一種基于FPGA的多電平變流器脈沖生成方法

摘要：提出一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)及不對(duì)稱規(guī)則采樣的級(jí)聯(lián)H橋型變流器觸發(fā)脈沖的快速生成方法。詳細(xì)分析了基于不對(duì)稱規(guī)則采樣的載波相移SPWM(CPS-SPWM)觸發(fā)脈沖的快速生成原理。重點(diǎn)介紹了基于FPGA的CPS-SPWM觸發(fā)脈沖快速生成的實(shí)現(xiàn)方法。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在既沒有增加采樣頻率，又沒有增加計(jì)算量的情況下，相對(duì)基于對(duì)稱規(guī)則采樣的CPS-SPWM脈沖生成方法，該方法具有較快的生成速度，并可廣泛應(yīng)用于DSTATCOM等高壓級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器觸發(fā)脈沖的快速生成。
關(guān)鍵詞：變流器；不對(duì)稱規(guī)則采樣；脈沖生成

1 引言
CPS-SPWM技術(shù)由于具有等效開關(guān)頻率高、輸出電壓諧波含量小、信號(hào)傳輸帶寬較寬及控制方法簡(jiǎn)單等優(yōu)良特性而被廣泛應(yīng)用在級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器中。
較典型的SPWM實(shí)現(xiàn)方法主要分為兩類：自然采樣法和規(guī)則采樣法，而規(guī)則采樣法通常存在對(duì)稱規(guī)則采樣和不對(duì)稱規(guī)則采樣兩種方法。文獻(xiàn)提出基于不對(duì)稱規(guī)則采樣法的GPS-SPWM實(shí)現(xiàn)方法，其結(jié)論為：相對(duì)于規(guī)則采樣法，采樣點(diǎn)和計(jì)算量增加了一倍；但變流器輸出電壓諧波含量卻大為減少，波形的不對(duì)稱性也有所改善。
在此闡述了級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器的CPS-PWM脈沖生成時(shí)序。在此基礎(chǔ)上，提出一種應(yīng)用于級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器，基于不對(duì)稱規(guī)則采樣的CPS-SPWM觸發(fā)脈沖的快速、精確的生成方法。介紹了基于FPGA的級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器的CPS-PWM觸發(fā)脈沖快速生成的實(shí)現(xiàn)方法。

2 CPS-SPWM觸發(fā)脈沖的生成時(shí)序
級(jí)聯(lián)H橋型多電平變流器的單相主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，為分析方便，取級(jí)聯(lián)單元數(shù)N=5。元左、右橋臂上、下IGBT開關(guān)器件；ux為各單元交流側(cè)輸出電壓；u為級(jí)聯(lián)裝置單相輸出總電壓；Udc為各單元直流側(cè)電壓。裝置采用基于CPS-SPWM的單極性開關(guān)調(diào)制方法，各單元載波urx相互錯(cuò)開時(shí)間Ts=Tc／(2N)，其中Tc為載波周期。

各單元的脈沖生成時(shí)序如圖2所示。urx的相位與urx-相差180°，分別用來形成功率單元x的VTx1和VTx4的觸發(fā)脈沖；us為SPWM調(diào)制波。

如圖所示，在tn時(shí)刻(n=1，…，10；Ts為一個(gè)采樣周期，tk+1-tk=Ts)采樣調(diào)制波us，根據(jù)不同的采樣方法，依次生成SPWM觸發(fā)脈沖Px1，Px4，分別對(duì)應(yīng)觸發(fā)VTx1和VTx4；VTx2，VTx3的觸發(fā)脈沖Px2，Px3分別與Px1，Px4相反，實(shí)際應(yīng)用中加死區(qū)延時(shí)。
實(shí)際應(yīng)用中，載波并不以具體波形存在，而代之以雙向計(jì)數(shù)器。這里定義計(jì)數(shù)器Tx1和Tx4分別對(duì)應(yīng)載波urx和urx-；另設(shè)Tx1CMP和Tx4CMP分別為Tx1和Tx4的比較寄存器。

