基于DSP控制的三电平变频器的研究

0 引言

三电平逆变器相对于传统的两电平而言，它可以使主开关器件的电压降低一半。由于输出多了一个电平，可以使du/dt 降低一半，从而使输出电压谐波减小，有利于实现输出电压波形的正弦化，特别适合于高压大容量的电力电子变换系统。它普遍采用空间电压矢量脉宽调制的控制策略，将DSP数字控制技术应用于三电平逆变器，不仅简化了系统的硬件结构，提高了系统性能，还可以实现系统的优化控制。

1 系统结构

1.1 系统的主电路结构

图1为变频器主电路结构图，它大体上由4 部分组成：二极管组成的AC/DC整流器;IGBT 构成的DC/AC逆变器;电压和电流信号采样检测电路和由DSP 组成的控制电路。主电路采用了传统的交—直—交变频结构，整流部分采用12 脉波二极管整流电路，逆变部分采用二极管箝位逆变电路，它是由日本学者Ajura Nabae 教授于1981 年提出来的，并且得到了广泛应用。这种电路通过多个功率器件串联，按一定的开关控制产生需要的电平级数，在输出端合成相应的正弦波。

三电平变频器的整流电路标准配置为12脉波整流电路(即输入变压器为三绕组，二次采用D和Y接法，两组二次绕组对应线电压之间的相位差为π/6，从而使整流后的电压波形具有12个脉波，同时大大减少了整流器产生的谐波电流)，而输入侧采用谐波滤波器可以进一步减少整流器产生的谐波电流。

由于箝位二极管把开关器件两端的电压限制在直流母线电压的一半，所以相对于两电平逆变器，三电平电路中的开关器件所承受的电压应力大大减轻，而输出功率增加了一倍。

1.2 驱动电路的设计

IGBT 驱动电路选择的合理性和设计的正确性对功能的实现极其重要。IGBT 的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力等参数均与门极驱动条件密切相关。

IGBT 的驱动电路包括电气隔离和晶体管放大电路两部分，多采用专用的混合集成驱动器，常用的有三菱公司的M579系列(如M57962L 和M57959L)和富士公司的EXB系列(如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851)，其内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应，慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。本次设计选用三菱公司的M57962L，正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为-10V，如图2所示。本次设计共有12路这样的驱动。

2 变频器设计基本原理

2.1 三电平空间电压矢量PWM(SVPWM)

SVPWM控制技术最初源于电动机磁链跟踪技术。这种方法是从电动机的角度出发，其目标是使交流电动机产生圆形磁场。在交流电机调速系统中，为了产生恒定的电磁转矩，必须保证定子电流产生圆形旋转的磁场，这种以产生圆形旋转磁场为目标，合理控制开关导通和关断的PWM控制就是磁链跟踪技术。磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到，因此

这种控制方法也称为电压空间矢量控制。

当用三相平衡的正弦电压向交流电动机供电时，电动机的定子磁链空间矢量幅值恒定，并以恒速旋转，磁链矢量的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场(磁链圆)。因此如果有

一种方法使逆变电路能向交流电动机提供可变频电源、并能保证电动机形成定子磁链圆，就可以实现交流电动机的变频调速。

三电平电压型逆变电路如图3 所示。三电平逆变器的每一个桥臂上有4 个开关管、4个反向恢复二极管和2个箝位二极管。

通过控制开关管Vi1、Vi2、Vi3、Vi4(其中i=a、b、c)

的开通和关断可以在该i桥臂输出三种不同的电平，即Udc/2、0、- Udc/2。当一个桥臂上Vi1、Vi2 两管导通，Vi3、Vi4两管关断时，开关状态Si为1，桥臂输出电压为Udc/2;Vi2、Vi3两管导通，Vi1、Vi4两管关断时，开关状态Si为0，桥臂输出电压为0;Vi3、Vi4两管导通，Vi1、Vi2两管关断时，开关状态Si为-1，桥臂输出电压为- Udc/2，每相的开关状态有3种即1、0、-1。因此三相三电平逆变器有27 种开关状态，其中有效的有19种，称为基本电压空间矢量。按照空间矢量幅值大小可分把基本电压空间矢量为四类：零电压空间矢量(零矢量)v0;小电压空间矢量(小矢量)v1、v4 、v7、v10、v13、v16;中电压空间矢量(中矢量)v3、v6、v9、v12、v15、v18;大电压空间矢量(大矢量)v2、v5、v8、v11、v14、v17。其中零电压空间矢量对应三个开关状态(1 1 1)、(0 0 0)、(-1 -1 -1)，每个小电压空间矢量都有两种开关状态，电压空间矢量图如图4所示。

