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一种基于FPGA的多电平变流器脉冲生成方法

发布时间:2020-07-21 18:14:34 阅读: 来源:锐钛钛白粉厂家

摘要:提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)及不对称规则采样的级联H桥型变流器触发脉冲的快速生成方法。详细分析了基于不对称规则采样的载波相移SPWM(CPS-SPWM)触发脉冲的快速生成原理。重点介绍了基于FPGA的CPS-SPWM触发脉冲快速生成的实现方法。理论分析和实验结果表明,在既没有增加采样频率,又没有增加计算量的情况下,相对基于对称规则采样的CPS-SPWM脉冲生成方法,该方法具有较快的生成速度,并可广泛应用于DSTATCOM等高压级联H桥多电平变流器触发脉冲的快速生成。关键词:变流器;不对称规则采样;脉冲生成1 引言 CPS-SPWM技术由于具有等效开关频率高、输出电压谐波含量小、信号传输带宽较宽及控制方法简单等优良特性而被广泛应用在级联H桥多电平变流器中。 较典型的SPWM实现方法主要分为两类:自然采样法和规则采样法,而规则采样法通常存在对称规则采样和不对称规则采样两种方法。文献提出基于不对称规则采样法的GPS-SPWM实现方法,其结论为:相对于规则采样法,采样点和计算量增加了一倍;但变流器输出电压谐波含量却大为减少,波形的不对称性也有所改善。 在此阐述了级联H桥多电平变流器的CPS-PWM脉冲生成时序。在此基础上,提出一种应用于级联H桥多电平变流器,基于不对称规则采样的CPS-SPWM触发脉冲的快速、精确的生成方法。介绍了基于FPGA的级联H桥多电平变流器的CPS-PWM触发脉冲快速生成的实现方法。2 CPS-SPWM触发脉冲的生成时序级联H桥型多电平变流器的单相主电路结构如图1所示,为分析方便,取级联单元数N=5。元左、右桥臂上、下IGBT开关器件;ux为各单元交流侧输出电压;u为级联装置单相输出总电压;Udc为各单元直流侧电压。装置采用基于CPS-SPWM的单极性开关调制方法,各单元载波urx相互错开时间Ts=Tc/(2N),其中Tc为载波周期。

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各单元的脉冲生成时序如图2所示。urx的相位与urx-相差180°,分别用来形成功率单元x的VTx1和VTx4的触发脉冲;us为SPWM调制波。

如图所示,在tn时刻(n=1,…,10;Ts为一个采样周期,tk+1-tk=Ts)采样调制波us,根据不同的采样方法,依次生成SPWM触发脉冲Px1,Px4,分别对应触发VTx1和VTx4;VTx2,VTx3的触发脉冲Px2,Px3分别与Px1,Px4相反,实际应用中加死区延时。 实际应用中,载波并不以具体波形存在,而代之以双向计数器。这里定义计数器Tx1和Tx4分别对应载波urx和urx-;另设Tx1CMP和Tx4CMP分别为Tx1和Tx4的比较寄存器。3 CPS-SPWM触发脉冲快速生成原理不对称规则采样方法是指在一个载波周期中的峰、谷各采样一次调制波,如图3所示。在t1时刻采样us,计算占空比并加载至T11CMP,在t2时刻T11开始增计数,当比较匹配时形成P11的下降沿;在t6时刻再次采样us,计算占空比并更新T11CMP,在T11上溢时刻开始减计数,当比较匹配时形成P11下一个脉冲的上升沿。

可见,依据此种方法生成的触发脉冲,较理论上的脉冲延时亦仅为一个Ts,且由于在一个载波周期中两次采样正弦调制波,精度较高。该方法主要缺点是提高了采样频率,增加了计算工作量。但对于如图2所示的级联功率单元的触发时序而言,该方法既没有提高采样频率,又没有增加计算量,具体分析如下: 根据图3,对于生成同一个触发脉冲,如P11,分别在t1和t6时刻都进行了采样,脉冲生成的采样频率比对称规则采样法高出了1倍。但实际上,参照图2所示的级联单元脉冲生成时序,t6时刻也对应触发脉冲P14生成的采样时刻,因此,总体而言,采样频率没有提高,只是同一采样时刻要进行两个占空比值的计算,如t6时刻,分别要计算P14,P11的占空比D14,D11。只要证明此时D14等于D11即可说明该方法无需增加计算量,证明如下:设TW11=D11Tc,TW14=D14Tc,显然存在:(Tc-TW11)/2=(Tc-TW14)/2,解得TW11=TW14,也即D11=D14,由此可知,任何采样时刻仅需进行一次占空比计算,而无需增加额外的计算量。 P11和P14生成过程及时序为如图4所示。在t1时刻,采样us并计算D11(D14),并加载到T11CMP和T14CMP,当下一个同步信号到达即t2时刻清零T11开始增计数,生成P11的下降沿;同时,重载T14并开始减计数,生成P14的上升沿。同理,在t6时刻,采样us计算D14(D11),并加载到T14CMP和T11CMP,在t7时刻分别清零T14开始增计数,重载T11并开始减计数,生成P14的下降沿和P11的上升沿。

