寄存器转移水平巾相差0脉宽导通角ED逆变器直流输入VN逆变器输出N次谐波的电压有效值EU，EV，EW三相信号波FO信号波频率FC系统载波频率FS系统时钟频率Q转角，1转角增量AU、AV、AW各相调制深度ICIGBT集射极最大电流VCESIGBT集电极发射极压降上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校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，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学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。保密函，在互年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口。请在以上方框内打“”学位论文作者签名辛彳前南指导狮签名鸯俐J日期知。绰事月18ET日期印巧年多月彦ET上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位做作者签名坼茼向日期勘。言年弓月J凸日第一章绪论11本课题的意义根据逆变器的直流波形和交流波形，可以把逆变器分为电压型和电流型。对电压型逆变器来说，输出电压是矩形波；对电流型逆变器来说，输出电流是矩形波。矩形波中含有较多的谐波，对负载产生不利的影响；而电力系统对谐波的要求很高。PWM控制的方法是，把逆变器输出波形半个周期内的脉冲分割成多个，通过对每个脉冲的宽度进行控制，来控制输出电压和改善波形减少低次谐波。PWM对电压型逆变器和电流型逆变器都适用，但两者的目的稍有不同。用于电压型逆变器时有如下优点1可省去控制电压的主电路器件，有利于小型化和降低成本。2可消除或减少低次谐波。3可实现快速电流控制，这对于诸如交流电动机矢量控制等高性能的传动系统等是不可缺少的。多重逆变器则是把几个矩形波逆变器的输出组合起来起来形成阶梯波，从而消除谐波。可以得到更接近与正弦波的合成波形。P删控制多重逆变器则是综合以上两种技术，实现性能优越的逆变器。多重逆变器主要优点包括1各逆变桥主回路开关器件承受的阻断电压降低；2输出波形谐波含量小；3开关频率及损耗低。本课题在对现有多重逆变器的控制方案研究比较的基础上，结合当前快速发展的现场可编程逻辑阵列FPOA技术，在单片FPGAFIELDPROGRAMMABLEGATEARRAY上实现多重逆变器PWM控制算法。可完成2至6重多重逆变器的PWM控制。实验结果证明此方法可行，且性能优越。12研究现状多重逆变器的应用，目前多集中在两重逆变器上。这主要是基于两方面的考虑，一是可行性，二是需求。多重逆变器的最主要优点集中在两点，是输出波形谐波分量小，二是各开关器件承受的阻断电压降低，开关频率降低，即对器件的要求相对降低。多重逆变器与单重逆变器相比，在电路拓扑上的很重要区别，一是随着主回路重数的增加，被控对象成比例增加，从而对控制器的运算能力要求提高；二是多重逆交器通常采用拥有一定相位差的变压器对输出进行叠加后输出，从而削弱输出的高次谐波分量。随着电力半导体技术的发展，从最初的不可控器件到导通可控器件，再到后来的导通关断可控器件的出现，新型的器件不断涌现。特别是使用IGBT能实现快速通断控制开关频率可达15KHZ以上，从而得到更为精确的控制输出波形。同时，它的通流能力很强，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。同时，电子工业的发展，也提供了越来越多的逆变器控制系统解决方案。从最初的由51系列的单片机构成交流调速系统，到后来出现的交流电机调速控制专用集成电路ASIC，特别是DSP技术和FPGA技术的发展，使得我们可以实现比较复杂的PWM控制算法，且编程并不繁复；大大提高了逆变器的工作性能、可靠性并缩短了开发周期；其中以11公司的TMS320C2000系列为代表。低压小功率的逆变器应用场合，由现有的DSP或带有PWM接口的单片机即可满足控制系统和由IGBT构成的主回路，即可满足系统要求。即使在两重逆变器的应用场合，公司的TMS320C2000系列也能很好的完成逆变回路的控制。多重逆变器的优点在高压、大容量以及对谐波要求比较严格或者对系统稳定性有特殊要求的场合更能体现其方案优势；而目前的应用多局限于二重逆变器的应用上。