3 CPS-SPWM觸發(fā)脈沖快速生成原理
不對(duì)稱規(guī)則采樣方法是指在一個(gè)載波周期中的峰、谷各采樣一次調(diào)制波，如圖3所示。在t1時(shí)刻采樣us，計(jì)算占空比并加載至T11CMP，在t2時(shí)刻T11開始增計(jì)數(shù)，當(dāng)比較匹配時(shí)形成P11的下降沿；在t6時(shí)刻再次采樣us，計(jì)算占空比并更新T11CMP，在T11上溢時(shí)刻開始減計(jì)數(shù)，當(dāng)比較匹配時(shí)形成P11下一個(gè)脈沖的上升沿。

可見，依據(jù)此種方法生成的觸發(fā)脈沖，較理論上的脈沖延時(shí)亦僅為一個(gè)Ts，且由于在一個(gè)載波周期中兩次采樣正弦調(diào)制波，精度較高。該方法主要缺點(diǎn)是提高了采樣頻率，增加了計(jì)算工作量。但對(duì)于如圖2所示的級(jí)聯(lián)功率單元的觸發(fā)時(shí)序而言，該方法既沒有提高采樣頻率，又沒有增加計(jì)算量，具體分析如下：
根據(jù)圖3，對(duì)于生成同一個(gè)觸發(fā)脈沖，如P11，分別在t1和t6時(shí)刻都進(jìn)行了采樣，脈沖生成的采樣頻率比對(duì)稱規(guī)則采樣法高出了1倍。但實(shí)際上，參照?qǐng)D2所示的級(jí)聯(lián)單元脈沖生成時(shí)序，t6時(shí)刻也對(duì)應(yīng)觸發(fā)脈沖P14生成的采樣時(shí)刻，因此，總體而言，采樣頻率沒有提高，只是同一采樣時(shí)刻要進(jìn)行兩個(gè)占空比值的計(jì)算，如t6時(shí)刻，分別要計(jì)算P14，P11的占空比D14，D11。只要證明此時(shí)D14等于D11即可說明該方法無需增加計(jì)算量，證明如下：設(shè)TW11=D11Tc，TW14=D14Tc，顯然存在：(Tc-TW11)／2=(Tc-TW14)／2，解得TW11=TW14，也即D11=D14，由此可知，任何采樣時(shí)刻僅需進(jìn)行一次占空比計(jì)算，而無需增加額外的計(jì)算量。
P11和P14生成過程及時(shí)序?yàn)槿鐖D4所示。在t1時(shí)刻，采樣us并計(jì)算D11(D14)，并加載到T11CMP和T14CMP，當(dāng)下一個(gè)同步信號(hào)到達(dá)即t2時(shí)刻清零T11開始增計(jì)數(shù)，生成P11的下降沿；同時(shí)，重載T14并開始減計(jì)數(shù)，生成P14的上升沿。同理，在t6時(shí)刻，采樣us計(jì)算D14(D11)，并加載到T14CMP和T11CMP，在t7時(shí)刻分別清零T14開始增計(jì)數(shù)，重載T11并開始減計(jì)數(shù)，生成P14的下降沿和P11的上升沿。

參照?qǐng)D2，整個(gè)級(jí)聯(lián)單元的脈沖生成時(shí)序?yàn)椋?br /> ①t1，t2，t3，t4，t5時(shí)刻采樣依次生成的SPWM觸發(fā)脈沖為：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時(shí)刻采樣依次生成的SPWM觸發(fā)脈沖為：P14↓和P11↑，P24↓和P21↑，P34↓和P31↑，P44↓和P41↑，P54↓和P51↑。

