基于FPGA的高精度寬頻帶逆變器全數(shù)字化控制技術

1、DIGITAL CONTROL TECHNOLOGY FOR HIGH-PRECISION AND WIDE-BAND INVERTERBASED ON FPGAHuifeng Mao 1,2, Xu Yang 1 , Zenglu Chen 2, and Zhaoan Wang 11 School of Electrical Engineering, Xian Jiaotong University, Xian , Shaanxi, China (maokk6252 Electronic Information College, Xian Polytechnic University, Xi

2、an , Shaanxi , ChinaAbstractOwing to the special requirement for high-precision and wide-band inverter, a novel control scheme is presented based on field programmable gate array (FPGA. The scheme is steady and trusty as digital circuit, programmable, and rapid in response and parellel for operation

3、, et al. The theory for compensation of DC link voltage and offset control of DC drift current for AC output is introduced. The realization scheme of digital control system, including to inverse proportion coefficient front amplifier, and offset control and multiple SPWM wave form, is introduced bas

4、ed on FPGA. Finally, experiments results are obtained.Keywords inverter, FPGA, Digital natural sampling, compensation of DC link voltage, DC drift, SPWM基于FPGA的高精度寬頻帶逆變器全數(shù)字化控制技術的高精度寬頻帶逆變器全數(shù)字化控制技術毛惠豐1,2 楊旭1 陳增祿2 王兆安11 西安交通大學電氣工程學院,西安,陜西,中國2 西安工程大學電子與信息學院,西安,陜西,中國摘 要 針對高精度逆變器的特殊性能要求,提出了基于FPGA的全數(shù)字化控制方案。

5、該方案既具有數(shù)字電路穩(wěn)定可靠的一般特點,又具有數(shù)字控制系統(tǒng)可重復編程、響應快以及可并行運算等特點。文中給出了直流母線電壓補償和直流漂移的調(diào)偏控制原理。給出了基于FPGA的數(shù)字控制系統(tǒng)中反比例系數(shù)前置放大器,調(diào)偏控制以及SPWM多重化信號生成的一套全數(shù)字控制方案。最后,給出了實驗結果。關鍵詞 逆變器,FPGA,數(shù)字化自然采樣法,直流母線電壓補償,直流漂移,SPWM1.引言高精度寬頻帶逆變器作為電動振動實驗臺專用驅(qū)動電源,有其特殊的性能指標要求1,2,3。一般情況下,逆變器直流母線電壓均由工頻網(wǎng)經(jīng)二極管整流濾波電路獲得,其包含的100Hz或300 Hz脈動電壓會使逆變器交流輸出電壓與之同步脈動4。

6、要滿足逆變器失真小的要求,應考慮直流母線電壓的實時補償。電動振動實驗臺驅(qū)動電源的負載是一個電磁動圈,其直流電阻非常小,很小的輸出電壓直流漂移就會產(chǎn)生很大的直流電流,從而使系統(tǒng)的損耗增大,有效容量減小,可靠性降低。逆變器中的隔離環(huán)節(jié)和各功率器件等存在漂移和特性不對稱都會引起輸出電壓的直流漂移。因此必須考慮對輸出電壓的直流漂移進行調(diào)偏控制5,6。隨著大規(guī)模集成電路技術的飛速發(fā)展,FPGA向高集成度,高速度,低價位方向不斷邁進,其應用領域也不斷擴大。與軟件程序流的實現(xiàn)方案(如普通單片機,DSP相比較7,FPGA能實現(xiàn)信號的并行處理;能滿足實時處理要求更高的應用場合8;容易實現(xiàn)載波相移多重化SPWM

