基于DSP控制的三電平變頻器的研究

０　引言

三電平逆變器相對(duì)于傳統(tǒng)的兩電平而言，它可以使主開(kāi)關(guān)器件的電壓降低一半。由于輸出多了一個(gè)電平，可以使ｄｕ／ｄｔ　降低一半，從而使輸出電壓諧波減小，有利于實(shí)現(xiàn)輸出電壓波形的正弦化，特別適合于高壓大容量的電力電子變換系統(tǒng)。它普遍采用空間電壓矢量脈寬調(diào)制的控制策略，將ＤＳＰ數(shù)字控制技術(shù)應(yīng)用于三電平逆變器，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)性能，還可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

１　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

１．１　系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)

圖１為變頻器主電路結(jié)構(gòu)圖，它大體上由４　部分組成：二極管組成的ＡＣ／ＤＣ整流器；ＩＧＢＴ　構(gòu)成的ＤＣ／ＡＣ逆變器；電壓和電流信號(hào)采樣檢測(cè)電路和由ＤＳＰ　組成的控制電路。主電路采用了傳統(tǒng)的交—直—交變頻結(jié)構(gòu)，整流部分采用１２　脈波二極管整流電路，逆變部分采用二極管箝位逆變電路，它是由日本學(xué)者Ａｊｕｒａ?。危幔猓幔濉〗淌谟冢保梗福薄∧晏岢鰜?lái)的，并且得到了廣泛應(yīng)用。這種電路通過(guò)多個(gè)功率器件串聯(lián)，按一定的開(kāi)關(guān)控制產(chǎn)生需要的電平級(jí)數(shù)，在輸出端合成相應(yīng)的正弦波。

三電平變頻器的整流電路標(biāo)準(zhǔn)配置為１２脈波整流電路（即輸入變壓器為三繞組，二次采用Ｄ和Ｙ接法，兩組二次繞組對(duì)應(yīng)線(xiàn)電壓之間的相位差為π／６，從而使整流后的電壓波形具有１２個(gè)脈波，同時(shí)大大減少了整流器產(chǎn)生的諧波電流），而輸入側(cè)采用諧波濾波器可以進(jìn)一步減少整流器產(chǎn)生的諧波電流。

由于箝位二極管把開(kāi)關(guān)器件兩端的電壓限制在直流母線(xiàn)電壓的一半，所以相對(duì)于兩電平逆變器，三電平電路中的開(kāi)關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力大大減輕，而輸出功率增加了一倍。

１．２　驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

ＩＧＢＴ　驅(qū)動(dòng)電路選擇的合理性和設(shè)計(jì)的正確性對(duì)功能的實(shí)現(xiàn)極其重要。ＩＧＢＴ　的通態(tài)電壓、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、承受短路能力等參數(shù)均與門(mén)極驅(qū)動(dòng)條件密切相關(guān)。

ＩＧＢＴ　的驅(qū)動(dòng)電路包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分，多采用專(zhuān)用的混合集成驅(qū)動(dòng)器，常用的有三菱公司的Ｍ５７９系列（如Ｍ５７９６２Ｌ　和Ｍ５７９５９Ｌ）和富士公司的ＥＸＢ系列（如ＥＸＢ８４０、ＥＸＢ８４１、ＥＸＢ８５０和ＥＸＢ８５１），其內(nèi)部具有退飽和檢測(cè)和保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過(guò)電流時(shí)能快速響應(yīng)，慢速關(guān)斷ＩＧＢＴ，并向外部電路給出故障信號(hào)。本次設(shè)計(jì)選用三菱公司的Ｍ５７９６２Ｌ，正驅(qū)動(dòng)電壓均為＋１５Ｖ左右，負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓為－１０Ｖ，如圖２所示。本次設(shè)計(jì)共有１２路這樣的驅(qū)動(dòng)。

２　變頻器設(shè)計(jì)基本原理

２．１　三電平空間電壓矢量ＰＷＭ（ＳＶＰＷＭ）

ＳＶＰＷＭ控制技術(shù)最初源于電動(dòng)機(jī)磁鏈跟蹤技術(shù)。這種方法是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，其目標(biāo)是使交流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生圓形磁場(chǎng)。在交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，為了產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，必須保證定子電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，這種以產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為目標(biāo)，合理控制開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷的ＰＷＭ控制就是磁鏈跟蹤技術(shù)。磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量相加得到，因此