13本方案的优点在目前的多重逆变器场合中，采用较多的控制系统一般都以DSP为核心单元，即由DSP来完成PWM控制波形的运算，以芯片自带的PWM接口如TMS320C2000系列带有12路PWM输出端口，可方便的完成两重逆变器控制输出PWM控制波形或外加FPGA芯片来完成逻辑功能。在对现有控制系统选择方案以及设计需求分析的基础上，本设计采用单片FPGA来完成多重逆变器的控制系统，即将原来DSP完成的运算功能也转移到FPGA内完成。从而简化了系统构成，提高了系统了稳定性。FPGA的主要特点是1速度快系统并行运行，运行频率最高可达几百兆HZ；2规模大从几千门到上千万门，可以实现SOCSYSTEMONACHIP设计；3灵活性大对FLEA不仅其内容可重写，其IO口亦可重新分配；在不改变PCB的情况下，重新配置电路；4设计开发方便可采用原理图输入或HDL输入；5功能强大可实现快速信号处理及逻辑运算。2本方案的主要优点包括1功能强大可完成多重N1逆交器的PWM控制；2结构简化不需要外加DSP等CPU控制单元，简化了系统结构；3移植性好采用HDL和原理图设计，不依赖于特定FPGA厂商，移植性能好；4扩展性好在FPGA内可根据需要扩展所需的功能模块、各种通信接口；当逆变器运行于某个大的系统如风力发电系统中，可利用这些通信接口与系统中其他控制单元通信。第二章系统总体设计21系统功能本研究项目来源于李树广老师主持的“100KW立式风力发电系统”，PWM控制多重逆变器既可以做为风力发电系统的一部分与系统中心控制单元协作运行，也可以应用于其他DCAC的工作场合。图21给出了一个多重逆变器运行于风力发电系统内的系统总构成框图，此框图中着重突出了与多重逆变器工作相关的部分，其中包括WINDPOWERGENERATOR1TI1EVELINVERTEROUTPUTSYNTHESIS觚INSTR篇UCTTRAIONSIN喘STRUCNTRTIOANST1SOL篇ATION,DRIV忙CONN咖ECTMIN。G帮PWMCONTROLSIGNALSFOMULTILEVELINVERTERFPGACONFIGURATIONINTERFACEAMPLITUDECONFIGURATIONFREQUENCYCONFIGURATIONPHASECONFIGURATIONALARMINDICATIONP硼CONTROLLERBASEDONFPGAINSTRUCTIONSFROMCENTRALUNITOUTPUTINSPECTION图21多重逆变器系统及其在风力发电系统中的位置FIG21MULTILEVELINVERTERANDITSPOSITIONINAWINDPOWERSYSTEM1基于FPGA的PWM控制器PWMCON加LLCRBASEDONFPGA基于FPGA的PWM控制器。此控制器完成可调频、调幅、调相的多重逆变器的PWM波形发生及逆变器故障运行下的保护与告警。2整流电路将风力发电机交流输出转换成直流，供给逆变器输入端。3隔离、驱动及保护电路ISOLATION，DRIVEPROTECTIONCIRCUIT,FPGA输出逆变器各桥IGBT的PWM控制信号。经隔离电路，完成控制系统电路与逆变器主回路的电气隔离；再经由驱动电路送到各IGBT栅极；同时，在逆变器主回路发生故障过流、过热、控制电源欠压等情况下，FPGA4关断PWM控制信号输出。4多重逆变器主电路MULTI1EVELINVERTER采用智能功率模块口M构成电压型串联多重逆变器的主回路。IPM模块将IGBT连同其驱动电路和多种保护电路封装在同一模块内，并且IPM采用标准化的与逻辑电平兼容的栅控接口，使得与控制电路相连时接口电路简化，甚至可以直接相连，且扩展性能极好。5输出合成。多重逆变器的电压输出有两种方式，一种是并联，一种是串联。在串联方式中，输出电压为各变压器的输出电压之和。而在并联方式中，输出电压为各变压器输出电压的平均值。我们采用的是串联方式。将各重输出合成的常用办法有两种，电抗式和变压器连结方式，通常使用变压器连接方式。除了以上几个部分，在一个典型的风力发电系统中，还包括以下几个部分1风机；在图上没有标示出来。风机的作用是将风能转换成机械能。风机主要包括两种立式和卧式。在李树广教授的研究方案中，采用了立式风机。风机的控制由风力发电系统的中心控制器来完成；在立式风力发电系统中，风机的控制主要是风门角度；执行机构由伺服电机来完成。