7、波形9,10,11。本文提出的基于FPGA的高精度寬頻帶逆變器控制電路的全數(shù)字化實現(xiàn)方案,具體內(nèi)容包括:直流母線電壓的補償;直流漂移的調(diào)偏控制;基于數(shù)字化自然采樣法的載波相移SPWM技術。給出了基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)控制方法。FPGA具有信號處理速度快、并行運算等突出優(yōu)點,有利于直流母線電壓補償精度和直流調(diào)偏控制精度的進一步提高。而SPWM載波相移多重化更易用FPGA 實現(xiàn)8,9,10。2010 3rd International Conference on Power Electronics and Intelligent Transportation System978-1-4244-91

8、62-9/10/$26.00 2010 IEEE PEITS20102.直流母線電壓補償 本文采用前饋控制的方法來實現(xiàn)直流母線電壓補償?shù)哪康摹Ｆ湓硎菍χ绷髂妇€電壓進行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換。利用模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量來實時調(diào)節(jié)數(shù)字化調(diào)制信號通道中設置的反比例系數(shù)前置放大器,以達到補償?shù)哪康摹Ｖ绷髂妇€電壓補償環(huán)節(jié)的相關變量之間的關系由如下表示:12K V u D ref dm m =(1 mmD K 2= (2 ref d V K u =1max (3d u K C = (4式(1(4中,d u 為直流母線電壓的瞬時值;1K 為降壓電路的系數(shù);ref V 為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的滿量程;m D 和m 分別為模數(shù)轉(zhuǎn)

9、換器輸出的數(shù)字量和對應的位數(shù);K 為反比例系數(shù)前置放大器的系數(shù),1K ;max d u 為直流母線電壓的最大值;C 為一常數(shù),且等于max d u 。由式(4得出,K 與d u 成反比關系。max d u 對應K 的最小值min K (1min =K ;直流母線電壓的最小值min d u 對應K 的最大值max K 。設調(diào)制信號為(t M sin ,M 為調(diào)制度,且10M 。在調(diào)制信號通道中加入反比例系數(shù)前置放大器后,等效的調(diào)制度M 為mmD M K M M 2= (5 逆變器交流側(cè)輸出電壓的基波幅值01U 為 max 012d mdm d u M D u M u K M U =(6由式(6得

10、出,通過反比例系數(shù)前置放大器的作用,直流母線電壓的脈動不會影響01U ,01U 可由M 來調(diào)節(jié)。假設M 等于1,則01U 就等于max d u 。在d u 的脈動過程中(max min d d d u u u ,由于1K ,因此M 會發(fā)生大于1的情況。為防止過調(diào)制(1M ,必須引入一個調(diào)節(jié)系數(shù)(10,則對調(diào)偏量com D 減1;如果(k C k C ON OP ,則對com D 加1;如果(k C k C ON OP =,則com D 保持原值。com D 的初值為零,且為有符號數(shù)。將com D 與調(diào)制信號的幅值進行加法運算,即可實現(xiàn)調(diào)偏控制的目的。圖3為實現(xiàn)交流輸出電流在正負兩方向上對應的平

11、均值大小的比較。分別采用式(13和(15對采樣得到的正負兩電流分量對應的數(shù)字量進行數(shù)字濾波。每隔com T 時間啟動無符號比較器,對(k C OP 和(k C ON 進一次數(shù)值比較,根據(jù)比較結果給com D (其位數(shù)為n 賦相應的值。圖3 調(diào)偏控制結構簡圖4.載波相移SPWM 多重化根據(jù)文獻10,11提出的數(shù)字化自然采樣法的調(diào)制原理,先將數(shù)字化的正弦調(diào)制信號分別與反比例系數(shù)前置放大器和調(diào)偏控制器進行計算,然后與N 個在相位上依次滯后N1載波周期的數(shù)字化三角載波進行調(diào)制,即可實現(xiàn)載波相移SPWM 多重化輸出波形。5.FPGA 實現(xiàn)圖4示出了基于FPGA 的載波相移多重化SPWM 輸出波形的實現(xiàn)過

