基于DSP CPLD的雙級(jí)矩陣變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、基于DSP+CPLD的雙級(jí)矩陣變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)粟梅，余岳，孫堯，桂衛(wèi)華中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083Email ：摘要傳統(tǒng)矩陣變換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度較高等優(yōu)點(diǎn)。但是，換流問(wèn)題和復(fù)雜的PWM 調(diào)制方法限制了其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。雙級(jí)矩陣變換器保持了傳統(tǒng)矩陣變換器所有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，使PWM 調(diào)制算法更加簡(jiǎn)單。整流端的開關(guān)實(shí)現(xiàn)了零電流換流，沒(méi)有傳統(tǒng)矩陣變換器中的換流問(wèn)題。針對(duì)雙級(jí)矩陣變換器的控制要求，提出了一種基于DSP CPLD 的雙級(jí)矩陣變換器的實(shí)現(xiàn)方法，開發(fā)了一套雙級(jí)矩陣變換器裝置。關(guān)鍵詞雙級(jí)矩陣變換器，硬件實(shí)現(xiàn)，DSP ，CPLDDesign and Realizat

2、ion of Two-stage Matrix Converter Based on DSP+CPLDSu Mei, Yu Yue, Sun Yao Gui WeiHuaAbstract Conventional Matrix Converter is very simple in structure and has powerful controllability. However, commutation problem and complicated PWM method keep it from being utilized in industry. Two-stage Matrix

3、Converter has the same performance as a conventional matrix converter. The PWM method utilized at conventional inverter can be used, which can largely simplify its control complexity. All the switches at line side turn on and turn off at zero current; the converter does not have any commutation prob

4、lems as required by the conventional matrix converter. Based on DSP and CPLD, a control algorithm is implemented to meet the control requirements of Two-stage matrix converter. An experimental prototype is developed to verify the proposed control algorithm.Keywords Two-stage Matrix Converter, Hardwa

5、re realization, DSP,CPLD1引言隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，交-直-交變頻器在傳動(dòng)系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用, 但其也存在一些固有的缺陷。近年來(lái)，矩陣變換器日益受到重視，成為電力變換器中的研究熱點(diǎn)。矩陣變換器是一種 綠色 的直接變換型交流-交流電力變換裝置，與傳統(tǒng)的自然換流變頻器相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)。但目前，矩陣變換器仍停留在理論研究和實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段。其主要原因是傳統(tǒng)單級(jí)矩陣變換器也存在一些缺陷。雙級(jí)矩陣變換器的提出，在一定程度上解決了傳統(tǒng)矩陣變換器所面臨的問(wèn)題。雙級(jí)矩陣變換器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)矩陣變換器的所有功能，而且具有很多優(yōu)點(diǎn)：控制容易，電網(wǎng)側(cè)的

6、單橋可實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)，負(fù)載側(cè)開關(guān)控制類似于傳統(tǒng)的DC/AC逆變器；箝位電路大大簡(jiǎn)化；雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從而降低了系統(tǒng)成本。在交流調(diào)速系統(tǒng)中，使用雙級(jí)矩陣變換器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)較好的傳動(dòng)性能，另一方面也可以滿足日益嚴(yán)格的 電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)雙級(jí)矩陣變換器的研究相對(duì)較少，已有的研究也基本上只停留在仿真研究階段。本文提出一種基于12開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的雙級(jí)矩陣變換器的實(shí)現(xiàn)方法，并開發(fā)了一套雙級(jí)矩陣變換器裝置。2雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及調(diào)制算法分析2.1 雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖112開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 圖2 等效雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖圖1為雙級(jí)矩陣

7、變換器的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。與傳統(tǒng)單級(jí)矩陣變換器相比，雙級(jí)矩陣變換器開關(guān)器件數(shù)目減少了，整流級(jí)加逆變級(jí)一起總共只需要12個(gè)IGBT ，并且根據(jù)不同的需要，開關(guān)數(shù)目還可以進(jìn)一步降低。2.2 雙級(jí)矩陣變換器調(diào)制算法分析 圖3 整流分區(qū)為了保持在中間直流上正下負(fù)的同時(shí)，并且盡可能大地充分利用三相輸入線電壓以合成較大的直流電壓，將三相正弦輸入電壓劃分為6個(gè)區(qū)間，如圖3所示，每個(gè)區(qū)間內(nèi)就有一相的絕對(duì)值最大，另兩相的電壓極性與之相反。根據(jù)此方法，結(jié)合圖2等效的雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，可以得到整流端的開關(guān)狀態(tài)，如表1所示：段1 段 2 區(qū)間號(hào) 接通開關(guān)直流電壓接通開關(guān) 直流電壓1 S ap , Sbn V s

