一种基于FPGA的三电平原理及实现方式

摘要：针对两电平DSP2407控制板在三电平逆变器控制中资源不足的问题，在不改变原有成熟算法和硬件的基础上，提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的三电平实现方法。采用FPGA构造了三电平脉宽调制(PWM)IP核，包含三电平调制策略、驱动脉冲分配和保护、死区补偿、零序电压注入、中点电压平衡控制及阻尼振荡抑制算法等功能，并解决了DSP与FPGA的同步问题。基于FPGA和DSP构建一个三电平逆变器硬件平台，在一台30 kW三相异步电机上完成了相关实验。实验结果验证了该方法的可行性和正确性，为两电平调速算法拓展到三电平应用场合提供了一种简单通用的实现方式。
关键词：三电平；现场可编程门阵列；死区补偿；阻尼振荡

1 引言
    三电平拓扑结构具有输出容量大、输出电压高、电流谐波含量小等优点，使得该结构在高压大功率交流电机变频调速领域得到广泛应用。目前，在1～4 kV电压等级的电机调速中，应用最广泛的是中点箝位三电平逆变器。在变频调速控制系统中，基本的调速理论是相同的，区别就在于不同的拓扑结构所带来的特殊性，如PWM策略、驱动脉冲的分配、中点电位平衡控制等。
    随着微电子技术和EDA技术的快速发展，应用硬件的并行性实现一些复杂算法是近几年兴起的一种全新的设计思想。
    针对两电平电压源型变频器已实现产品化的情况，在不改变原有两电平调速算法的前提下，提出一种将原两电平控制板扩展为三电平控制板的FPGA实现方法，构造了三电平PWM IP核。利用硬件语言并行执行的快速性，实现了三电平调制策略、驱动脉冲分配和保护、死区补偿算法、零序电压注入、中点电压平衡控制算法、阻尼振荡抑制算法等功能，是一种简单、快速且节约成本的方法。

2 控制系统整体功能描述
    图1为DSP与FPGA的控制系统整体功能描述框图。如图1所示，DSP完成原有两电平调速控制算法，将得到的两相静止坐标下电压参考值uα
和uβ通过数据总线传给FPGA中相应的寄存器。FPGA中，uα和uβ经2s／3s变换为a，b，c坐标系中的三相调制电压uas，ubs和ucs。为提高SPWM中较低的电压利用率，在原调制波中注入了三电平零序电压；为克服三电平拓扑结构固有的中点不平衡问题，加入了中点平衡算法；为解决空载V／F控制下逆变器输出电流波形在某一频段振荡，加入了阻尼振荡抑制算法；为降低低频下死区时间对输出电流波形造成的影响，加入了死区补偿算法。最后得到的调制波，经PWM发生器，加入死区后形成a，b，c三相的12路PWM驱动信号。FPGA中载波周期和死区时间都有对应的寄存器，可通过DSP按需更改。各算法模块也由DSP单独控制，根据电机运行条件部分或全部使能。

2．1 电压利用率
    为提高直流母线电压利用率，采用SPWM+零序电压注入(与SVPWM等效)的方法。调制度m定义为调制波幅值与载波幅值的比。在线性调制区内，m=1．154时，电压利用率达到100％。
    区别于两电平的零序电压计算方法(在两电平中，Uz=-(Umax+Umin)／2)，利用VHDL语言编写了适用于三电平的零序电压算法：
   
    模块fangxiang用于判断三相参考电压的异号相及大小顺序，模块zero和除法器根据三电平的零序电压算法输出零序电压分量。
2．2 死区补偿算法
    死区补偿算法主要包括补偿死区时间、IGBT开通和关断延时、IGBT及续流二极管的管压降等。在此采用了三电平逆变器的死区补偿算法，根据伏秒特性，分别从死区时间和管压降两方面对死区时间进行补偿。
    省略具体推导过程得出a，b，c相补偿时间为：
   
