基于FPGA和DSP的高壓變頻器中性點(diǎn)偏移技術(shù)的算法實(shí)現(xiàn)

時(shí)間：2018-09-27 13:00:09

關(guān)鍵字：變頻器技術(shù) 算法高壓

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0 引言

　　在高壓變頻器正常運(yùn)行過程中，如果功率單元出現(xiàn)故障，一般的實(shí)現(xiàn)方法是將此故障功率單元旁通，同時(shí)讓其它兩相相應(yīng)的功率單元也同時(shí)旁通，這樣使變頻器A、B、C 三相輸出相電壓相等，從而保證線電壓相等，使電機(jī)的三相電流平衡。但是在旁通過程中，由于同時(shí)旁通掉3個(gè)功率單元，所以電流沖擊較大，可能造成系統(tǒng)過流停機(jī)。并且在旁通后高壓變頻器的輸出功率降低較多，因此使電機(jī)輸出功率減小。

1 中性點(diǎn)偏移技術(shù)原理分析

　　目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的高壓變頻器大多采用功率單元串聯(lián)疊加多電平，VVVF控制方式。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。A、B、C三相各6 個(gè)功率單元，每個(gè)功率單元輸出電壓為577 V，相電壓UAO=UBO=UCO=3 462 V，線電壓UAB=UBC=UCA=6 000 V。如果出現(xiàn)任意1 個(gè)功率單元故障旁通時(shí)，勢(shì)必造成系統(tǒng)不平衡，從而導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。經(jīng)過公司研發(fā)人員的理論推導(dǎo)及技術(shù)分析，提出了“中性點(diǎn)偏移”的方法。

　　如圖2（此圖按照等比例1頤5.77所繪）所示，如果A 相有一個(gè)功率單元故障旁通掉，中性點(diǎn)由O偏移到O憶（虛擬中性點(diǎn)），經(jīng)過運(yùn)算，線電壓由原來的1 039.23 V（1 039.23伊5.77=5 996 V）變?yōu)?78.5 V（978.5伊5.77=5 646），相角度由120毅變?yōu)?25.4毅和109.2毅。雖然相電壓不相等，但是輸出的線電壓保持相等。這樣就保證了電機(jī)的三相電流平衡。同理如果出現(xiàn)2 個(gè)或3 個(gè)單元旁通時(shí)，經(jīng)過復(fù)雜運(yùn)算，也可實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)偏移，從而保證輸出的線電壓相等。

2 FPGA 中各種功能模塊的算法實(shí)現(xiàn)

　　中性點(diǎn)偏移的算法實(shí)現(xiàn)，主要是通過現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）來實(shí)現(xiàn)的。DSP 主要采集功率單元的故障信息并進(jìn)行處理后，發(fā)出旁通信號(hào)、地址和數(shù)據(jù)信號(hào)給FPGA。

　　FPGA收到這些數(shù)據(jù)后，做相應(yīng)處理。中性點(diǎn)偏移的算法實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖3所示。其中，DSP采用TI 公司的TMS320F206，F(xiàn)PGA 采用Altera 公司的EP1C6Q240C8。

　　2.1 芯片簡(jiǎn)介

　　TMS320F206 是TI 公司推出的一種DSP 芯片，它是基于TMS320C5x 之上的高速定點(diǎn)數(shù)字處理芯片，具有改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)（程序總線和數(shù)據(jù)總線分離）、高性能CPU及高效的指令集等特點(diǎn)。其主要特性有：CPU具有32 位CALU、32 位累加器、16伊16 位并行乘法器、3 個(gè)移位寄存器、8 個(gè)16 位輔助寄存器。存儲(chǔ)器具有224 kB 可尋址存儲(chǔ)空間、544 B片內(nèi)DRAM、4 kB 片內(nèi)SRAM 或32 kB片內(nèi)快閃存儲(chǔ)器。指令速度可達(dá)25 ns單指令周期。外圍電路有軟件可編程定時(shí)器、軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、片內(nèi)鎖相環(huán)時(shí)鐘發(fā)生器、同步和異步系列串口等。

