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。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、飛跨電容型和級聯(lián)型[1]。其中二極管箝位型，也稱中性點箝位型(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)點成為研究的熱點之一。

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算法提出了很多實現(xiàn)方案。但大多采用單個DSP 來完成整個控制算法，使得DSP的程序復(fù)雜和混亂，同時由于三電平逆變器需要12 路PWM信號，而DSP的兩個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 信號數(shù)目的限制，不能擴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)的實驗平臺，該平臺采用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步驟。

1.2.1 確定空間電壓矢量所在扇區(qū)

1.2.2 計算基本矢量的作用時間

取合成空間電壓矢量所在小扇區(qū)三角形的三個頂點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，得到各個小扇區(qū)的作用時間如表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)滿足兩個原則：一是每次只有一相的一個開關(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，這樣就能達到開關(guān)損耗最小，且輸出電壓諧波小的特點。本文采用七段法來合成每個空間電壓矢量，根據(jù)開關(guān)作用順序的原則，在每個小扇區(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)作用的順序為(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實現(xiàn)

三電平逆變器需要12 路PWM 信號，采用TI公司的DSP TMS320F2812 雖可以產(chǎn)生12 路PWM信號，但DSP既要完成SVPWM算法的扇區(qū)判斷、作用時間計算及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)動信號的不同步，將對逆變器的性能造成影響，僅有的12 路PWM 信號同樣不能滿足以后擴展更多電平逆變器的控制的需要。本文采用DSP和CPLD共同作用實現(xiàn)三電平逆變器的SVPWM 算法，使SVPWM算法的實現(xiàn)變得簡單方便。圖4 是整個控制系統(tǒng)的控制框圖。

如圖4所示，利用DSP具有運算處理能力強，外設(shè)模塊多等特點，由DSP主程序完成程序初始化、與上位機的液晶通信，用戶IO 接口的數(shù)字控制等，采用定時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間的計算，將3 個基本矢量的作用時間的1/2 賦給DSP 的EVA 的3個比較寄存器，與定時器產(chǎn)生的三角載波相比較，產(chǎn)生6 路PWM 信號，取其相互獨立的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，IO 口多等特點完成逆變器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，并捕捉DSP的3 路獨立的PWM1，PWM3，PWM5 信號，根據(jù)所在的扇區(qū)號和3 路獨立的PWM 信號的信息進行譯碼，產(chǎn)生七段式的12 路PWM 驅(qū)動信號。

設(shè)一個載波周期內(nèi)DSP 產(chǎn)生獨立的PWM1，PWM3，PWM5 的波形如圖5 所示，則CPLD 捕捉這3路PWM信號的上升沿和下降沿并進行計數(shù)，設(shè)計數(shù)值為count，每個載波周期的計數(shù)初值count=0，當(dāng)捕捉到PWM1 的上升沿時，計數(shù)值加1，同樣類似，最后計數(shù)值count=6，在載波周期的下溢中斷發(fā)生時，CPLD 通過數(shù)據(jù)線得到DSP 計算出來的扇區(qū)號，這樣CPLD 根據(jù)扇區(qū)號和計數(shù)值count 的值，根據(jù)開關(guān)作用順序規(guī)則進行譯碼，產(chǎn)生12 路PWM信號驅(qū)動逆變器的12個開關(guān)管。同時驅(qū)動板上的過流信號連接到CPLD，由CPLD完成對過流信號的處理，當(dāng)發(fā)生過流時，封鎖PWM脈沖起到保護系統(tǒng)的作用，同時將故障信號傳送給DSP，使DSP得到當(dāng)前的運行狀態(tài)并傳送到液晶板上顯示。并且以后要擴展更多電平逆變器的控制時，只需要擴展數(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展。

3 實驗結(jié)果和結(jié)論

根據(jù)本文所采用的NPC三電平逆變器，搭建小功率實驗平臺，對所提出SVPWM 調(diào)制算法的實現(xiàn)方法進行驗證。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。實驗結(jié)果驗證了所提出NPC三電平逆變器SVPWM 控制算法的實現(xiàn)方法的可行性和正確性。

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