参照图2,整个级联单元的脉冲生成时序为: ①t1,t2,t3,t4,t5时刻采样依次生成的SPWM触发脉冲为:P11↓(下降沿)和P14↑(上升沿),P21↓和P24↑,P31↓和P34↑,P41↓和P44↑,P51↓和P54↑; ②t6,t7,t8,t9,t10时刻采样依次生成的SPWM触发脉冲为:P14↓和P11↑,P24↓和P21↑,P34↓和P31↑,P44↓和P41↑,P54↓和P51↑。4 触发脉冲快速生成的实现方法为充分发挥上述级联H桥变流器CPS-SPWM触发脉冲快速生成方法的优越性,采用规模大、集成度高、可靠性强、编程灵活的FPGA芯片EP2C20/EP2C5,来完成触发脉冲生成及其他包括分配、传输、驱动、逻辑综合与控制等功能。 实际工程中,触发脉冲生成由两部分组成,即顶层触发监控模块、底层脉冲生成模块,两模块之间采用光纤通讯模式,具体阐述如下: (1)顶层触发监控模块 触发监控模块主要负责触发脉冲占空比、同步信号、控制命令、底层控制参数等信息的下发;采集处理底层控制系统的功率单元运行状态以及逻辑综合、故障处理等任务,控制结构原理如图5所示。

通信模块(2)是整个触发监控系统中的关键性环节,主要承担的任务有:①接收模块(1)的译码控制命令,判断命令类型;②同步信号的编码、下发;③接收底层控制系统上传的各功率单元运行状态信息,存储到RAM2相应存储单元中并传输到故障处理模块;接收故障模块向底层控制系统发出的故障处理命令。 (2)底层脉冲生成模块 底层脉冲生成模块除负责脉冲生成、驱动控制任务外,还担负着整个功率单元的通信和故障处理任务。该模块主要由脉冲生成单元、通信单元及IPM驱动接口电路等几部分组成。脉冲形成单元负责CPS-SPWM触发脉冲的生成任务。脉冲生成的原理在前文中已经作了详细的介绍,这里将重点介绍各功率单元的底层控制系统脉冲生成的过程,如图6所示。

脉冲形成单元主要由载波形成模块和比较模块两大部分组成:载波形成模块用来形成三角载波。比较模块的主要任务是生成IGBT触发脉冲。即将存放在Tx1CMP/Tx4CMP中的占空比数据与Tx1/TX4中的载波数据进行比较,输出PWM触发脉冲。需要说明的是,Tx1CMP/Tx4CMP中的数据在对Tx1/Tx4进行清零或重载的同时,进行数据更新(重载)。5 实验实验模型参照图1,直流侧电压Udc=90 V,载波频率1/Tc=1.28 kHz,采样周期Ts=78.125μs。脉冲传输采用编码方式,传输延时Ttr≈5μs。实验波形如图7所示。

图7a,b分别为基于对称和不对称规则采样法的输出电压u及调制波us的波形。可见,基于对称规则采样法的u滞后us约5 ms;而基于不对称规则采样法的u滞后us约3 ms,具有较快的生成速度。6 结论理论分析和实验结果表明:此处所述基于不对称规则采样法的CPS-SPWM脉冲生成方法,相对基于对称规则采样法的CPS-SPWM脉冲生成方法,既没有增加采样频率,也没有增加计算工作量,具有较快的生成速度。此外,由于采用了基于FPGA的CPS-SPWM脉冲生成的实现方法,为上述CPS-SPWM脉冲的快速生成提供了重要保障。

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