基于DSP控制的三電平變頻器的研究

０　引言

三電平逆變器相對于傳統(tǒng)的兩電平而言，它可以使主開關(guān)器件的電壓降低一半。由于輸出多了一個電平，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)應用于三電平逆變器，不僅簡化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)性能，還可以實現(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；電壓和電流信號采樣檢測電路和由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，它是由日本學者Ａｊｕｒａ　Ｎａｂａｅ　教授于１９８１　年提出來的，并且得到了廣泛應用。這種電路通過多個功率器件串聯(lián)，按一定的開關(guān)控制產(chǎn)生需要的電平級數(shù)，在輸出端合成相應的正弦波。

三電平變頻器的整流電路標準配置為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，兩組二次繞組對應線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個脈波，同時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一步減少整流器產(chǎn)生的諧波電流。

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

１．２　驅(qū)動電路的設(shè)計

ＩＧＢＴ　驅(qū)動電路選擇的合理性和設(shè)計的正確性對功能的實現(xiàn)極其重要。ＩＧＢＴ　的通態(tài)電壓、開關(guān)時間、開關(guān)損耗、承受短路能力等參數(shù)均與門極驅(qū)動條件密切相關(guān)。

ＩＧＢＴ　的驅(qū)動電路包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分，多采用專用的混合集成驅(qū)動器，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)部具有退飽和檢測和保護環(huán)節(jié)，當發(fā)生過電流時能快速響應，慢速關(guān)斷ＩＧＢＴ，并向外部電路給出故障信號。本次設(shè)計選用三菱公司的Ｍ５７９６２Ｌ，正驅(qū)動電壓均為＋１５Ｖ左右，負驅(qū)動電壓為－１０Ｖ，如圖２所示。本次設(shè)計共有１２路這樣的驅(qū)動。

２　變頻器設(shè)計基本原理

２．１　三電平空間電壓矢量ＰＷＭ（ＳＶＰＷＭ）

ＳＶＰＷＭ控制技術(shù)最初源于電動機磁鏈跟蹤技術(shù)。這種方法是從電動機的角度出發(fā)，其目標是使交流電動機產(chǎn)生圓形磁場。在交流電機調(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，這種以產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場為目標，合理控制開關(guān)導通和關(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

這種控制方法也稱為電壓空間矢量控制。

當用三相平衡的正弦電壓向交流電動機供電時，電動機的定子磁鏈空間矢量幅值恒定，并以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈矢量的運動軌跡形成圓形的空間旋轉(zhuǎn)磁場（磁鏈圓）。因此如果有

一種方法使逆變電路能向交流電動機提供可變頻電源、并能保證電動機形成定子磁鏈圓，就可以實現(xiàn)交流電動機的變頻調(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橋臂上有４　個開關(guān)管、４個反向恢復二極管和２個箝位二極管。

通過控制開關(guān)管Ｖｉ１、Ｖｉ２、Ｖｉ３、Ｖｉ４（其中ｉ＝ａ、ｂ、ｃ） 的開通和關(guān)斷可以在該ｉ橋臂輸出三種不同的電平，即Ｕｄｃ／２、０、－?。眨洌悖?。當一個橋臂上Ｖｉ１、Ｖｉ２　兩管導通，Ｖｉ３、Ｖｉ４兩管關(guān)斷時，開關(guān)狀態(tài)Ｓｉ為１，橋臂輸出電壓為Ｕｄｃ／２；Ｖｉ２、Ｖｉ３兩管導通，Ｖｉ１、Ｖｉ４兩管關(guān)斷時，開關(guān)狀態(tài)Ｓｉ為０，橋臂輸出電壓為０；Ｖｉ３、Ｖｉ４兩管導通，Ｖｉ１、Ｖｉ２兩管關(guān)斷時，開關(guān)狀態(tài)Ｓｉ為－１，橋臂輸出電壓為－?。眨洌悖玻肯嗟拈_關(guān)狀態(tài)有３種即１、０、－１。因此三相三電平逆變器有２７　種開關(guān)狀態(tài)，其中有效的有１９種，稱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：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應三個開關(guān)狀態(tài)（１　１?。保?、（０?。啊。埃?、（－１?。薄。保?，每個小電壓空間矢量都有兩種開關(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