2发电机发电机将由风能转化而来的机械能转换成电能。3太阳能电池在风力发电系统的实际应用中，风能常常与太阳能结合应用在一起。这时候会有一个太阳能电池组与风机协调运行。太阳能及风能产生的电能通过二者公用的蓄电池组来协调。4并网控制器将风力发电系统的电能送到电网上，则需要并网控制器。并网控制器对电网及逆变器输出的幅值、相位、频率进行监测，调整逆变器的运行参数，使之符合并网条件；另外依据一定的并网条件选择电压过零点或电流过零点或其他规则，选择合适的并网时间。22总体要求1完成多重逆变器26重的PWM控制算法，使得输出线电压谐波含量符合电网要求；2逆变器频率、相位、幅值可调。在用于风力发电系统中，频率可调范围为501HZ，精度0。1HZ。相位在0“360度内可调，调节精度在L度以内。调制深度在01范围内可调，调节精度在1以内。3具备逆交器工作故障运行的响应与保护。当逆变器单元出现过流、控制电源欠压、逆变器散热板过熟、逆变器单元断路等故障之一，立即封锁IBGT的驱动脉冲在发现多重逆变嚣单元故障后，控制器发出告警信号。4逆变器可独立运行，也可以运行于风力发电系统中，并能接受中心控制单元的控制。6第三章PWM控制多重逆变器原理31电压型多重逆变器的原理把几个矩形波逆变器的输出组合起来而形成阶梯波，从而消除谐波分量，这就是多重逆变器的目的。以电压型逆变器为例来说明多重逆变器的原理。单相电压型逆变器的输出如图3，1所示，逆变器输出为导通的180。的矩形波，包含所有的奇次谐波。现在只考察其中的三次谐波，如图A所示。如图31B，把两台单相逆变器相位错开60。，在通过变压器串联起来，其合成输出就如图31C所示，为导通120。度的波形，A和B所含的三次谐波互相错开180。，在图31C的输出波形中就不含三次谐波。这样，多重逆变器把几个输出波形按一定的相位差组合起来，使它们所含的谐波分量互相抵消，就可以得到更接近与正弦波的合成波形。L180V2；0RLLILVOUT12O。LL图31多重逆变器原理图FI931BASICIDEAOFMULTILEVELINVERTER311串联单相多重逆变器1串联单相两重逆变器这是最简单的串联单相多重逆变器，其结构如图34所示。假如两者相位差由3，在无脉宽控制0N时，其输出电压波形如图31，三次谐波分量被消除。右图给出的是单相逆变器的原理图。现在来讨论脉宽控制时输出电压多重化特性。图32单相逆变器FI932SINGLEPHASEINVERTER7吾AB图33脉冲宽度调制FIG33BASICIDEAOFPULSEWIDTHMODULATION图33A给出了无脉宽控制时单台逆变器的输出波形，B给出了有脉宽控制时单台逆变器的输出波形。把波形B用傅里叶级数展开可得下式V昙日S；N詈COS耐一J1S证警COSS饼十三咖詈COSS甜L4石EA。妻，_1N12S如丝2耐N次谐波的有效值圪可用下式表示圪242EASN_N孚式中，N为奇数。，另外，N次谐波与基波的比圪K为下式所示丘三墅鱼型K弹SINE2下面考虑单相二重逆交器，即把脉宽控制的单元逆变器相位错开由角后两重化的情况。电路如图34，波形如图35。V1V2V图34串联单相阿重遵燹器图35串联单相两重逆变器电压输出波形8一，引一川一FIG342LEVELSINGLEPLMINVERTERINSERIESFIG352LEVELINVERTEROUTPUTINSEDES垆4石ED钌1M丝2COS1，NOKT。AED2Z1一12L12H7卸十P一朋0，所以蜀。五JAEA24载波频率的整数倍分量K_O，ILO式311式312厶50；式313所以KO。厶05信号波频率和载波频率的和与差的频率分量K0，开I如叫1一铷1_1EAIKL“3】盘华。套矿玑删豳洋删6式314JI乇以一_，一1”妻【1一一1】【1COS等】H册刀融J旷“謦如瓤。乳拍嗍SM警寿2S飒等SIIL三匀一1】式315把这些系数代入式3_，改成实傅立叶级数，可得到线电压的输出波形为V,ES4SINMOT至艺爿毛咖膏疗QF式31621这种方式的特点是V。，目的基波最大值是相电压控制方式的23倍。另外，从前面的项可以看出，在K为3的整数倍时虽然也。不为0，但为0，因此输出波形中不出现载波频率的整数倍分量。也就是说，在正弦波中假如3倍频的波形E。，用五来抑制谐波。主要的谐波分量为03、QL2WO、0，3COO、织4070、蛾5TOO、，土7COO等等。另外，E。