這種控制方法也稱(chēng)為電壓空間矢量控制。

當(dāng)用三相平衡的正弦電壓向交流電動(dòng)機(jī)供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈空間矢量幅值恒定，并以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)軌跡形成圓形的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（磁鏈圓）。因此如果有

一種方法使逆變電路能向交流電動(dòng)機(jī)提供可變頻電源、并能保證電動(dòng)機(jī)形成定子磁鏈圓，就可以實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。

三電平電壓型逆變電路如圖３　所示。三電平逆變器的每一個(gè)橋臂上有４　個(gè)開(kāi)關(guān)管、４個(gè)反向恢復(fù)二極管和２個(gè)箝位二極管。

通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管Ｖｉ１、Ｖｉ２、Ｖｉ３、Ｖｉ４（其中ｉ＝ａ、ｂ、ｃ） 的開(kāi)通和關(guān)斷可以在該ｉ橋臂輸出三種不同的電平，即Ｕｄｃ／２、０、－　Ｕｄｃ／２。當(dāng)一個(gè)橋臂上Ｖｉ１、Ｖｉ２　兩管導(dǎo)通，Ｖｉ３、Ｖｉ４兩管關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)Ｓｉ為１，橋臂輸出電壓為Ｕｄｃ／２；Ｖｉ２、Ｖｉ３兩管導(dǎo)通，Ｖｉ１、Ｖｉ４兩管關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)Ｓｉ為０，橋臂輸出電壓為０；Ｖｉ３、Ｖｉ４兩管導(dǎo)通，Ｖｉ１、Ｖｉ２兩管關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)Ｓｉ為－１，橋臂輸出電壓為－?。眨洌悖?，每相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)有３種即１、０、－１。因此三相三電平逆變器有２７　種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其中有效的有１９種，稱(chēng)為基本電壓空間矢量。按照空間矢量幅值大小可分把基本電壓空間矢量為四類(lèi)：零電壓空間矢量（零矢量）ｖ０；小電壓空間矢量（小矢量）ｖ１、ｖ４　、ｖ７、ｖ１０、ｖ１３、ｖ１６；中電壓空間矢量（中矢量）ｖ３、ｖ６、ｖ９、ｖ１２、ｖ１５、ｖ１８；大電壓空間矢量（大矢量）ｖ２、ｖ５、ｖ８、ｖ１１、ｖ１４、ｖ１７。其中零電壓空間矢量對(duì)應(yīng)三個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)（１?。薄。保?、（０?。啊。埃ⅲǎ薄。薄。保?，每個(gè)小電壓空間矢量都有兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，電壓空間矢量圖如圖４所示。

２．２　恒Ｕ／ｆ控制原理

在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，要獲得良好的性能指標(biāo)，須保持磁通量椎ｍ額定不變。如果磁通太弱就沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵芯，是一種浪費(fèi)；如果過(guò)分增大磁通，又會(huì)使鐵芯飽和，過(guò)大的勵(lì)磁電流使繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)。

三相異步電動(dòng)機(jī)的每相電動(dòng)勢(shì)的有效值為

要保持磁通量額定不變，變頻調(diào)速中須維持Ｅ／ｆ＝　常數(shù)。但是，電機(jī)定子氣隙電勢(shì)難以直接測(cè)量、控制。

因此，變頻器要維持恒磁通，只要使Ｕ與ｆ成比例改變即可。該控制方式簡(jiǎn)稱(chēng)恒Ｕ／ｆ控制。


３　控制策略

３．１　系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

普通變頻器一般采用速度開(kāi)環(huán)變壓變頻控制，如圖５所示。

該系統(tǒng)采用電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)變壓變頻控制，可以由開(kāi)環(huán)給定一個(gè)頻率值或者由系統(tǒng)中的某一參數(shù)和其反饋值經(jīng)過(guò)ＰＩ　調(diào)節(jié)得到系統(tǒng)的輸出頻率，通過(guò)Ｕ／ｆ曲線(xiàn)得到一個(gè)電壓值，再由ＳＶＰＷＭ波形發(fā)生器產(chǎn)生ＳＶＰＷＭ觸發(fā)脈沖，這樣就可以通過(guò)改變功率器件ＩＧＢＴ　的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制，通過(guò)控制逆變橋的工作周期來(lái)控制輸出頻率。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，主要包括頻率斜坡函數(shù)發(fā)生器、Ｕ／ｆ函數(shù)發(fā)生器、電流限制調(diào)節(jié)器、電壓限制調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償、低頻阻抗壓降補(bǔ)償、ＰＩ　調(diào)節(jié)等控制環(huán)節(jié)。圖５中的控制部分主要由數(shù)字化來(lái)實(shí)現(xiàn)，其控制核心由數(shù)字化信號(hào)處理器（ＤＳＰ）完成。其時(shí)鐘頻率為４０　ＭＨｚ。

