基于DSP和CPLD的載波移相多電平PWM實(shí)現(xiàn)的研究

　　1 引言

　　隨著電力電子技術(shù)和電力半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，中壓大功率傳動(dòng)設(shè)備在石油化工、礦山開(kāi)采、軋鋼和冶金、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，不僅提高了資源的利用率，同時(shí)還降低了生產(chǎn)的成本，其中變頻器扮演著重要的角色。雖然其電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但多電平技術(shù)的研究仍備受大家的關(guān)注。多電平技術(shù)避免了器件的直接串聯(lián)，具有輸出電壓高，諧波含量低，電壓變化率小，開(kāi)關(guān)頻率低等優(yōu)點(diǎn)。多電平技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)大量的SPWM控制信號(hào)。本文針對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行研究和探討，利用DSP和CPLD兩大控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)多電平SPWM，并最終給出實(shí)測(cè)波形圖。

　　2 總體設(shè)計(jì)方案

　　2.1單元串聯(lián)多電平變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)介紹

　　單元串聯(lián)多電平變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于模塊化，可以根據(jù)系統(tǒng)對(duì)輸出電壓、電平數(shù)的要求確定功率單元的級(jí)數(shù)。如圖1所示，七電平H橋串聯(lián)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其單相電壓是由三個(gè)功率單元組成，每個(gè)功率單元均為H橋逆變電路結(jié)構(gòu)，輸出端依次串聯(lián)在一起，并利用SPWM信號(hào)控制功率單元中開(kāi)關(guān)器件的通與斷（即控制功率單元的輸出），最終實(shí)現(xiàn)多電平電壓的疊加輸出。

　　2.2載波移相控制理論

　　一般來(lái)說(shuō)，N電平的逆變器調(diào)制，需要N-1個(gè)三角載波。移相載波調(diào)制法中，所有三角波均具有相同的頻率和幅值，但是任意兩個(gè)相鄰載波的相位要有一定的相移，其值為

　?。?）

　　調(diào)制信號(hào)通常為幅值和頻率都可調(diào)節(jié)的三相正弦信號(hào)。通過(guò)調(diào)制波和載波的比較，可以產(chǎn)生所需要的開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)［1］。

　　但在數(shù)字化實(shí)現(xiàn)中，載波移相法一般不是由一個(gè)調(diào)制波和一組經(jīng)過(guò)相移的載波比較生成，而是由調(diào)制波和一個(gè)載波進(jìn)行比較之后，再進(jìn)行一定的延時(shí)得到各個(gè)功率單元的SPWM控制信號(hào)。在本系統(tǒng)中采用此種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)多路SPWM的控制信號(hào)。

　　根據(jù)對(duì)以上概念的理解和分析，在本系統(tǒng)中，采用DSP+CPLD來(lái)完成多路SPWM控制信號(hào)的實(shí)現(xiàn)。其中由DSP控制器實(shí)現(xiàn)單相電壓中的第一級(jí)功率單元兩橋臂控制信號(hào)，并由CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)這兩路控制信號(hào)的移相延時(shí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單相電壓中各個(gè)功率單元的SPWM控制信號(hào)（即移相后信號(hào)）。系統(tǒng)原理框圖如下圖2所示：

　　1 引言

　　隨著電力電子技術(shù)和電力半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，中壓大功率傳動(dòng)設(shè)備在石油化工、礦山開(kāi)采、軋鋼和冶金、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，不僅提高了資源的利用率，同時(shí)還降低了生產(chǎn)的成本，其中變頻器扮演著重要的角色。雖然其電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但多電平技術(shù)的研究仍備受大家的關(guān)注。多電平技術(shù)避免了器件的直接串聯(lián)，具有輸出電壓高，諧波含量低，電壓變化率小，開(kāi)關(guān)頻率低等優(yōu)點(diǎn)。多電平技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)大量的SPWM控制信號(hào)。本文針對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行研究和探討，利用DSP和CPLD兩大控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)多電平SPWM，并最終給出實(shí)測(cè)波形圖。

