0 引言

近年來，多電平逆變器在高壓大功率變頻調(diào)速場合的應(yīng)用越來越受到人們的重視。相對于傳統(tǒng)的兩電平逆變器，多電平逆變器具有每個(gè)功率器件的電壓應(yīng)力低、在相同的開關(guān)頻率下輸出波形低次諧波含量少等優(yōu)點(diǎn)。目前所見到的多電平逆變器，按主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來分，主要有三類基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：二極管箝位型、飛跨電容型和級(jí)聯(lián)型[1]。其中二極管箝位型，也稱中性點(diǎn)箝位型(NeutralPoint Clamped，NPC)三電平逆變器以其結(jié)構(gòu)簡單、所用開關(guān)器件少，易于控制等優(yōu)點(diǎn)成為研究的熱點(diǎn)之一。

NPC三電平逆變器的控制方法主要有正弦載波PWM(SPWM)和空間電壓矢量PWM(SVPWM)。

SVPWM以其直流電壓利用率高，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)而得到廣泛的應(yīng)用。

目前，科研工作者對NPC 三電平逆變器的SVPWM算法提出了很多實(shí)現(xiàn)方案。但大多采用單個(gè)DSP 來完成整個(gè)控制算法，使得DSP的程序復(fù)雜和混亂，同時(shí)由于三電平逆變器需要12 路PWM信號(hào)，而DSP的兩個(gè)事件管理器不能做到完全同步，導(dǎo)致同相的功率器件不能完全同步觸發(fā)，對逆變器的性能造成嚴(yán)重影響，并且受DSP 的PWM 信號(hào)數(shù)目的限制，不能擴(kuò)展到更多電平的逆變器控制[2]。因此本文提出一種基于DSP 和復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD(Complicated ProgrammedLogic Device)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)采用DSP 完成SVPWM算法中的主要數(shù)據(jù)處理和外部控制功能，利用CPLD實(shí)現(xiàn)逆變器PWM 波形的發(fā)生。

1 三電平逆變器的SVPWM 算法

1.1 三電平逆變器的工作原理

NPC 三電平逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 SVPWM調(diào)制算法

一般而言，三電平逆變器的SVPWM 調(diào)制算法主要分為以下三個(gè)步驟。

1.2.1 確定空間電壓矢量所在扇區(qū)

1.2.2 計(jì)算基本矢量的作用時(shí)間

取合成空間電壓矢量所在小扇區(qū)三角形的三個(gè)頂點(diǎn)的基本電壓矢量為組成空間電壓矢量的基本合成矢量，根據(jù)合成空間電壓矢量的伏秒平衡原則，得到各個(gè)小扇區(qū)的作用時(shí)間如表2 所列[5]。

1.2.3 選擇合適的開關(guān)作用順序

開關(guān)作用順序應(yīng)滿足兩個(gè)原則：一是每次只有一相的一個(gè)開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化;再就是每相的開關(guān)狀態(tài)變化不允許有狀態(tài)Sa=1 和狀態(tài)Sa=-1 之間的直接跳變，這樣就能達(dá)到開關(guān)損耗最小，且輸出電壓諧波小的特點(diǎn)。本文采用七段法來合成每個(gè)空間電壓矢量，根據(jù)開關(guān)作用順序的原則，在每個(gè)小扇區(qū)內(nèi)均使用正小矢量作為初始矢量。比如，假設(shè)空間矢量處于圖3 所示的1.1 區(qū)，則可以選擇開關(guān)作用的順序?yàn)?100)—(000)—(00-1)—(0-1-1)—(00-1)—(000)—(100)，其它扇區(qū)的開關(guān)順序選擇類似。

2 SVPWM調(diào)制算法的DSP和CPLD實(shí)現(xiàn)

三電平逆變器需要12 路PWM 信號(hào)，采用TI公司的DSP TMS320F2812 雖可以產(chǎn)生12 路PWM信號(hào)，但DSP既要完成SVPWM算法的扇區(qū)判斷、作用時(shí)間計(jì)算及PWM 脈沖的發(fā)生，又要完成與液晶的通信，與用戶接口的數(shù)字控制等，將使程序顯得復(fù)雜和混亂，并且DSP 兩個(gè)事件管理器不能做到完全同步，從而造成逆變器同相驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不同步，將對逆變器的性能造成影響，僅有的12 路PWM 信號(hào)同樣不能滿足以后擴(kuò)展更多電平逆變器的控制的需要。本文采用DSP和CPLD共同作用實(shí)現(xiàn)三電平逆變器的SVPWM 算法，使SVPWM算法的實(shí)現(xiàn)變得簡單方便。圖4 是整個(gè)控制系統(tǒng)的控制框圖。