12、程。圖中,P 為數(shù)字化三角載波的峰峰值,三角載波的周期由P 和系統(tǒng)時鐘決定。首先對模擬正弦調(diào)制信號進行雙極性采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換,將調(diào)制信號的數(shù)字量 與反比例系數(shù)前置放大器K 進行一次有符號的乘法和除法運算;將其運算結果與調(diào)偏量com D 進行有符號的加法運算;將調(diào)偏控制后的調(diào)制信號分別進行規(guī)格化處理和坐標平移8。最后,將調(diào)制信號與三角載波進行無符號的數(shù)值比較,實現(xiàn)多路SPWM 輸出波形。圖4 控制系統(tǒng)簡圖圖5為圖4經(jīng)結構優(yōu)化后的等效圖。圖5中的調(diào)偏量com D 的最小當量與數(shù)字化三角載波的最小當量相同。從而提高了調(diào)偏控制的靈敏度。圖5在控制精度和算法上得到了進一步的提高。圖5 結構優(yōu)化簡圖6. 實

13、驗結果將一臺單相九電平載波相移多重化逆變器作為實驗平臺,來驗證本控制系統(tǒng)的性能。該逆變器采用雙極性調(diào)制方式,由四個逆變橋構成,負載為電阻。選用ALTERA 公司提供的EP2C8Q208C8作為核心控制器件。在該FPGA 內(nèi)部實現(xiàn)的主要功能模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制模塊、反比例系數(shù)前置放大器模塊、載波相移四重化模塊、直流調(diào)偏控制模塊、雙極性調(diào)制模塊以及系統(tǒng)的一些保護控制模塊等。利用FPGA 控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1290對直流母線電壓,模擬正弦調(diào)制信號,負載輸出電流分別進行雙極性采樣。采樣頻率分別為84KHz ,168KHz , 42KHz 。T 為3s ,FPGA 的系統(tǒng)時鐘為48MHz 。圖6為

14、四個單元逆變橋上橋臂的SPWM 邏輯信號波形。載波頻率為32KHz 。圖7為直流母線電壓補償前后的逆變器輸出電壓波形。圖7(a 中,逆變器輸出電壓幅值與直流母線電壓幅值同步脈動,其脈動頻率為100Hz(母線電壓由單相不可控整流電路獲得;圖7(b 中,逆變器輸出電壓幅值基本上不受直流母線電壓脈動的影響。圖8為調(diào)偏控制前后的逆變器輸出電壓波形。由圖8看出,經(jīng)調(diào)偏控制后,逆變器輸出電壓基本上無直流漂移現(xiàn)象。7.結論將數(shù)字化自然采樣法與載波相移SPWM 技術相結合,應用于寬頻帶低失真逆變器中是一個很好的選擇方法。多 路SPWM 波形的生成更易用FPGA 實現(xiàn)。在此基礎上,進行直流母線電壓補償和直流調(diào)偏

15、控制,更加有效地提高了逆變器的性能。實驗結果表明,本控制方案對于特種逆變電源的進一步應用具有一定的工程參考價值。t : 100s/格 圖6 SPWM 信號(a 補償前 (t :5ms/格(b 補償后(t :5ms/格 圖7 逆變器輸出電壓波形(a 調(diào)偏控制前 (t : 500s/格(b 調(diào)偏控制后 (t : 500s/格 圖8逆變器輸出電壓波形參考文獻1 陳增祿,溫宗周,錢慧芳,等.基于MSPWM 的大功率寬頻帶低失真逆變器J.電力電子技術, 2002, 36(5: 2224.2 Zhang Z C, Kuang J B, Ooi B T. Forced Commutated HVDC and

16、SVC based on phase-shift multiconverter modulesJ. IEEE Trans on PD,1993,8(4:712718.3 李建林,林平,王長永,張仲超.基于載波相移SPWM 技術的電流型有源電力濾波器的研究J.中國電機工程學報,2003,23(10:99103.4 M. Pande , G. Joos, Senior .Output Voltage Integral ControlTechnique for Compensating Nonideal DC Buses in Voltage Source InvertersJ. IEEE Tran

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