　　EP1C6Q240C8是Altera 公司推出的主流低成本FPGA-Cyclone系列。Cyclone器件采用0.13 滋m的工藝制造，其內(nèi)部有2 個(gè)鎖相環(huán)（PLL）、20 個(gè)M4K RAM塊、具有5 980個(gè)LE 的邏輯容量、最大用戶I/O 為185、支持高速LVDS 接口，性能可達(dá)到311 Mb/s。

　　2.2 DSP數(shù)據(jù)處理

　　當(dāng)故障信號(hào)（包括IGBT過流，直流過壓，無PWM信號(hào)等）上傳到DSP 中時(shí)，DSP對(duì)故障位進(jìn)行判斷，封鎖相應(yīng)故障功率單元的PWM 信號(hào)，然后執(zhí)行旁通程序，對(duì)每個(gè)功率單元按順序進(jìn)行掃描，對(duì)有故障的功率單元進(jìn)行記憶，然后發(fā)出旁通命令及對(duì)應(yīng)的旁通地址和相應(yīng)數(shù)據(jù)。

　　2.3 地址信號(hào)編碼和總線數(shù)據(jù)處理

　　地址信號(hào)分為旁通地址、同步地址、偏移地址，均通過ab[7..0]實(shí)現(xiàn)。旁通時(shí)A、B、C 三相分別對(duì)應(yīng)一個(gè)地址。通過此地址DSP 向FPGA 發(fā)送旁通命令、同步數(shù)據(jù)及偏移數(shù)據(jù)。地址信號(hào)編碼如圖4 所示。

　　總線數(shù)據(jù)包括旁通命令位、同步數(shù)據(jù)量、偏移數(shù)據(jù)量，通過數(shù)據(jù)總線gcm_data[15..0]來接收，A、B、C 三相分別對(duì)應(yīng)一個(gè)地址。在相應(yīng)地址選通后，DSP 向FPGA 寫數(shù)據(jù)，由FPGA 來保存這些數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)用完后進(jìn)行清零。如圖4 所示，旁通輸出數(shù)據(jù)為gcm_a_pt_ [15..0]、gcm_b_pt_[15..0]、gcm_c_pt_[15..0]，同步和偏移輸出數(shù)據(jù)信號(hào)為a_q[15..0]、b_q[15..0]、c_q[15..0]。

　　在FPGA 中用于查表的地址數(shù)據(jù)主要用于正弦波查表，改變此地址可生成不同頻率的正弦波形。如圖4 所示的ab[7..0]有效時(shí)，改變gcm_data[15..0] 的值可以產(chǎn)生不同的地址信號(hào)a_q[15..0]、b_q[15..0]、c_q[15..0]，此三個(gè)地址信號(hào)用于正弦波查表的地址輸入值。

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1 中性點(diǎn)偏移技術(shù)原理分析

2 FPGA 中各種功能模塊的算法實(shí)現(xiàn)

　　2.1 芯片簡(jiǎn)介

　　2.2 DSP數(shù)據(jù)處理

　　2.3 地址信號(hào)編碼和總線數(shù)據(jù)處理

　　2.4 頻率合成器及乘法器的實(shí)現(xiàn)

　　在FPGA 中利用Altera 的quartusII 軟件的圖形化解決方案，應(yīng)用Verilog HDL 語言編寫子程序，如圖5 所示，gcm_lpm_rom 為頻率合成器程序圖形。頻率合成器包括一個(gè)11 位最高有效位（MSB）的地址表address [10..0]，連接一個(gè)SINROM的查閱表（LUT）上，從而產(chǎn)生所需要的輸出數(shù)據(jù)q[7..0]。利用ModelSim軟件進(jìn)行仿真，當(dāng)?shù)刂酚行Ш螅敵鱿鄳?yīng)的波形數(shù)據(jù)，波形如圖6 所示。