的波形也可以是其他各种波形，例如为3倍频的三角波等。在本设计方案中，将采用3倍频的正弦波来改善输出电压。4多重PWM控制用多重连结的方法，也可使PWM逆变器的谐波减少，装置容量增大。本来用正弦波调制就可以除去低次谐波，因此，在构成PWM多重化时，以减少载波谐波分量为目的效果较好。多重化的连结方法主要有变压器方式和电抗器方式两种。5各种载波和信号波的组合输出特性1当载波为三角波或锯齿波、信号波为正弦波时，不含有相对于信号波低次谐波3、5COO。2当载波为三角波或锯齿波，基波的振幅与调制度FT成正比。3载波为正弦波时，会产生相对于信号波的低次谐波，基波振幅和调制度A的线性关系也差，因此实用价值不大。4载波为锯齿波时，有OS、2Q等谐波。而在载波为三角波和正弦波时，这些谐波不存在。这是因为三角波和正弦波是对称的，而锯齿波是非对称的，其输出电压的对称性也受到影响。当载波为三角波或正弦波时，输出脉冲的上升沿和下降沿都被控制。这种方式称为双边调制。而像锯齿波那样只控制一个变化沿的控制方式称为单边调制。在使用微处理器和数字定时器等的调制电路时，单边调制方式的电路构成和软件都比较简单，聊试坚坚6力一舻和N争|；卅。爸娃，一肛墚衅土矿观M以这是其优点。但是从包含的谐波来看，双边调制性能较好。另外，当考虑三相PWM线电压时，双边调制的脉冲输出数是单变调制的2倍，因此谐波的主要成分从吼附近变为2CO,附近，所以更为有利。第四章一种PWM控制多重逆变器算法及仿真41方案比较传统的PWM波形发生的几种途径包括模拟电路的自然采样法、专用集成电路ASIC、带PWM端口的单片机、带PWM端口的DSP以及DSPFPGA的方案。这些方案也体现了近10年，电机交流调速技术相关的半导体技术的发展轨迹。通过分析，我们可以得到各方案的优点及局限，从而有助于我们选择合适的控制系统方案。411模拟电路的自然采样法十几年前，由于电子工业发展的限制，交流变频调速系统大多采用如图4L所示的结构，其电流环是利用三角波和CPU输出的正弦波相比较得到PWM波形来实现的如图42所示。信号的开关时刻由两列波的交点来决定。这种方法电路简单，信号精确，但PWM波形稳定性差，抗干扰能力差。当时，市场上主要有51系列、96系列等单片机，由于其运算速度和内部资源的限制，在保证速度环的速度调节器有足够的速度和精度的前提下已不可能对电流环进行数字化，否则，将会影响整个系统的实时性。然而，虽然这种控制策略有效地保证了良好的动态性能，但它增加了系统的复杂程度，限制了电流环的功能，并且一旦成型便不易更改。图41模拟式电流环的交流变频调速系统结构图FIG41ACVARIABLEFREQUENCYVARIABLESPEEDSYMMWITHANALOGCURRENTLOOPBLOCKDIAGRAAT匿42电流环电路圈FI942SCHCMETICDIAGRAMOFCURRENTLOOP412用专用数字集成电路ASIC来产生SPWM信号目前市场上有很多PWM发生ASIC芯片，比如SIMENS公司的SEL4520，MITEL公司的三相PWM交流电机脉宽调制芯片SA866AE，仅需少量的外围硬件，而且无需繁杂的软件编程。使用ASIC构成PWM控制系统，具体基本特点1无需微处理器；2外接EEPROM编程，可控制运行的参数。对于大批量应用，可工厂掩膜编程；3通过十位数模转换器和外接正反向方向脚DIR可实现连续调速4外接RC振荡电路，由一个专利加法器控制，实现平滑加速和减速，防止损坏功率管和负载；5可同时控制电压和频率的变化，保证在允许的工作频率范围内精确地控制电机磁通的变化，有线性和风扇规律两种VF特性可选择，以满足不同负载要求。恒频调压方式可通用于静止逆变器；6载频可高达24KHZ静音工作，工作频率范围在04KHZ；7所有的PWM发生器都可以输出大电流，足以直接驱动隔离级的光耦。芯片提供各种保护信号。图43给出一个由SA866AE构成PWM控制系统的应用系统组成ACLACDCCONFIGURAT10NCIRCUITPWMGENERATORASICISOLATIONBRVERCIRCUITTOTORSHORTCIRCUITINDICATION图43以ASIC为核心的变频调速系统框图FI943VARIABLEFREQUENCYVARIABLESPEEDSYSTEMBASEDONASIC413采用带PWM输出端口的微处理器，如80C196MC1控制芯片80C196MC介绍80C196MC是一种专门为电机高速控制设计的16位微控制器。