    式中：Td为死区时间；Ton为开通时间；Toff为关断时间；ias为三相电流；Ts为开关周期，Udc为直流母线电压；k为根据不同扇区得到的系数。
    利用VHDL语言编写了死区补偿模块。
2．3 阻尼振荡抑制
    电机开环V／F控制系统中，轻载时在某一频段内会出现电流的持续振荡，严重时甚至会引起变频器过流保护或烧毁功率模块。文献提出一种基于稳定无功电流的方法，取得了良好效果。此处采用的方法是根据电流波动的大小，在调制波中加入校正量以抑制电流波动的恶化，相比无功电流控制算法更加简单，控制原理如图2所示。

    在图2中，经电流传感器测得的各相电流值inew与经滤波模块后得到的基波电流值idd求差后，得到此时电流的波动趋势，根据这种趋势的方向和大小，在原调制波上叠加usu大小的抑制量，从而形成一种负反馈，达到抑制电流脉动的作用。
   
    式中：k为比例系数；Ts为SPWM载波周期。
2．4 中点电位平衡控制算法
    中点平衡算法采用VHDL语言实现，算法参考文献，此处不再赘述。
2．5 同步分析
    图3示出DSP与FPGA之间的信号连接图，虚线框内为原有的两电平连接图。FPGA和DSP之间通过扩展接口相连，接口信号包括双向8位数据总线D0～D7及13位地址总线A0～A12、片选信号DS．OPTION、读信号RD、写信号WR、复位信号RESET和+5 V电源。FPGA内建立的三电平PWM IP核中，译码模块通过地址总线、读写信号和片选信号产生各寄存器的选通信号，数据总线通过选通信号完成对应地址的数据寄存器的读取或写入。文献中也提到了类似的实验平台，区别在于DSP和FPGA之间无硬件同步信号，若不采取措施，则会使得DSP程序和FPGA程序的中断不同步，两者间微小的误差经过一段时间的累计会造成电流周期性脉动。此处采用软件同步的方法，通过在DSP每次中断开始时控制FPGA内三电平PWM IP核中的同步信号使能寄存器，将载波发生器清零，实现了DSP和FPGA的同步，保证了系统长时间运行的可靠性。

3 硬件条件和实验参数
    在AC／DC／AC变频器上进行了开环V／F控制的实验，整流侧采用不控整流电路，输入线电压为380 V，逆变侧为二极管箝位三电平逆变器结构，负载为30 kW异步电机。开关频率设为1 kHz，采样时间为1 ms，设置的死区时间为10μs。实验主要验证了电压利用率算法和低频情况下死区补偿算法、阻尼振荡抑制算法的正确性。

4 实验结果及分析
    图4分别为5 Hz，30 Hz时加入零序电压注入算法的三电平相电压波形。在图4中，线性调制区内，m=1．154时，电压利用率达到100％。变频器输入、输出线电压皆为380 V。

    图5为流入电机的a，b，c三相电流，经3s／2s变换后得到的iα，iβ波形。图5a，b为2 Hz时加入死区补偿算法前后的波形。可见，加入死区补偿算法后iα，iβ波形明显好转。图5c为10 Hz时加入死区补偿后的波形，此时电流出现了振荡。图5d为10 Hz时加入死区补偿和阻尼振荡抑制算法的波形，可见电流振荡得到明显改善，证明了阻尼振荡抑制算法的正确性。

5 结论
    采用FPGA实现了原有两电平控制板向三电平控制系统的转换，DSP负责的控制算法部分和FPGA负责的发波部分相互独立。同时，构建了三电平PWM IP核，利用硬件描述语言编写了PWM调制算法、中点电位平衡算法、死区补偿算法、阻尼振荡抑制算法及零序电压注入算法。实验结果证明了利用FPGA实现两电平向三电平转换的可行性及PWM IP核的正确性，为三电平系统的实用化提供了一种具体的实现思路。