一種基于FPGA的三電平原理及實現方式

摘要：針對兩電平DSP2407控制板在三電平逆變器控制中資源不足的問題，在不改變原有成熟算法和硬件的基礎上，提出一種基于現場可編程門陣列(FPGA)的三電平實現方法。采用FPGA構造了三電平脈寬調制(PWM)IP核，包含三電平調制策略、驅動脈沖分配和保護、死區補償、零序電壓注入、中點電壓平衡控制及阻尼振蕩抑制算法等功能，并解決了DSP與FPGA的同步問題。基于FPGA和DSP構建一個三電平逆變器硬件平臺，在一臺30 kW三相異步電機上完成了相關實驗。實驗結果驗證了該方法的可行性和正確性，為兩電平調速算法拓展到三電平應用場合提供了一種簡單通用的實現方式。
關鍵詞：三電平；現場可編程門陣列；死區補償；阻尼振蕩

1 引言
三電平拓撲結構具有輸出容量大、輸出電壓高、電流諧波含量小等優點，使得該結構在高壓大功率交流電機變頻調速領域得到廣泛應用。目前，在1～4 kV電壓等級的電機調速中，應用最廣泛的是中點箝位三電平逆變器。在變頻調速控制系統中，基本的調速理論是相同的，區別就在于不同的拓撲結構所帶來的特殊性，如PWM策略、驅動脈沖的分配、中點電位平衡控制等。
隨著微電子技術和EDA技術的快速發展，應用硬件的并行性實現一些復雜算法是近幾年興起的一種全新的設計思想。
針對兩電平電壓源型變頻器已實現產品化的情況，在不改變原有兩電平調速算法的前提下，提出一種將原兩電平控制板擴展為三電平控制板的FPGA實現方法，構造了三電平PWM IP核。利用硬件語言并行執行的快速性，實現了三電平調制策略、驅動脈沖分配和保護、死區補償算法、零序電壓注入、中點電壓平衡控制算法、阻尼振蕩抑制算法等功能，是一種簡單、快速且節約成本的方法。

2 控制系統整體功能描述
圖1為DSP與FPGA的控制系統整體功能描述框圖。如圖1所示，DSP完成原有兩電平調速控制算法，將得到的兩相靜止坐標下電壓參考值uα
和uβ通過數據總線傳給FPGA中相應的寄存器。FPGA中，uα和uβ經2s／3s變換為a，b，c坐標系中的三相調制電壓uas，ubs和ucs。為提高SPWM中較低的電壓利用率，在原調制波中注入了三電平零序電壓；為克服三電平拓撲結構固有的中點不平衡問題，加入了中點平衡算法；為解決空載V／F控制下逆變器輸出電流波形在某一頻段振蕩，加入了阻尼振蕩抑制算法；為降低低頻下死區時間對輸出電流波形造成的影響，加入了死區補償算法。最后得到的調制波，經PWM發生器，加入死區后形成a，b，c三相的12路PWM驅動信號。FPGA中載波周期和死區時間都有對應的寄存器，可通過DSP按需更改。各算法模塊也由DSP單獨控制，根據電機運行條件部分或全部使能。

2．1 電壓利用率
為提高直流母線電壓利用率，采用SPWM+零序電壓注入(與SVPWM等效)的方法。調制度m定義為調制波幅值與載波幅值的比。在線性調制區內，m=1．154時，電壓利用率達到100％。
區別于兩電平的零序電壓計算方法(在兩電平中，Uz=-(Umax+Umin)／2)，利用VHDL語言編寫了適用于三電平的零序電壓算法：

模塊fangxiang用于判斷三相參考電壓的異號相及大小順序，模塊zero和除法器根據三電平的零序電壓算法輸出零序電壓分量。
2．2 死區補償算法
死區補償算法主要包括補償死區時間、IGBT開通和關斷延時、IGBT及續流二極管的管壓降等。在此采用了三電平逆變器的死區補償算法，根據伏秒特性，分別從死區時間和管壓降兩方面對死區時間進行補償。
省略具體推導過程得出a，b，c相補償時間為：

式中：Td為死區時間；Ton為開通時間；Toff為關斷時間；ias為三相電流；Ts為開關周期，Udc為直流母線電壓；k為根據不同扇區得到的系數。
利用VHDL語言編寫了死區補償模塊。