基于FPGA的中頻逆變器SVPWM算法和仿真

彭景然

（西南交通大學(xué) 四川省成都市 611756）

兩電平逆變技術(shù)作為變頻技術(shù)的一種[1]，兩電平逆變器已經(jīng)應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。作為實(shí)現(xiàn)兩電平逆變器功能的控制核心——控制策略，在近些年發(fā)展過(guò)程中，產(chǎn)生了多種多樣的控制方式?，F(xiàn)有控制策略主要有三種控制方式：載波調(diào)制控制法、特定諧波消除法以及空間矢量調(diào)制法。載波調(diào)制法控制方式簡(jiǎn)單，但對(duì)開(kāi)關(guān)器件的要求較高，且輸出諧波含量較高；特定諧波消除法盡管可以消除特定次諧波，但在求取開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)角時(shí)需要求解非線性方程，工程適用性較差；空間矢量調(diào)制法是將逆變器和電機(jī)作為一個(gè)整體研究，其原理是控制逆變器產(chǎn)生的三相電壓逼近電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生圓形磁場(chǎng)的電壓，在工程應(yīng)用能很好的考慮到帶電機(jī)負(fù)載的情況。

本文主要研究以兩電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）控制方法中的SVPWM，利用FPGA 芯片實(shí)現(xiàn)兩電平逆變器功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)功能，在半實(shí)物仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)輸出特定頻率的三相正弦交流電。

1 兩電平逆變器的工作原理

兩電平電壓型逆變器[2]主電路如圖1 所示，兩電平逆變器的工作方式是任何時(shí)刻都有不同相的三只主管導(dǎo)通，每次換相都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行的，同相中上下兩橋臂中的兩只開(kāi)關(guān)管成為互補(bǔ)管（即控制脈沖是互反的），它們交替導(dǎo)通。在換流瞬間，為了防止同一相上下兩橋臂的開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通而引起直流電源的短路，通常采用“先斷后通”的方法，即先給應(yīng)關(guān)斷的主管關(guān)斷信號(hào)，待其關(guān)斷后留一定時(shí)間裕量，然后再給應(yīng)導(dǎo)通的主管開(kāi)通信號(hào)，兩者之間留一個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間。

圖1 中S1～S6是功率開(kāi)關(guān)管，D1～D6是續(xù)流二極管。

2 兩電平逆變器SVPWM算法研究

2.1 兩電平逆變器空間矢量圖生成

引入逆變器三相電壓輸出狀態(tài)變量UAN、UBN、UCN，可得兩電平逆變器輸出電壓空間矢量公式：

根據(jù)兩電平逆變器任一相輸出電壓的狀態(tài)，式中UAN、UBN、UCN分別取Udc/2、-Udc/2 兩種狀態(tài)，則兩電平逆變器有23=8 種狀態(tài)空間矢量，根據(jù)公式（1）求得各個(gè)矢量。各矢量代表了幅值和相位各不同的8 種基本空間電壓矢量，分別對(duì)應(yīng)8 種兩電平逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這些矢量被稱為兩電平逆變器的基本空間矢量。

2.2 目標(biāo)矢量所在區(qū)域判定和合成矢量的確定

其中：

兩電平空間矢量劃分為6 個(gè)區(qū)域，要判定目標(biāo)矢量所在的區(qū)域，可通過(guò)區(qū)域之間的邊界線進(jìn)行判定，若此時(shí)目標(biāo)矢量所在第Ⅰ區(qū)域，則可通過(guò)矢量V1和V2所在的直線進(jìn)行限定，即：

圖1：兩電平逆變器

目標(biāo)矢量滿足式（3）即可判定目標(biāo)矢量在第Ⅰ區(qū)域。當(dāng)目標(biāo)矢量在任何區(qū)域時(shí)都可以通過(guò)此種方式進(jìn)行判定，目標(biāo)所在三角形區(qū)域的三個(gè)頂點(diǎn)即為合成目標(biāo)矢量的三個(gè)空間矢量。

2.3 三個(gè)合成矢量作用時(shí)間的計(jì)算

在判定了目標(biāo)矢量所在區(qū)域之后，確定了三個(gè)合成的空間矢量，根據(jù)最近三矢量法合成原則和伏秒平衡原理，可求得三個(gè)矢量的作用時(shí)間[3]。

假設(shè)目標(biāo)矢量V*落在第Ⅰ區(qū)域，此時(shí)的伏秒平衡原理為：

解方程組（4）可得各矢量作用時(shí)間：

2.4 6路開(kāi)關(guān)管觸發(fā)脈沖的生成

采用中心對(duì)稱的七段式SVPWM 波形生成方式，將原有的目標(biāo)空間矢量對(duì)稱分成七段，選用零矢量作為作用時(shí)間開(kāi)始時(shí)的起始矢量，根據(jù)空間矢量和兩電平逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，輸出兩電平逆變器6 路開(kāi)關(guān)管觸發(fā)脈沖序列。

當(dāng)目標(biāo)矢量在空間矢量坐標(biāo)系中逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，6 路開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)脈沖周期性變化，從而控制兩電平逆變器輸出三相正弦電壓。