8、a - Vsb S ap , Scn V sa - V sc2 S cn , Sap V sa - Vsc S cn , Sbp V sb - Vsc3 S bp , Scn V sb - Vsc S bp , San V sb - Vsa4 S an , Sbp V sb - Vsa S an , Scp V sc - Vsa5 S cp , San V sc - Vsa S cp , Sbn V sc - Vsb6 S bn , Scp V sc - Vsb S bn , Sap V sa - Vsb 表1 整流端開關(guān)狀態(tài)在保證整流級(jí)輸入端為單位功率因數(shù)的條件下，以區(qū)間1為例，整流級(jí)的調(diào)制

9、策略可以由下式表示：逆變級(jí)的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)逆變器一樣，故可采用性能優(yōu)良的空間矢量調(diào)制策略。由于整流級(jí)每一個(gè)開關(guān)周期分為兩段，為了協(xié)調(diào)好整流級(jí)和逆變級(jí)，把逆變級(jí)每個(gè)開關(guān)周期也分為兩段，仍然以區(qū)間1為例： （1） 在整流級(jí)區(qū)間1第一段時(shí)，逆變級(jí)V 1 、V2和Vo 的占空比根據(jù)下式求得:（2） 在整流級(jí)區(qū)間1第二段時(shí)，逆變級(jí)V 1 、V2和Vo 的占空比根據(jù)下式求得：同樣依照上述方法，其他區(qū)間的占空比也可以通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算得到。3. 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)依據(jù)雙級(jí)矩陣變換器調(diào)制算法的要求，系統(tǒng)所需要完成的功能主要是檢測(cè)當(dāng)前的三相輸入電源的幅值和相位，再計(jì)算出雙級(jí)矩陣變換器的整流級(jí)和逆變級(jí)的控制所需要的占空

10、比數(shù)據(jù)，然后將這些占空比的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為開關(guān)開啟和閉合的時(shí)間來(lái)控制開關(guān)的通斷，從而達(dá)到控制交流異步電動(dòng)機(jī)的目的。根據(jù)以上分析，系統(tǒng)按照模塊化設(shè)計(jì)的思想，總體結(jié)構(gòu)上分為三大模塊如圖4中灰色框所示，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示： 圖4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖（1）采樣板。主要對(duì)三相交流輸入電源進(jìn)行信號(hào)變換處理，使得該信號(hào)幅值符合TMS320LF2407A 的A/D端口輸入03.3V的要求，然后送入TMS320LF2407A 的ADC 采樣端口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。 （2）DSP CPLD 主板。DSP 器件選用了TI 公司的TMS320LF2407A 。DSP 部分主要進(jìn)行采樣和對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值處理。根據(jù)給定

11、，按照占空比計(jì)算公式計(jì)算出整流級(jí)和逆變級(jí)開關(guān)周期的占空比，再將得到的占空比轉(zhuǎn)換為時(shí)間的計(jì)數(shù)值送到CPLD 進(jìn)行計(jì)數(shù)。引入CPLD 一方面是為了減輕DSP 的工作負(fù)擔(dān)，使DSP 有充足時(shí)間進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，另一方面增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)開關(guān)器件控制的可靠性。CPLD 選用了ALTERA 公司的MAXII 系列中的EPM1270器件。CPLD 內(nèi)部主要完成了計(jì)數(shù)和死區(qū)補(bǔ)償?shù)墓δ埽珼SP 傳送來(lái)的計(jì)數(shù)值被存儲(chǔ)在CPLD 的寄存器里，然后CPLD 根據(jù)計(jì)數(shù)值進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)時(shí)間到了后，再將控制開關(guān)的通斷的信號(hào)送到驅(qū)動(dòng)板。DSP 同時(shí)通過(guò)SCI 與MAX232接口，通過(guò)RS232完成與上位機(jī)的通訊工作。上位機(jī)既可以通過(guò)R

12、S232接口將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)給定于DSP 進(jìn)行控制，也可以接收DSP 傳送的系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)數(shù)據(jù)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析的功能。為了增加DSP 的數(shù)據(jù)處理量，還擴(kuò)展了64k 16bit外部?jī)?chǔ)存器。（3）驅(qū)動(dòng)板。主要功能是接收主板上的CPLD 傳送的開關(guān)動(dòng)作信號(hào)作用于開關(guān)器件。本套裝置在開關(guān)器件的選擇上使用了集成度較高、可靠性較好的IPM 模塊，通過(guò)IPM 適當(dāng)?shù)倪B接就可以組合成圖1 所示的 12個(gè)開關(guān)的雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于IPM 模塊內(nèi)部的IGBT 自帶驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，使得驅(qū)動(dòng)板主電路部分的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化很多。4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)DSP主程序流程圖如圖5所示，主要完成定時(shí)器、串口、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的初