　　2 總體設(shè)計(jì)方案

　　2.1單元串聯(lián)多電平變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)介紹

　　單元串聯(lián)多電平變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于模塊化，可以根據(jù)系統(tǒng)對(duì)輸出電壓、電平數(shù)的要求確定功率單元的級(jí)數(shù)。如圖1所示，七電平H橋串聯(lián)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其單相電壓是由三個(gè)功率單元組成，每個(gè)功率單元均為H橋逆變電路結(jié)構(gòu)，輸出端依次串聯(lián)在一起，并利用SPWM信號(hào)控制功率單元中開(kāi)關(guān)器件的通與斷（即控制功率單元的輸出），最終實(shí)現(xiàn)多電平電壓的疊加輸出。

　　2.2載波移相控制理論

　　一般來(lái)說(shuō)，N電平的逆變器調(diào)制，需要N-1個(gè)三角載波。移相載波調(diào)制法中，所有三角波均具有相同的頻率和幅值，但是任意兩個(gè)相鄰載波的相位要有一定的相移，其值為

　?。?）

　　調(diào)制信號(hào)通常為幅值和頻率都可調(diào)節(jié)的三相正弦信號(hào)。通過(guò)調(diào)制波和載波的比較，可以產(chǎn)生所需要的開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)［1］。

　　但在數(shù)字化實(shí)現(xiàn)中，載波移相法一般不是由一個(gè)調(diào)制波和一組經(jīng)過(guò)相移的載波比較生成，而是由調(diào)制波和一個(gè)載波進(jìn)行比較之后，再進(jìn)行一定的延時(shí)得到各個(gè)功率單元的SPWM控制信號(hào)。在本系統(tǒng)中采用此種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)多路SPWM的控制信號(hào)。

　　根據(jù)對(duì)以上概念的理解和分析，在本系統(tǒng)中，采用DSP+CPLD來(lái)完成多路SPWM控制信號(hào)的實(shí)現(xiàn)。其中由DSP控制器實(shí)現(xiàn)單相電壓中的第一級(jí)功率單元兩橋臂控制信號(hào)，并由CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)這兩路控制信號(hào)的移相延時(shí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單相電壓中各個(gè)功率單元的SPWM控制信號(hào)（即移相后信號(hào)）。系統(tǒng)原理框圖如下圖2所示：

　　3 DSP控制部分

　　DSP控制部分主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)單相電壓中第一級(jí)功率單元的兩路控制信號(hào)。如圖3所示，這兩路控制信號(hào)分別控制左橋臂Q1和右橋臂Q3兩開(kāi)關(guān)器件的通與斷，為避免同一橋臂上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通，使Q2和Q4控制信號(hào)分別為Q1和Q3信號(hào)的互補(bǔ)信號(hào)，由于器件的動(dòng)作需要一定時(shí)間，因此Q1和Q2、Q3和Q4信號(hào)間需要增加一定的死區(qū)延時(shí)時(shí)間，在本系統(tǒng)中，死區(qū)延時(shí)的時(shí)間由硬件完成。

　　功率單元左橋臂Q1的控制信號(hào)由三角載波與參考波（正弦波）比較得到，當(dāng)參考波大于載波時(shí)，輸出高電平，Q1導(dǎo)通，Q2截止；反之，輸出低電平，Q1截止，Q2導(dǎo)通。Q1信號(hào)取反后得到Q2信號(hào)。左橋臂Q3的控制信號(hào)由互差180。的三角載波與參考波（正弦波）比較得到，當(dāng)參考波大于載波時(shí)，輸出高電平，Q3導(dǎo)通，Q4截止；反之，輸出低電平，Q3截止，Q4導(dǎo)通。Q3信號(hào)取反后得到Q4信號(hào)。載波與參考波的比較過(guò)程參考圖4，兩橋臂控制信號(hào)的實(shí)測(cè)波形如圖5。將參考波分別向左移或向右移動(dòng)120。并與三角載波相比較便可得到其它兩相電壓的第一級(jí)功率單元的控制信號(hào)。