3 FPGA程序?qū)崿F(xiàn)兩電平SVPWM算法

選用Quartus II 為FPGA 芯片的開(kāi)發(fā)環(huán)境，其支持兩種硬件描述語(yǔ)言：Verilog HDL 和VHDL。選用Verilog HDL 語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的SVPWM 算法，RTL（實(shí)時(shí)邏輯）級(jí)建模情況如圖2 所示。

圖2：SVPWM 算法RTL 級(jí)建模圖

圖3：目標(biāo)矢量作用時(shí)間內(nèi)空間矢量狀態(tài)機(jī)

圖4：仿真波形

其中每個(gè)模塊都加入了CLK 和RSTn 信號(hào)，CLK 信號(hào)為時(shí)鐘輸入，其保證每個(gè)模塊的時(shí)鐘同步；RSTn 信號(hào)為復(fù)位信號(hào)，每個(gè)模塊都有初始狀態(tài)，當(dāng)它作用時(shí)每個(gè)模塊都能恢復(fù)到初始狀態(tài)。

U1 模塊為目標(biāo)矢量和目標(biāo)矢量作用時(shí)間生成模塊，通過(guò)時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)，在一定的計(jì)數(shù)范圍內(nèi)（目標(biāo)矢量作用時(shí)間），通過(guò)查表法將cos sin 值(cos sin 值表選用24 個(gè)點(diǎn))傳給V_Rel、V_Img，對(duì)應(yīng)目標(biāo)矢量V*的Uɑ、Uβ，這樣就生成了目標(biāo)空間矢量。

U2 模塊對(duì)U1 模塊的V_Rel、V_Img 數(shù)值進(jìn)行處理。

U3 模塊進(jìn)行SVPWM 算法的大區(qū)判定步驟，通過(guò)此模塊判斷出目標(biāo)矢量所在大區(qū)位置。

U4 模塊將通過(guò)U3 模塊判定大區(qū)位置的矢量，按照其所在大區(qū)通過(guò)運(yùn)算旋轉(zhuǎn)到第一大區(qū)，使所有目標(biāo)空間矢量都在第一大區(qū)進(jìn)行作用時(shí)間計(jì)算。

U5 模塊以兩電平逆變器的SVPWM 算法為基礎(chǔ)，根據(jù)最近三矢量合成原則和伏秒平衡原理，計(jì)算目標(biāo)空間矢量的所用的兩電平三個(gè)合成矢量的作用時(shí)間。

U6 模塊將U5 模塊所得的兩電平逆變器的三矢量作用時(shí)間，采用七段式觸發(fā)脈沖方式，將三矢量的作用時(shí)間劃分為7 段，根據(jù)所在空間矢量的區(qū)域，為每段時(shí)間分配相應(yīng)的兩電平逆變器的矢量。

U7 模塊將7 段作用時(shí)間和所對(duì)應(yīng)的兩電平逆變器的空間矢量，通過(guò)狀態(tài)機(jī)輸出控制每個(gè)時(shí)鐘周期功率開(kāi)關(guān)管狀態(tài)的脈沖信號(hào)。如圖3 所示。

4 半實(shí)物仿真平臺(tái)的搭建及兩電平SVPWM算法仿真驗(yàn)證

利用PLECS 仿真軟件搭建兩電平逆變器的仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并加入LC 濾波電路，使兩電平逆變器輸出的線電壓PWM 脈沖波轉(zhuǎn)換為正弦波。將FPGA 開(kāi)發(fā)板與PLECS 的RT-BOX 相連接，搭建以FPGA 開(kāi)發(fā)板為兩電平逆變器開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)器的實(shí)物載體，以PLECS 搭建的兩電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為計(jì)算機(jī)仿真模型，構(gòu)成半實(shí)物仿真系統(tǒng)，對(duì)兩電平逆變器SVPWM 算法進(jìn)行半實(shí)物仿真驗(yàn)證。

選取直流側(cè)電壓Udc=600V，調(diào)節(jié)濾波LC 環(huán)節(jié)的電阻、電容及電感的配置，在FPGA 程序中設(shè)置逆變電壓的頻率為400Hz，分別觀察未濾波之前線電壓UAB的波形和三相正弦電壓波形，如圖4 所示。

5 結(jié)語(yǔ)

兩電平逆變器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為成熟。本文以兩電平逆變器作為研究對(duì)象，以PWM 調(diào)制方式中的SVPWM 控制策略作為逆變器的控制策略，對(duì)SVPWM 進(jìn)行研究。通過(guò)詳細(xì)分析兩電平逆變器的運(yùn)行機(jī)理，并根據(jù)SVPWM 調(diào)制方式的原理對(duì)實(shí)現(xiàn)逆變器功能的SVPWM 進(jìn)行理論分析。將FPGA 開(kāi)發(fā)板、PLECS 仿真軟件和RT-BOX 仿真器搭建半實(shí)物仿真平臺(tái)，在FPGA 開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)兩電平SVPWM 算法，在PLECS 上搭建兩電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，半實(shí)物仿真實(shí)現(xiàn)了兩電平SVPWM 算法。