　　如圖5 所示幅值信號(hào)b[10..0]是由DSP 計(jì)算后，通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送到FPGA 中，當(dāng)?shù)刂愤x通后FPGA保存此數(shù)據(jù)，然后分別給A、B、C 三相，用于和頻率值相乘。gcm_lpm_mult 為乘法器程序圖形，乘法器輸入信號(hào)包括一個(gè)8 位最高有效位（MSB）的乘數(shù)a[7..0]和一個(gè)11 位最高有效位（MSB）的被乘數(shù)b[10..0]及時(shí)鐘信號(hào)，輸出一個(gè)19 位最高有效位（MSB）的數(shù)據(jù)out[18..0]。利用ModelSim軟件進(jìn)行仿真，波形如圖7 所示，當(dāng)a 乘以b 后，輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。例如乘數(shù)a=01，被乘數(shù)b=7ff，輸出結(jié)果out=007ff。

　　2.5 三角波發(fā)生器及PWM 信號(hào)生成

　　高壓變頻器的變頻變壓（VVVF）控制方式主要是為了保證磁通不變，如果磁通增加，將導(dǎo)致鐵心飽和，進(jìn)而引起勵(lì)磁電流的畸變，使電動(dòng)機(jī)不能正常工作。VVVF控制主要采用正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）方法實(shí)現(xiàn)，如圖8 所示為單極性SPWM調(diào)制方式。

　　圖8 中（a）為調(diào)制波和載波，（b）為單極性SPWM波形。（a）中的正弦調(diào)制波的周期決定于所需要的調(diào)頻比，等腰三角波的載波的周期決定于載波頻率，振幅不變。如圖9所示，利用Altera 的quartusII 軟件的圖形化解決方案，應(yīng)用VerilogHDL 語言編寫子程序，gcm_sjpkzx 為三角波發(fā)生器，在ena 使能的狀態(tài)下，輸出數(shù)據(jù)先增加后減小，通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字量三角波的生成，利用ModelSim 軟件進(jìn)行仿真的波形如圖10 所示。

　　gcm_lpm_compare為比較器，由三角波發(fā)生器輸出的數(shù)據(jù)接到輸入數(shù)據(jù)dataa[10..0]，此為三角波數(shù)據(jù)。由乘法器輸出的數(shù)據(jù)接到datab[10..0]，取out[18..0]的高11 位，此為正弦波數(shù)據(jù)。當(dāng)三角載波小于基波的時(shí)候輸出為高電平。如圖11 所示，輸出信號(hào)aleb為PWM信號(hào)。

3 中性點(diǎn)偏移技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

　　由FPGA生成的PWM信號(hào)，進(jìn)行編碼之后，通過光纖傳送到功率單元。編碼信號(hào)中包括了各種控制信號(hào)，如果功率單元產(chǎn)生故障，這其中就會(huì)包含旁通信號(hào)，需要偏移的數(shù)據(jù)量，同步信號(hào)等。

　　系統(tǒng)充分利用了FPGA（EP1C6Q240C8）的資源，使系統(tǒng)電路獲得極大的簡(jiǎn)化，1 片EP1C6Q240C8 芯片可以完成6 個(gè)功率單元的時(shí)序控制和邏輯控制功能。FPGA 接收DSP 發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了旁通控制及偏移角度的執(zhí)行，每個(gè)周波進(jìn)行一次同步信號(hào)的處理，實(shí)現(xiàn)了故障功率單元在200 ms 內(nèi)完成無擾動(dòng)旁通。如圖12 所示為A 相1 個(gè)功率單元旁通時(shí)的輸出電壓波形，輸出電流如圖13 所示。從圖中可以看出，在旁路過程中沒有產(chǎn)生擾動(dòng)，保證了異步電動(dòng)機(jī)能夠正常運(yùn)行，不影響生產(chǎn)。

4 結(jié)語

　　以FPGA為核心的控制系統(tǒng)具有靈活的重復(fù)可編程能力，強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力及時(shí)序控制能力，它無疑具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。