13、始化工作。在TMS320LF2407A中，ADC的采樣由一個(gè)定時(shí)器控制，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)定時(shí)采樣，不需要人工干預(yù)。ADC采樣完成后，會(huì)產(chǎn)生采樣完成中斷，程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)入ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元中斷子程序。通過(guò)串口，上位機(jī)可以發(fā)送命令給DSP，完成給定參考電源數(shù)值、啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)、檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等工作。 圖5 DSP主程序流程圖ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元中斷子程序流程圖如圖6所示，程序主要完成了占空比的計(jì)算工作。進(jìn)入中斷子程序后，首先讀取已經(jīng)檢測(cè)并轉(zhuǎn)換的三相電源數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行分析計(jì)算。在計(jì)算占空比的過(guò)程中值得注意的是，由于TMS320LF2407A 屬于定點(diǎn)運(yùn)算型處理器，且指令系統(tǒng)中不含除法指令，而占空比計(jì)算中

14、含有大量浮點(diǎn)運(yùn)算，特別是浮點(diǎn)除法運(yùn)算，為了縮短程序運(yùn)行的時(shí)間以提高系統(tǒng)運(yùn)行的能力，程序設(shè)計(jì)中使用了浮點(diǎn)數(shù)的定點(diǎn)表示方法，和大量的查表計(jì)算方法，在充分利用DSP 內(nèi)部程序儲(chǔ)存器的同時(shí)還提高了程序運(yùn)行的效率。這些方法在系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中得到了較好的表現(xiàn)。圖6 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元中斷子程序流程圖4.2 CPLD部分CPLD 的軟件設(shè)計(jì)用Verilog 硬件開發(fā)語(yǔ)言開發(fā)。CPLD 硬件功能框圖如圖7所示。 圖7 CPLD硬件功能框圖 在一個(gè)PWM 周期開始后，DSP 將檢測(cè)到的三相電源信號(hào)經(jīng)計(jì)算得到控制開關(guān)通斷的占空比信號(hào)然后送入CPLD 內(nèi)部的一個(gè)雙口RAM ，然后由占空比計(jì)數(shù)器讀入。由于TMS320L

15、F2407A 運(yùn)算速度足夠快，這一過(guò)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個(gè)PWM 周期，因此CPLD 有足夠的時(shí)間準(zhǔn)備好當(dāng)前數(shù)據(jù)為下一個(gè)PWM周期計(jì)數(shù)。送入雙口RAM 的還有死區(qū)計(jì)數(shù)時(shí)間，由于實(shí)際的物理開關(guān)存在開關(guān)滯后的問(wèn)題，DSP 同時(shí)也發(fā)送死區(qū)補(bǔ)償量給CPLD 進(jìn)行軟件功能上的死區(qū)補(bǔ)償。這種用軟件進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒蓪?duì)不同的開關(guān)對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)際應(yīng)用中十分靈活。5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)上述設(shè)計(jì)方法研制了一套雙級(jí)矩陣變換器裝置。在拖動(dòng)三相交流異步電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)中，圖8為輸入三相工頻電流波形，圖9為輸出線電壓波形，圖10為輸出相電流波形，輸出頻率為16Hz 。圖11為中間直流波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙級(jí)矩陣變換器輸入電壓、電流正弦且基本同相；輸出線電壓正弦脈沖寬度調(diào)制、電流正弦變化；輸入電流和輸出電壓中基波分量占絕對(duì)主要成分，具有優(yōu)良的輸入輸出特性。 圖8 輸入電流(0.5A/div 圖9輸出線電壓(50V/div圖10輸出相電流(0.1A/div圖11 中間直流電壓(50V/div5. 結(jié)論雙級(jí)矩陣變換器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)矩陣變換器的所有功能，而且有功率開關(guān)器件相對(duì)較少、箝位電路大大簡(jiǎn)化、換流簡(jiǎn)單可靠、控制算法的復(fù)雜性降低等優(yōu)點(diǎn), 能夠?qū)崿F(xiàn)較好的傳動(dòng)性能，并且可以滿足日益嚴(yán)格的電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求。參考文獻(xiàn)1 Kolar J