它由一个C196核心、一个三相波形发生器WFG和若干个其它片内器件组成，其他器件包括一个AD转换器、一个事件处理门阵列EPA、两个定时器和一个脉宽调制单元。80C196MC波形发生器WFG是80C196MC独具的特点。这一设置大大简化了用于产生脉宽调制PWM波形的控制软件和外部硬件，特别适用于三相交流感应电机。波形发生器WFG可以产生独立的3相6路PWM波，它们有共同的载波频率、无信号时间和操作方式。一旦启动之后，WFG只要求CPU在改变PWM的占空比时加以干涉。2控制系统硬件与功能概述逆变器的控制系统由80C196MC单片机专用系统包括相应的软件、信号检测电路、驱动与保护电路等组成，图44是系统的基本构成。图44以80C196MC为控制系统的逆变器系统的基本构成FIG44INVERTERSYSTEMBASEDON80C196MC80C196MC单片机是控制系统的核心，它接收来自外部的控制信息，按预定算法实时计算三相SPWM波形数据，并由它产生3相6路SPWM信号，然后再经驱动电路去驱动逆变功率开关，完成三相SPWM逆变。变频器的运行参数首先通过上位机设置，80C1961DC系统中有一片EEPROM，用于记忆设定信息，因此掉电后不需重新设定运行参数。开机前通过上位机来设置VF曲线、启动速率。一旦控制系统掉电，逆变器根据EEPROM存储的信息来重新启动逆变器。为了使逆变器安全可靠地工作，本逆变器还设置了过流、过压、过热、缺相、短路、过载等保护功能，所有保护信号均通过一组中断逻辑送至80C196MC的EXTINT端，只要任何一路保护起作用，都将封锁WFG波形发生器输出，禁止三相PWM波的产生。同时将故障以代码形式存于EEPROM中，以便将来检修时通过读取故障代码来迅速判断变频器是发生了何种故障，从而使维修工作便捷、迅速。414采用带P哪输出端口的DSP，如TI公司TMS320C2407每个事件管理模块可以同时产生多达8路的PWM波形输出。由3个带可编程死区控制的比较单元产生独立的3对即6个输出，以及由GP定时器比较产生的2个独立的PWM输出。PWM输出的特性如下A16位寄存器B有从0到16US的可编程死区发生控制器控制PWM输出对C最小的死区宽度为1个CPU时钟周期D有PWM频率的变动可根据需要改变PWM的载波频率E在每个PWM周期内和以后可根据需要改变PWM脉冲的宽度F外部可屏蔽的功率驱动保护中断G脉冲形式发生器电路，用于可编程的对称、非对称以及4个空间矢量的PWM波形产生H自动重装载的比较和周期寄存器使CPU的负荷最小415采用DSPFPGA的方案采用此种方案，控制系统由DSP和FPGA构成，DSP完成采样及控制计算，FPGA负责完成P州波形的产生。DSP在完成控制计算后，定时刷新各相上IGBT的触发脉冲宽度，并送到FPGA；FPGA存储DSP最新刷新的脉冲宽度，发出P删波形，其工作不受DSP的影响。FPGA以全数字方式实现脉冲发生器的所有功能，使系统不但结构紧凑，并具有较高的控制精度和稳定性。FPGA可以独立于主处理器DSP运行，不但减轻了DSP的工作负担，也提高了可靠性。基于FPGA的脉冲发生器原理图见图45，主要包括如下功能单元。A同步信号处理电路SYNCHRONIZATIONCIRCUIT。触发脉冲同步信号的选取对于STATCOM的运行具有重要影响，应采用系统电压的基波正序分量作为同步信号，并经过同步信号处理电路得到同步电压过零信号，在各相的过零信号出现时刻，开始发出相应的PWM波形。同步信号处理电路还具有滤除干扰信号的功能。图45DSPFIGA方案中基于FPGA的脉冲发生器原理示意图FI945BLOCKDIAGRAMOFPWMPULSEGENERATORBASEDONFPGB时钟分配单元CLOCKDISTRIBUTIONMODULE。提供内部时序电路运作的时间基准，进行对外部40MHZ时钟信号的分频。C与DSP的总线接口BUSINTERFACE。接口单元接收DSP写入的PWM脉冲宽度数据，保存在相应存储单元，再由内部波形发生单元读出，产生期望的PWM波形。与DSP的接口单元包括地址锁存、译码、16位数据的写入与读出、写信号处理等功能，对外部的读写信号采用时钟分配单元的内部时钟同步。接口单元具有避免读写竞争的功能。D缓冲及控制存储器块BUFFERMODULE。将PWM脉宽信号存入相应存储单元。P删波形的生成由FPGA来完成。