如圖4所示，利用DSP具有運(yùn)算處理能力強(qiáng)，外設(shè)模塊多等特點(diǎn)，由DSP主程序完成程序初始化、與上位機(jī)的液晶通信，用戶IO 接口的數(shù)字控制等，采用定時(shí)器下溢中斷完成逆變器直流電壓的AD采樣處理、空間矢量所在扇區(qū)的判斷、組成參考矢量的基本矢量作用時(shí)間的計(jì)算，將3 個(gè)基本矢量的作用時(shí)間的1/2 賦給DSP 的EVA 的3個(gè)比較寄存器，與定時(shí)器產(chǎn)生的三角載波相比較，產(chǎn)生6 路PWM 信號(hào)，取其相互獨(dú)立的3 路PWM1，PWM3，PWM5 連接到CPLD。CPLD 采用ALTERA公司的EPM570T144C4，利用CPLD的邏輯處理能力強(qiáng)，IO 口多等特點(diǎn)完成逆變器12 路PWM 波形的發(fā)出。CPLD通過數(shù)據(jù)線接收DSP判斷出的空間矢量所在的大小扇區(qū)號(hào)，并捕捉DSP的3 路獨(dú)立的PWM1，PWM3，PWM5 信號(hào)，根據(jù)所在的扇區(qū)號(hào)和3 路獨(dú)立的PWM 信號(hào)的信息進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生七段式的12 路PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

設(shè)一個(gè)載波周期內(nèi)DSP 產(chǎn)生獨(dú)立的PWM1，PWM3，PWM5 的波形如圖5 所示，則CPLD 捕捉這3路PWM信號(hào)的上升沿和下降沿并進(jìn)行計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)值為count，每個(gè)載波周期的計(jì)數(shù)初值count=0，當(dāng)捕捉到PWM1 的上升沿時(shí)，計(jì)數(shù)值加1，同樣類似，最后計(jì)數(shù)值count=6，在載波周期的下溢中斷發(fā)生時(shí)，CPLD 通過數(shù)據(jù)線得到DSP 計(jì)算出來的扇區(qū)號(hào)，這樣CPLD 根據(jù)扇區(qū)號(hào)和計(jì)數(shù)值count 的值，根據(jù)開關(guān)作用順序規(guī)則進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生12 路PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變器的12個(gè)開關(guān)管。同時(shí)驅(qū)動(dòng)板上的過流信號(hào)連接到CPLD，由CPLD完成對過流信號(hào)的處理，當(dāng)發(fā)生過流時(shí)，封鎖PWM脈沖起到保護(hù)系統(tǒng)的作用，同時(shí)將故障信號(hào)傳送給DSP，使DSP得到當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)并傳送到液晶板上顯示。并且以后要擴(kuò)展更多電平逆變器的控制時(shí)，只需要擴(kuò)展數(shù)據(jù)線的位數(shù)即可，因此該方案簡單方便，易于向更多電平的擴(kuò)展。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論

根據(jù)本文所采用的NPC三電平逆變器，搭建小功率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對所提出SVPWM 調(diào)制算法的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。圖6 是主電路輸出的相電壓和線電壓波形，圖7是經(jīng)RC 濾波后的輸出相電壓和線電壓波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出NPC三電平逆變器SVPWM 控制算法的實(shí)現(xiàn)方法的可行性和正確性。

利用DSP的運(yùn)算能力強(qiáng)，集成外設(shè)多的特點(diǎn)，完成控制算法中扇區(qū)判定，基本矢量作用時(shí)間的計(jì)算，與液晶板的通信等功能，利用CPLD 的邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)，易于IO口擴(kuò)展的特點(diǎn)完成PWM 驅(qū)動(dòng)波形的產(chǎn)生。所提出的實(shí)現(xiàn)方案結(jié)構(gòu)簡單，便于向更多電平的擴(kuò)展，對NPC三電平逆變器的具體實(shí)現(xiàn)具有一定的參考價(jià)值。