　　根據(jù)對(duì)以上內(nèi)容的分析，在本系統(tǒng)中采用了TI公司的DSP TMS320F2812作為該部分的控制核心。其內(nèi)核為32位，運(yùn)行速度可以達(dá)到150MIPS，足夠完成一些較復(fù)雜的控制算法。同時(shí)其有6路獨(dú)立的PWM輸出、2個(gè)異步串行通訊口、16通道12位AD輸入，內(nèi)置了36K的RAM和256K的Flash存儲(chǔ)器，可以存放較大規(guī)模的程序。在主控制電路中，只需要在該DSP的基礎(chǔ)上配合一些簡(jiǎn)單的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)所需的6路SPWM控制信號(hào)。

　　4 CPLD控制部分

　　CPLD控制部分主要任務(wù)是對(duì)第一級(jí)功率單元H橋左、右橋臂控制信號(hào)進(jìn)行移相（即上文所提到的延時(shí)），進(jìn)而得到以后各級(jí)功率單元的左、右橋臂的控制信號(hào)。該部分設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是信號(hào)的邊沿檢測(cè)和移相延時(shí)兩部分。如下圖6所示，首先，CPLD對(duì)SPWM進(jìn)行邊沿信號(hào)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到上升沿（或下降沿）到來(lái)后，再進(jìn)行Td時(shí)間的延時(shí)，最后輸出置1（或0），以達(dá)到移相的目的。

　　邊沿信號(hào)檢測(cè)可以利用邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器去檢測(cè)上升沿或下降沿，但是這種方式對(duì)于邊沿的檢測(cè)過(guò)于敏感，系統(tǒng)中的一個(gè)尖峰干擾將會(huì)導(dǎo)致邊沿檢測(cè)的誤判，為解決這個(gè)問(wèn)題，我們進(jìn)行多次采樣，比較前后幾次采樣的結(jié)果，再來(lái)判別邊沿是否到來(lái)。這種方法對(duì)抗干擾起到了一定的作用，增強(qiáng)了系統(tǒng)的健壯性、穩(wěn)定性。

　　移相延時(shí)部分最重要的是對(duì)延時(shí)時(shí)間的選擇，延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)或短都會(huì)影響到系統(tǒng)的性能，本設(shè)計(jì)中，第二級(jí)功率單元的延時(shí)時(shí)間根據(jù)公式（2）（公式內(nèi)容僅供參考）計(jì)算得到（以后各級(jí)功率單元的延時(shí)時(shí)間相應(yīng)的增加Td即可）：

　　（2）

　　其中， 為三角載波頻率，N為逆變器輸出電平數(shù)。

　　經(jīng)過(guò)CPLD移相后，A相三個(gè)功率單元的左橋臂控制信號(hào)如下圖7所示，第一級(jí)功率單元的輸出如圖8，圖9是A相三個(gè)功率單元輸出疊加后的波形。

　　利用DSP和CPLD相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)載波移相多電平PWM，使單元級(jí)聯(lián)型多電平技術(shù)變得更加模塊化，同時(shí)使產(chǎn)品的升級(jí)變得更簡(jiǎn)單化。例如，產(chǎn)品由七電平設(shè)計(jì)改為九電平設(shè)計(jì)（或十一電平、十三電平等），不需要改變DSP中的程序，也不需要改變DSP部分的硬件電路設(shè)計(jì)，只需要改變CPLD中Td的時(shí)間，并相應(yīng)的增加兩路輸出即可。

　　5 總結(jié)

　　多電平技術(shù)的發(fā)展，需要能夠產(chǎn)生大量的PWM信號(hào)的控制器，但傳統(tǒng)的控制器只能提供6路PWM信號(hào)，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求，即使控制器可以輸出多路控制信號(hào)，在產(chǎn)品升級(jí)換代的時(shí)候，仍需要更改大量的代碼，進(jìn)行長(zhǎng)期的調(diào)試等等，延長(zhǎng)了產(chǎn)品上市的時(shí)間。為此本文設(shè)計(jì)了基于DSP+CPLD的載波移相多電平PWM實(shí)現(xiàn)的方案，該方案不僅可以輸出18路PWM信號(hào)，而且稍加修改便可以輸出24路、36路等更多路PWM信號(hào)，同時(shí)，其模塊化的設(shè)計(jì)思想使產(chǎn)品的升級(jí)換代變得更加容易，縮短了產(chǎn)品的上市時(shí)間。

　　參考文獻(xiàn)

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