DSP通过实时刷新来控制PWM波形的生成。利用双口RAM实现DSP写入数据的缓冲，可以有效地利用FPGA的资源。数据缓冲区采用了二级结构，并具有如下功能1保证PWM波形的完整性，只有DSP将整组数据都写入内存后，这一组数据才有效；2对于任意一相PWM波形，当启动发生后，新的波形刷新数据只在下一个脉冲周期才起作用。E基本波形发生单元BASICWAVEFORMGENERATOR。利用16位加减计数器实现对PWM的脉冲宽度计数，产生基本的PWM调制波形。F控制逻辑和死区形成电路CONTROLLOGICDEADBANDINSERTIONCIRCUIT。死区时间可编程设定。死区控制电路还用来保证封锁脉冲时的最小脉冲宽度限制。控制逻辑还实现监视器WATCHDOG功能，监视DSP的运行，在DSP出现不正常的情况下，自动产生至DSP的复位信号，但不影响FWM脉冲的产生和输出。G脉冲输出逻辑PULSEOUTPUTMODULE。实现PWM脉冲分配、脉冲输出、开机停机控制、故障情况下脉冲封锁、最小开通关断脉冲限制等功能。H不对称控制能力。在系统三相不对称的情况下，由于系统负序电压的作用将有可能造成IGBT的过电流及直流侧电压的波动，需要采取不对称控制策略来保证装置的安全运行。由于采用了分相结构的PWM发生电路，DSP可以对三相PWM脉冲分别控制，从而能够通过改变控制规律实现不对称控制。在直流侧上、下电容电压出现不对称的情况时，通过P州发生电路控制其所输出的PWM脉冲波形正、负半波的相对相位，可以实现对直流侧电容电压的不平衡控制。42单FPGA构成多重逆变器PWLVL控制系统分析PWM控制多重逆变器的控制系统，主要有以下需求1被控对象多。考虑到每重逆变器主电路有6个被控开关，N重逆变器则需要6N个被控对象，采用传统的带PWM接口的单片机如80C196MC无法实现；采用T1240系列也只能实现两重逆变器的控制。而FPGA的接口非常丰富，用户可以根据自己需要来自行定义，因此，FPGA的引入是必然的。2运算速度。多重逆变器，各重各相之间的PWM信号存在一个内子的相位差的联系，因而对PWIVL的运算要求比较高。综合考虑以上需求，有两种方案可以考虑，一是DSPFPGA构成控制系统；另外一种，也即本设计所采用的方案，将原来DSP中的运算功能模块也转移到FPGA中完成，从而简化了系统的结构。FPGAFIELDPROGRA如ANABLEGATEARRAY的主要特点是1速度快运行时钟频率大概在几十到几百MLTZ；2规模大从几千门到上千万门，可以实现SOCSYSTEMONACHIP3灵活性高对FPGA不仅其逻辑可重写，其I0N亦可重新分配；在不改变电路硬件的情况下，重新配置电路；4设计开发方便可采用原理图输入或HDL开发，可移植性好；2功能强大可实现复杂运算且速度快，FPGA内部系统频率可达几百兆赫兹。基于FPGA的PVOV控制多重逆变器的实现将在第五章中详细介绍。43多重逆变器的PWM控制算法及其IATLABSIIULINK模型仿真431多重逆变器的PL1控制算法系统框图算法框图请参看图46。S白耐口艮田SYSTMCLCEKHITSTATE血T帮UNITV01LARRAYROLL龇DLI唱COCO崦医脚UHTIOND龇VOLTRATIO曼LI诎SI目甚LR珥INITIALPHASEDIFFERENCEGXRECT口OFF图4石多重逆变器的PV啊VI控制算法框图FI946MULTILEVELINVERMRPWMCONTROLALGORITHMBLOCKDIAGRAM多重逆变器的PWM控制算法主要包括以下主要模块波形发生器WAVEFORMGENERATOR、单元脉宽分配WIDTHRATIODISTRIBUTION、单元P删脉宽计算UNITPULSEWIDTHCALCULATION以及逻辑发生LOGICDISTRIBUTION；其他还包括告警提示ALARMINDICATION和死区发生DEADBANDINSERTION等。一、波形发生器WAVEFORMGENERATIONBLOCK波形发生器的作用是依据实时的电压和频率信号实现波形输出和数据采集并进行故障的检测和处理。波形发生器的功能波形发生过程的计算与数据传输，保护逻辑，与变流单元的通讯。波形发生器的原理框图如图47所示。1、全部计算过程有三个周期，系统载频周期SYSTEMCARRIERCYCLE计算周期、单元载频周期UNITCARRIERCYCLE和半桥载频周期HALFBRIDGECARRIERCYCLE。