３．２?。模樱械倪x型

ＤＳＰ是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，廣泛采用流水線(xiàn)操作，提供特殊的ＤＳＰ指令，可以用來(lái)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。

為了滿(mǎn)足三電平逆變器的控制要求和ＳＶＰＷＭ控制算法運(yùn)算量大及實(shí)時(shí)電壓、電流檢測(cè)、分析和計(jì)算的特點(diǎn)，結(jié)合本系統(tǒng)需要較強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力和ＤＳＰ應(yīng)用普及程度，ＤＳＰ選用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ。

３．３　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

為了獲得良好的運(yùn)行效果，合理地編制控制軟件是十分重要的。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，為了調(diào)試方便，系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，即每一模塊完成一定的功能。程序由主程序、ＡＤＣ中斷服務(wù)子程序、功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)（ＰＤＰＩＮＴ）中斷服務(wù)子程序和ＰＷＭ　中斷服務(wù)子程序組成，其流程圖如圖６和７所示。

主程序的工作主要是完成初始化，并對(duì)啟動(dòng)、停止按鈕狀態(tài)及過(guò)流過(guò)壓查詢(xún)。

ＡＤＣ　中斷服務(wù)子程序的工作是采樣電壓、電流信號(hào)。

功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)（ＰＤＰＩＮＴ）中斷服務(wù)子程序的工作是封鎖ＰＷＭ輸出，保護(hù)功率器件。

ＰＷＭ　中斷服務(wù)子程序的工作如下：

１）確定參考電壓矢量的大小和角度，判斷矢量屬于哪個(gè)扇區(qū)，大的扇區(qū)比較容易判斷，只要判斷大小就可以確定在哪個(gè)大扇區(qū)；

２）確定參考電壓矢量屬于哪個(gè)小三角形區(qū)中；

３）根據(jù)所在小三角區(qū)位置確定該扇區(qū)參考電壓矢量對(duì)應(yīng)的空間矢量，計(jì)算各個(gè)對(duì)應(yīng)空間矢量的作用時(shí)間；

４）再根據(jù)電壓的比較（采樣電壓的大?。?duì)控制因子調(diào)整，合理分配小矢量的作用時(shí)間，合理安排脈沖順序；

５）根據(jù)參考電壓矢量的幅值確定開(kāi)關(guān)模式；

６）根據(jù)開(kāi)關(guān)模式把相對(duì)應(yīng)矢量作用時(shí)間寫(xiě)入對(duì)

應(yīng)的比較寄存器中。

４　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前面介紹的系統(tǒng)硬件電路和軟件控制算法，對(duì)制作的原理樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了異步電動(dòng)機(jī)輕載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況，以此來(lái)檢測(cè)原理樣機(jī)的可行性，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了波形記錄，如圖８、圖９、圖１０所示。實(shí)驗(yàn)用電機(jī)的參數(shù)如下：額定電壓Ｕｎ＝３８０?。?，額定電流Ｉｎ＝　４．８７?。?，額定頻率ｆ＝５０　Ｈｚ，額定功率Ｐｅ＝２　２００Ｗ。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程測(cè)試了在不同頻率輸出時(shí)電機(jī)的電流，從實(shí)驗(yàn)波形可以看出，其輸出電流是正弦波，由于采用了死區(qū)補(bǔ)償，即使在低頻時(shí)，波形的畸變也不大。這和前面分析的理論相一致。但從實(shí)驗(yàn)波形也可看出，有諧波產(chǎn)生，產(chǎn)生諧波的原因主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：第一，利用ＤＳＰ產(chǎn)生的ＳＶＰＷＭ波形，不能?chē)?yán)格保證輸出的ＰＷＭ波形的面積與理想中相對(duì)應(yīng)的正弦波面積完全相等；第二，ＳＶＰＷＭ波形控制方法本身不可避免地造成逆變器輸出波形有所失真；第三，功率開(kāi)關(guān)器件存在固有的開(kāi)通與延時(shí)時(shí)間。