在進行電機調(diào)速時，要獲得良好的性能指標，須保持磁通量椎ｍ額定不變。如果磁通太弱就沒有充分利用電機的鐵芯，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵芯飽和，過大的勵磁電流使繞組過熱而損壞電機。

三相異步電動機的每相電動勢的有效值為

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，電機定子氣隙電勢難以直接測量、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。該控制方式簡稱恒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)實現(xiàn)變壓變頻控制，可以由開環(huán)給定一個頻率值或者由系統(tǒng)中的某一參數(shù)和其反饋值經(jīng)過ＰＩ　調(diào)節(jié)得到系統(tǒng)的輸出頻率，通過Ｕ／ｆ曲線得到一個電壓值，再由ＳＶＰＷＭ波形發(fā)生器產(chǎn)生ＳＶＰＷＭ觸發(fā)脈沖，這樣就可以通過改變功率器件ＩＧＢＴ　的占空比實現(xiàn)對輸出電壓的控制，通過控制逆變橋的工作周期來控制輸出頻率。在整個控制系統(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)差補償、低頻阻抗壓降補償、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)字化來實現(xiàn)，其控制核心由數(shù)字化信號處理器（ＤＳＰ）完成。其時鐘頻率為４０?。停龋?。

３．２?。模樱械倪x型

ＤＳＰ是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的ＤＳＰ指令，可以用來快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。

為了滿足三電平逆變器的控制要求和ＳＶＰＷＭ控制算法運算量大及實時電壓、電流檢測、分析和計算的特點，結(jié)合本系統(tǒng)需要較強的數(shù)字信號處理能力和ＤＳＰ應用普及程度，ＤＳＰ選用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ。

３．３　系統(tǒng)的軟件設(shè)計

為了獲得良好的運行效果，合理地編制控制軟件是十分重要的。在軟件設(shè)計時，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)動保護（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，并對啟動、停止按鈕狀態(tài)及過流過壓查詢。

ＡＤＣ　中斷服務(wù)子程序的工作是采樣電壓、電流信號。

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

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大扇區(qū)；

２）確定參考電壓矢量屬于哪個小三角形區(qū)中；

３）根據(jù)所在小三角區(qū)位置確定該扇區(qū)參考電壓矢量對應的空間矢量，計算各個對應空間矢量的作用時間；

４）再根據(jù)電壓的比較（采樣電壓的大?。刂埔蜃诱{(diào)整，合理分配小矢量的作用時間，合理安排脈沖順序；

５）根據(jù)參考電壓矢量的幅值確定開關(guān)模式；

６）根據(jù)開關(guān)模式把相對應矢量作用時間寫入對

應的比較寄存器中。

４　實驗結(jié)果

根據(jù)前面介紹的系統(tǒng)硬件電路和軟件控制算法，對制作的原理樣機進行了實驗研究。實驗測試了異步電動機輕載穩(wěn)態(tài)運行情況，以此來檢測原理樣機的可行性，對實驗結(jié)果進行了波形記錄，如圖８、圖９、圖１０所示。實驗用電機的參數(shù)如下：額定電壓Ｕｎ＝３８０?。郑~定電流Ｉｎ＝?。矗福贰。?，額定頻率ｆ＝５０?。龋?，額定功率Ｐｅ＝２　２００Ｗ。

實驗過程測試了在不同頻率輸出時電機的電流，從實驗波形可以看出，其輸出電流是正弦波，由于采用了死區(qū)補償，即使在低頻時，波形的畸變也不大。這和前面分析的理論相一致。但從實驗波形也可看出，有諧波產(chǎn)生，產(chǎn)生諧波的原因主要來自以下幾個方面：第一，利用ＤＳＰ產(chǎn)生的ＳＶＰＷＭ波形，不能嚴格保證輸出的ＰＷＭ波形的面積與理想中相對應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，功率開關(guān)器件存在固有的開通與延時時間。