其相互关系单元载频周期3菜相变流单元数系统载频周期半桥载频周期2单元载频周期2、在一个系统载频周期中，完成如下计算1根据设定基波频率SIGNALFREQFO和系统载频SYSTEMCARRIERFREQFS计算出本周器所对应的转角QOQ2丌QQLQ其中Q转角增量，AQ2靠卑基波频率FO系统载频FS；瓴上一个系统载频周期的转角。2再根据本周期的转角Q计算三相余弦值OC1CUCOSQ十QZQUCVCOSQ23QZQVCWCOSQ23QZQWUNITSTATEARRAYSYSTEMCLOCKSYSCARRIERFREQSTANDARDUNITSNUMBERUNITVOLTARRAYVOLTMATCHINGCOEFF，MAXMODULATIONDEPTHVOLTRATIOAMPLITUDESIGNALFREQINITIALPHASEPHASEDIFFERENCECORRECTORCOEFFRKINGUNITADDRU，V。PUISEWIDTHBEYONDTHE妇RKALARMU。V_|WORKINGNUMBERMODULATIONDEPTHU，V，“。PULSEIDTHU，V砷图47波形发生器单元框图FIG47WAVEFORMGENERATIONBLOCKDIAGRAM其中QZ为波形延迟修正角，QU为U相相角差值，QV为V相相角差值，如为W相相角差值。考虑到为改善输出线电压波形，可以采用线电压控制方式原理参考第322节同步式P州逆变器，线电压控制部分，在相电压中加入3次谐波分量，EPCOS3QP6。QP为三相当前的计算转角包括波形延迟修正角和相角差角。3调制深度计算电压比幅值U用直流电压系数D、输出电压适配系数V、变相位差系数KU、KV、KW、标准单元数N、T作单元数NU、NV、等修正，并用最大调制深度AM限幅，得到该周期的调制深度AU、AV、AW。当达到限幅值时，其相应的调制深度等于限幅值，同时报警。AUKU宰U书D事V木NNUAVKV木U木D木V堆NNVAVEKW宰U宰D牛VNNW4调制深度与余弦值相乘得到该系统周期的占空比ZUAU木CUZVAVCVZWAWCW5根据工作变流单元数计算单元载频周期U相单元载频周期TU3宰NU奉FCFS系统周期V相单元载频周期TV3奉NV木FCFS系统周期W相单元载频周期TW3幸NWFCFS系统周期其中工作单元数NU、NV、NW是某一相中同时有输出的单元总数；有效单元数MU、MV、脚是某一相中可以有输出的单元总数；标准单元数N是某一相中设计要求的单元总数；系统时钟频率FC；系统载频FS；FCFS为系统载频周期时钟脉冲个数。6计算本周期对应的单元号。单元号作为占空比和单元载频周期的地址在单元号总线上发送。单元号的计算方法是按三相中最大的级数进行外循环，同时按相数进行内循环。当每一相的工作单元数等于标准单元数时。单元号顺序自然递增；而有效单元数小于标准单元数时，表示某一相中有部分单元不能工作，其较高号数的单元自然补上，保证外循环的进行；当工作单元数小于有效单元数时，表示有部分单元停止输出，这时轮空的单元号要逐次逐个变化。当电压比小于某一个常数时，开始线性减小工作单元数，达到1时为止。3L当电压比小于某一个常数时，开始线性减小工作单元数，达到L时为止。3保护逻辑波形发生器上响应和处理故障信号。故障信号的来源为变流单元的停机信号。停机信号的功能A输出群呼信号，将所有变流单元上的输出参数清零；B将电压比幅值和基波频率寄存器清零，关闭输出转换开关；C将发生停机信号的输入端编码记录下来。二、单元脉宽分配波形发生器给出各相的占空比输出以及工作单元号地址，脉宽分配单元依据当前的工作单元号，与所有单元的单元地址进行比较；单元号设定地址与当前工作单元号地址相同的单元将置位单元触发信号使其有效；单元触发信号的上升沿将触发对应相占空比输出，并锁存当前占空比的值至下一单元触发信号来临；锁存的时间为单元周期。占空比锁存模块的原理框图如图48。WIDTHRATIOU。V，移二剖M曲二二。W。I州DTH。，R，A怖TIO珂三嚣筒二刮C锄PARISONELEENT三二厂麓。ALI嚣。图48占空比锁存模块原理框图FIG48WIDTHRATIODISTRIBUTIONMODULEBLOCKDIAGRAM其中，输入为各相脉宽输出WIDTHRATIOU、V、毋，及工作单元号地址WORKINGUNITADDRESSU、V、W；各单元被指定一单元地址。