4 觸發(fā)脈沖快速生成的實(shí)現(xiàn)方法
為充分發(fā)揮上述級(jí)聯(lián)H橋變流器CPS-SPWM觸發(fā)脈沖快速生成方法的優(yōu)越性，采用規(guī)模大、集成度高、可靠性強(qiáng)、編程靈活的FPGA芯片EP2C20／EP2C5，來完成觸發(fā)脈沖生成及其他包括分配、傳輸、驅(qū)動(dòng)、邏輯綜合與控制等功能。
實(shí)際工程中，觸發(fā)脈沖生成由兩部分組成，即頂層觸發(fā)監(jiān)控模塊、底層脈沖生成模塊，兩模塊之間采用光纖通訊模式，具體闡述如下：
(1)頂層觸發(fā)監(jiān)控模塊 觸發(fā)監(jiān)控模塊主要負(fù)責(zé)觸發(fā)脈沖占空比、同步信號(hào)、控制命令、底層控制參數(shù)等信息的下發(fā)；采集處理底層控制系統(tǒng)的功率單元運(yùn)行狀態(tài)以及邏輯綜合、故障處理等任務(wù)，控制結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

通信模塊(2)是整個(gè)觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，主要承擔(dān)的任務(wù)有：①接收模塊(1)的譯碼控制命令，判斷命令類型；②同步信號(hào)的編碼、下發(fā)；③接收底層控制系統(tǒng)上傳的各功率單元運(yùn)行狀態(tài)信息，存儲(chǔ)到RAM2相應(yīng)存儲(chǔ)單元中并傳輸?shù)焦收咸幚砟K；接收故障模塊向底層控制系統(tǒng)發(fā)出的故障處理命令。
(2)底層脈沖生成模塊 底層脈沖生成模塊除負(fù)責(zé)脈沖生成、驅(qū)動(dòng)控制任務(wù)外，還擔(dān)負(fù)著整個(gè)功率單元的通信和故障處理任務(wù)。該模塊主要由脈沖生成單元、通信單元及IPM驅(qū)動(dòng)接口電路等幾部分組成。脈沖形成單元負(fù)責(zé)CPS-SPWM觸發(fā)脈沖的生成任務(wù)。脈沖生成的原理在前文中已經(jīng)作了詳細(xì)的介紹，這里將重點(diǎn)介紹各功率單元的底層控制系統(tǒng)脈沖生成的過程，如圖6所示。

脈沖形成單元主要由載波形成模塊和比較模塊兩大部分組成：載波形成模塊用來形成三角載波。比較模塊的主要任務(wù)是生成IGBT觸發(fā)脈沖。即將存放在Tx1CMP／Tx4CMP中的占空比數(shù)據(jù)與Tx1／TX4中的載波數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，輸出PWM觸發(fā)脈沖。需要說明的是，Tx1CMP／Tx4CMP中的數(shù)據(jù)在對(duì)Tx1／Tx4進(jìn)行清零或重載的同時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)更新(重載)。

5 實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥⒄請(qǐng)D1，直流側(cè)電壓Udc=90 V，載波頻率1／Tc=1．28 kHz，采樣周期Ts=78．125μs。脈沖傳輸采用編碼方式，傳輸延時(shí)Ttr≈5μs。實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。

圖7a，b分別為基于對(duì)稱和不對(duì)稱規(guī)則采樣法的輸出電壓u及調(diào)制波us的波形?？梢?，基于對(duì)稱規(guī)則采樣法的u滯后us約5 ms；而基于不對(duì)稱規(guī)則采樣法的u滯后us約3 ms，具有較快的生成速度。

6 結(jié)論
理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：此處所述基于不對(duì)稱規(guī)則采樣法的CPS-SPWM脈沖生成方法，相對(duì)基于對(duì)稱規(guī)則采樣法的CPS-SPWM脈沖生成方法，既沒有增加采樣頻率，也沒有增加計(jì)算工作量，具有較快的生成速度。此外，由于采用了基于FPGA的CPS-SPWM脈沖生成的實(shí)現(xiàn)方法，為上述CPS-SPWM脈沖的快速生成提供了重要保障。