基于SHEPWM的牽引逆變器多模式分段同步調制算法的FPGA程序設計研究

李楊

中車大連電力牽引研發中心有限公司 遼寧 大連 116052

本研究基于SHEPWM的多模式調試算法、FPGA的設計方案，分析SHEPWM的多模式調試原理，提出了多模式調制算法，并對該算法進行仿真研究。

1 同步調制算法

SHEPWM基于已知開關角個數，針對逆變器輸出電壓的波形開展傅里葉分析，并在滿足基波復制的基礎上將某特定次數選擇性的消除，同時對于開關角度進行求解[1]。

2 分段同步調制算法

由于列車組牽引變流器所具有的調速范圍寬、開關頻率低的特點，所以本研究采用多模式優化SHEPWM調制。其中，在異步調制算法實施在低速段、基于SHEPWM的分段同步調制算法則應用在中速段、高速段則采用防波控制。

2.1 劃分調制模式

開關功率器件在散熱性能、功率要求、體積以及開關頻率等方面的局限性。在本研究中，設置異步調制的開關頻率為450赫茲，而最大開關頻率不能超出450赫茲。

2.2 切換算法設計

列車在全速域多模式SHEPWM下，需要來回切換不同調制模式。而工作頻率以及開關作用順序之間并不相同，所以在對于不同調整模式進行反復的切換過程中，隨著調制模式的不同，定子電壓電流諧波分量將會逐漸改變，但是這將會導致電機轉矩突變，對于電機的運行穩定性造成影響。因此，得到更為適合的切換方案成為平穩切換個模式的關鍵所在。

要想避免切換時，電機諧波電流發生突變、轉矩沖擊等問題，那么在對于模式調制過程中，需要基于理論分析來修正調制模式切換點。本研究在某相電壓角度90°時，進行三項脈沖調制模式，并進行其切換[2]。

3 基于FPGA的實現方案

為了能夠有效處理切換不同調制模式，保障平滑過渡，本研究采用FPGA來設計多模式調制算法，方案如下：

3.1 系統整體設計

通過FPGA作為控制器，實現異步電機全速域分段同步調制算法。基于FPGA來生成控制脈沖，使FPGA、DSP兩者之間進行共同工作，而FPGA、DSP利用數據總線開展信息交互。其中，FPGA主要是負責接收DSP的信息，生成逆變器相橋臂PWM，從而控制信號，最后DSP將會接收到調制相關的信息，并開行電機控制。

FPGA還必須要實現分段同步調制、異步調制、調制模式切換、確定調制模式、控制指令接收、反饋調制信息等眾多功能。如下圖一所示為FPGA、DSP架構脈沖生成的總體功能。

圖1 脈沖生成圖

3.2 FPGA頂層設計

基于特定次諧波，在FPGA中實現消除全速域分段同步調制算法。而FPGA算法程序設計中，選擇分段同步調制模塊、判斷模塊、脈沖產生模塊等眾多模塊為模塊涵蓋逆變器狀態。但是，模塊之間的配合非常重要，模塊有效配合可以實現全速域調制算法，并且是多種模式。而分段同步調制模塊的功能體現在：用于實現SHEPWM算法，其可以根據調制模式、調制度等，對于調制脈沖開關角進行查表確定，同時采集相位數據，并分別產生三相脈沖。

逆變器狀態要選擇判斷模塊的目的主要是為了可以選擇不同算法調制模式，并切換不同模式，以此來實現各調制模式的切換。

3.3 FPGA與DSP通信

FPGA、DSP之間必須要設置通信總線接口，并且需要基于DSP來實現XINTF外設接口，從而進行通信總線。DSP對于該總線進行訪問，要求FPGA中擁有數據存儲器。DSP可以利用總線，在FPGA存儲器中寫入參數信息，并在儲存器內讀取反饋。

4 模式切換性能的測試

將不同的調制模式在進行切換時的電機A相與B相定子電流、切換信號以及A項開關信號捕捉下來，可以在某項相位為90°的情況下，發送切換信號，而各種信號在進行快速切換的過程中，能夠有效實現平滑切換，具有良好的切換效果。

5 結束語

綜上所述，通過對兩電平牽引逆變器進行研究，在此基礎上設計FPGA的牽引逆變器多模式調制算法，后測試了其模式切換性能，有效論證了該算法的作用。