比较单元COMPARISONELEMENT用来比较该单元号地址与当前工作单元号地址，产生单元触发脉冲。占空比锁存模块在单元触发脉冲的触发下输出该单元脉宽输出WIDTHRATIOOUTPUTUNU，VNV，WNW及单元触发脉UNITTRIGGERUNU，VNV，WNW。其中UNU表示U相各单元，NU代表U相单元号，NUE1，NU；同理，NVE1，NV，NWE1，NW。三、单元PWM脉宽计算与逻辑发生各相各单元的占空比输出波形，与单元触发信号触发下，与载波相比较得到PWM波形。载波周期为单元周期；载波频率系统载频3NU。V，W。由此也可看出，多重逆变器有利于降低各单元半导体器件的开关频率。得到的PWM波形经逻辑发生模块转换G小把惭嘶M姐成IGBT上下桥臂的栅极控制波形。四、死区发生模块逆变器桥式电路在应用时最关键的是要保证每组桥臂不能发生短路直通现象。也就是，从输出逻辑上，要保证当上桥臂开通时，下桥臂必须关断，反之亦然。由于桥式电路由开关器件构成，它们的开通或关断需要一定的时间，因此，在上、下桥臂状态转换时，开关器件会有一个共处放大状态的交叉区间，从而导致短路直通现象的发生。为了避免这一点，就要在上下桥臂状态转换时插入一个无信号的死区时间，确保先完全关断再开通。死区发生模块，首先要根据需要的死区时间设定死区控制寄存器的值，死区控制寄存器的值乘以系统时钟周期即死区时间。432多重逆变器PWM控制算法的MATLABSI删LINK模型仿真与分析一、P硼控制两重逆变器的仿真1参数设定系统载频600HZ系统时钟；540，000HZ设定输出频率50HZ系统载频周期TC540000600900单元载频周期3半某相变流单元数木系统载频周期6TO半桥载频周期2单元载频周期12TC电压比幅值UO79标准单元数2有效单元数2最大调制深度AL095电压适配系数L初相角0图49三相相电压输出波形A无三次谐波补偿B无三次谐波补偿系统载频600HZFIG492一LEVELINVERTERPHASEVOLTAGEOUTPUTWAVEFORSYSTEMCARRIERFREQ600HZA2LEVELPHASEVOLTAGEOUTPUTWAVEFORMWITHOUT3“HARMONICCOMPENSATION卜卜卜B卜十一一L；【JILLILB2LEVELPHASEVOLTAGEOUTPUTWAVEFORMWITH3“HARMONICCOMPENSATION图4LO线电压输出波形A有三次谐波补偿B无三次谐波补偿系统载频600HZFIG4102LEVELINVERTERLINEVOLTAGEOUTPUTWAVEFORMSYSTEMCARRIERFREQ600HZA2LEVELINVERTERPHASEVOLTAGEOUTPUTWAVEFORMWITHOUT3“HARMONICCOMPENSATIONB2LEVELINVERTERPHASEVOLTAGEOUTPUTWAVEFORMWITHOUT酽HARMONICCOMPENSATION2参数设定系统载频21，600HZ系统时钟540，000HZ设定输出频率50HZ系统载频周期TC5400002160025单元载频周期3某相变流单元数冲系统载频周期6TC半桥载频周期2单元载频周期12TC电压比幅值U079标准单元数2有效单元数2最大调制深度AM095电压适配系数1初相角0FIG4II2LEVELINVERTERPHASEVOLTAGEOUTPUTWAVEFORMSYSTEMCARRIERFREQ21600HZA2一LEVELINVERTERPHASEVOLTAGEOUTPUTWAVEFORMWITHOUT3“HARMONICCOMPENSATIONB21EVELINVERTERPHASEVOLTAGEOUTPUTWAVEFORMWITH3“HARMONICCOMPENSATION图412两重逆变器线电压输出波形A无三次谐波补偿B有三次谐波补偿系统载频21600HZFI94122LEVELINVERTERLINEVOLTAGEOUTPUTWAVEFORMSYSTEMCARRIERFREQ21600HZA2LEVELINVERTERLINEVOLTAGEOUTPUTWAVEFORMWITHOUT3“HARMONICCOMPENSATIONB2LEVELINVERTERLINEVOLTAGEOUTPUTWAVEFORMWITH3一HARMONICCOM