2.2 恒U/f控制原理

在进行电机调速时，要获得良好的性能指标，须保持磁通量椎m额定不变。如果磁通太弱就没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费;如果过分增大磁通，又会使铁芯饱和，过大的励磁电流使绕组过热而损坏电机。

三相异步电动机的每相电动势的有效值为

要保持磁通量额定不变，变频调速中须维持E/f= 常数。但是，电机定子气隙电势难以直接测量、控制。

因此，变频器要维持恒磁通，只要使U与f成比例改变即可。该控制方式简称恒U/f控制。

3 控制策略

3.1 系统的控制结构

普通变频器一般采用速度开环变压变频控制，如图5所示。

该系统采用电压空间矢量调制技术实现变压变频控制，可以由开环给定一个频率值或者由系统中的某一参数和其反馈值经过PI 调节得到系统的输出频率，通过U/f曲线得到一个电压值，再由SVPWM波形发生器产生SVPWM触发脉冲，这样就可以通过改变功率器件IGBT 的占空比实现对输出电压的控制，通过控制逆变桥的工作周期来控制输出频率。在整个控制系统中，主要包括频率斜坡函数发生器、U/f函数发生器、电流限制调节器、电压限制调节器、转差补偿、低频阻抗压降补偿、PI 调节等控制环节。图5中的控制部分主要由数字化来实现，其控制核心由数字化信号处理器(DSP)完成。其时钟频率为40 MHz。[!--empirenews.page--]

3.2 DSP的选型

DSP是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。

为了满足三电平逆变器的控制要求和SVPWM控制算法运算量大及实时电压、电流检测、分析和计算的特点，结合本系统需要较强的数字信号处理能力和DSP应用普及程度，DSP选用TMS320LF2407A。

3.3 系统的软件设计

为了获得良好的运行效果，合理地编制控制软件是十分重要的。在软件设计时，为了调试方便，系统软件采用模块化结构，即每一模块完成一定的功能。程序由主程序、ADC中断服务子程序、功率驱动保护(PDPINT)中断服务子程序和PWM 中断服务子程序组成，其流程图如图6和7所示。

主程序的工作主要是完成初始化，并对启动、停止按钮状态及过流过压查询。

ADC 中断服务子程序的工作是采样电压、电流信号。

功率驱动保护(PDPINT)中断服务子程序的工作是封锁PWM输出，保护功率器件。

PWM 中断服务子程序的工作如下：

1)确定参考电压矢量的大小和角度，判断矢量属于哪个扇区，大的扇区比较容易判断，只要判断大小就可以确定在哪个大扇区;

2)确定参考电压矢量属于哪个小三角形区中;

3)根据所在小三角区位置确定该扇区参考电压矢量对应的空间矢量，计算各个对应空间矢量的作用时间;

4)再根据电压的比较(采样电压的大小)对控制因子调整，合理分配小矢量的作用时间，合理安排脉冲顺序;

5)根据参考电压矢量的幅值确定开关模式;

6)根据开关模式把相对应矢量作用时间写入对

应的比较寄存器中。

4 实验结果

根据前面介绍的系统硬件电路和软件控制算法，对制作的原理样机进行了实验研究。实验测试了异步电动机轻载稳态运行情况，以此来检测原理样机的可行性，对实验结果进行了波形记录，如图8、图9、图10所示。实验用电机的参数如下：额定电压Un=380 V，额定电流In= 4.87 A，额定频率f=50 Hz，额定功率Pe=2 200W。

实验过程测试了在不同频率输出时电机的电流，从实验波形可以看出，其输出电流是正弦波，由于采用了死区补偿，即使在低频时，波形的畸变也不大。这和前面分析的理论相一致。但从实验波形也可看出，有谐波产生，产生谐波的原因主要来自以下几个方面:第一，利用DSP产生的SVPWM波形，不能严格保证输出的PWM波形的面积与理想中相对应的正弦波面积完全相等;第二，SVPWM波形控制方法本身不可避免地造成逆变器输出波形有所失真;第三，功率开关器件存在固有的开通与延时时间。