基于DSP和CPLD的矩陣變換器矢量控制系統研究

姜香菊，劉二林

JIANG Xiang-ju1, LIU Er-lin2

（1.蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，蘭州 730070；2.蘭州交通大學 機電工程學院，蘭州 730070）

0 引言

傳統的交—交電力變換器存在著功率因數較低以及諧波污染較嚴重等方面的問題，這些問題嚴重的制約了交—交電力變換器在電機調速中的進一步應用。矩陣變換器正是為了彌補交—交變換器的不足而提出的一種新型變換技術，這種新型變換器技術能更好地使交流電動機調速系統的工作性能得到改善，使交流傳動在工業自動化領域得到更廣泛的應用[1～3]。本論文論述了利用數字信號處理器(DSP)與復雜可編程邏輯控制器件(CPLD)相結合的方式設計制作矩陣變換器樣機的思路與方法，同時給出了實驗結果。

1 矩陣變換器控制系統構成

三相—三相矩陣變換器樣機系統原理結構圖如圖1所示，主要由系統主電路、核心控制計算電路和外圍硬件控制電路三個大部分組成。其中，主電路主要由輸入濾波器、3×3雙向矩陣開關以及箝位電路構成；外圍硬件電路主要由信號采樣和調理電路、IGBT驅動保護電路、輔助開關電源構成；核心控制計算電路主要由數字信號處理器(DSP)與復雜可編程邏輯控制器件(CPLD)構成[4,5]。

2 矩陣變換器控制系統硬件設計

2.1 矩陣變換器控制系統主電路

矩陣變換器控制系統主電路如圖2所示。矩陣變換器的開關矩陣由9個IGBT雙向開關(共18個）連接組成，每個雙向開關均為共集電極式結構，由控制電路控制其通斷。

圖1 三相-三相矩陣變換器系統結構圖

圖2 矩陣變換器的主電路結構圖

2.1.1 輸入濾波器電路

輸入濾波器在矩陣變換器中所起到的作用是：最大限度地消除輸入電流中由于雙向開關頻繁動作帶來的高頻諧波，并且降低電源側的高頻諧波成分，使輸入功率因數得到改善和提高。因此，考慮從矩陣變換器的實際需要出發，對輸入濾波器的基本技術要求是：其截止頻率應低于矩陣變換器的采樣頻率而高于電源電壓基頻；為提高矩陣變換器的電壓利用率，應最大限度地降低濾波器上的電壓降；濾波器盡可能少的吸收網側無功功率；最大限度地減少由該濾波器引起的濾波前后輸入電流基頻分量的相位差；盡量減小濾波器的體積并且減輕自身重量，達到低成本的目的[6,7]。實際的濾波器結構如圖3所示。

圖3 輸入濾波器結構圖

2.1.2 箝位電路

箝位電路其實是一種保護電路，設計如圖4所示。

設計箝位電路中的參數為：兩個三相整流橋：20L6P45，額定800V/20A；電容C1：由兩個220μF /450V電解電容串聯組成；電阻R1、R2：20Ω/5W；R3：100kΩ/2W。

圖4 二極管箝位電路圖

2.2 矩陣變換器控制電路設計

在矩陣變換器控制電路中，核心部分是由DSP和CPLD芯片構成的核心控制計算電路。為實現間接空間矢量調制的算法，系統選擇電機常用的控制芯片TMS320LF2407定點DSP，同時還選擇了包含320個邏輯宏單元的EPM9320LC84-20 CPLD芯片，來完成向開關矩陣發出18路驅動信號的工作，以實現IGBT雙向開關的四步換流工作方式[8,9]。

2.2.1 控制電路設計

控制電路硬件結構框圖如圖5所示。實際系統應用中，由各個傳感器采集到的矩陣變換器的輸入以及輸出側的波形（包括電壓和電流），經調理電路處理后送入DSP芯片的模/數轉換接口。由光電編碼器發出的包含電動機轉子轉速、旋轉方向信息的兩路方波信號分別送入DSP芯片的EVB模塊中的QEP4輸入口。DSP開始執行間接空間矢量調制算法，并向CPLD發出4路PWM信號、6路輸入電流空間矢量扇區號信息I1～I6和6路輸出電壓空間矢量扇區號信息O1～O6。

圖5 控制電路硬件結構圖

2.2.2 CPLD開關換流控制器設計

在EPM9320LC84-20 CPLD芯片中，采用Altera硬件描述語言(AHDL)編寫程序，來實現雙向開關的四步換流動作。CPLD開關換流控制器的結構如圖6所示。

圖6 CPLD開關換流控制器結構圖

開關換流控制器包括解碼器、延遲器和開關序列器三部分。其中的解碼器用來確定開關導通信號，延遲器和開關序列器完成四步換流方式[10,11]，并將生成的18路開關信號輸出到驅動電路中。

3 矩陣變換器控制系統軟件設計

矩陣變換器實現異步電機矢量控制系統的軟件設計主要包括對DSP和CPLD芯片的軟件設計。系統中，DSP是整個系統的控制與計算核心，主要完成對電機位置檢測控制、速度的調節與計算，以及電流電壓控制信號的生成等控制功能。CPLD芯片主要實現開關的四步安全換流控制[12]。

3.1 DSP軟件設計

DSP軟件程序主要包括系統主程序和中斷程序。主程序主要完成對系統所涉及的各個變量進行初始化以及中斷定義的功能，主程序流程如圖7所示。中斷處理程序框圖如圖8所示。

圖7 矩陣變換器主程序流程結構圖

圖8 中斷處理程序框圖

3.2 CPLD軟件設計

由DSP芯片產生的輸入電流、輸出電壓扇區狀態碼以及占空比信號一并輸出給CPLD，CPLD通過查表從而得到矩陣變換器的9路驅動信號，輸出給端口。當遇到電路過載或者短路情況時，短路保護電路會立刻向CPLD發出報警信號，接到信號后，CPLD便馬上關斷所有的信號輸出，將輸出的9路PWM信號變為低電平。整個CPLD的程序流程圖如圖9所示。

4 實驗結果及分析

實驗系統具體參數如下：電動機：PN=2kW；nN=950r/min；額定電壓：△接法，380V；IGBT：EUPIC 75A/1700V。

圖9 CPLD程序流程圖

圖10給出了矩陣變換器供電下的異步電動機從空載開始起動到穩定轉速750 r/min的過程當中，轉子三相電流變化曲線、電機的電磁轉矩以及轉速波形。

圖10 空載時系統輸出波形圖

5 結束語

矩陣變換器系統設計不僅能夠實現傳統變換器的所有功能，而且有功率開關器件相對較少、箝位電路大大簡化、換流簡單可靠、控制算法的復雜性降低等優點，能夠實現較好的傳動性能，并且可以滿足日益嚴格的電網電能質量的要求。

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