基于FPGA的高精度寬頻帶逆變器全數(shù)字化控制技術(shù)

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(shù)的高精度寬頻帶逆變器全數(shù)字化控制技術(shù)毛惠豐1,2 楊旭1 陳增祿2 王兆安11 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,西安,陜西,中國2 西安工程大學(xué)電子與信息學(xué)院,西安,陜西,中國摘 要 針對(duì)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(diǎn),又具有數(shù)字控制系統(tǒng)可重復(fù)編程、響應(yīng)快以及可并行運(yùn)算等特點(diǎn)。文中給出了直流母線電壓補(bǔ)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(hào)生成的一套全數(shù)字控制方案。最后,給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞 逆變器,FPGA,數(shù)字化自然采樣法,直流母線電壓補(bǔ)償,直流漂移,SPWM1.引言高精度寬頻帶逆變器作為電動(dòng)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)專用驅(qū)動(dòng)電源,有其特殊的性能指標(biāo)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(dòng)電壓會(huì)使逆變器交流輸出電壓與之同步脈動(dòng)4。

6、要滿足逆變器失真小的要求,應(yīng)考慮直流母線電壓的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。電動(dòng)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電源的負(fù)載是一個(gè)電磁動(dòng)圈,其直流電阻非常小,很小的輸出電壓直流漂移就會(huì)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(duì)稱都會(huì)引起輸出電壓的直流漂移。因此必須考慮對(duì)輸出電壓的直流漂移進(jìn)行調(diào)偏控制5,6。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,FPGA向高集成度,高速度,低價(jià)位方向不斷邁進(jìn),其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。與軟件程序流的實(shí)現(xiàn)方案(如普通單片機(jī),DSP相比較7,FPGA能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的并行處理;能滿足實(shí)時(shí)處理要求更高的應(yīng)用場合8;容易實(shí)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(shí)現(xiàn)方案,具體內(nèi)容包括:直流母線電壓的補(bǔ)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(shù)。給出了基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)控制方法。FPGA具有信號(hào)處理速度快、并行運(yùn)算等突出優(yōu)點(diǎn),有利于直流母線電壓補(bǔ)償精度和直流調(diào)偏控制精度的進(jìn)一步提高。而SPWM載波相移多重化更易用FPGA 實(shí)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(bǔ)償 本文采用前饋控制的方法來實(shí)現(xiàn)直流母線電壓補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｆ湓硎菍?duì)直流母線電壓進(jìn)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(shí)時(shí)調(diào)節(jié)數(shù)字化調(diào)制信號(hào)通道中設(shè)置的反比例系數(shù)前置放大器,以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。直流母線電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)的相關(guān)變量之間的關(guān)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(shí)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(duì)應(yīng)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(guān)系。max d u 對(duì)應(yīng)K 的最小值min K (1min =K ;直流母線電壓的最小值min d u 對(duì)應(yīng)K 的最大值max K 。設(shè)調(diào)制信號(hào)為(t M sin ,M 為調(diào)制度,且10M 。在調(diào)制信號(hào)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(dòng)不會(huì)影響01U ,01U 可由M 來調(diào)節(jié)。假設(shè)M 等于1,則01U 就等于max d u 。在d u 的脈動(dòng)過程中(max min d d d u u u ,由于1K ,因此M 會(huì)發(fā)生大于1的情況。為防止過調(diào)制(1M ,必須引入一個(gè)調(diào)節(jié)系數(shù)(10,則對(duì)調(diào)偏量com D 減1;如果(k C k C ON OP ,則對(duì)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(hào)數(shù)。將com D 與調(diào)制信號(hào)的幅值進(jìn)行加法運(yùn)算,即可實(shí)現(xiàn)調(diào)偏控制的目的。圖3為實(shí)現(xiàn)交流輸出電流在正負(fù)兩方向上對(duì)應(yīng)的平

11、均值大小的比較。分別采用式(13和(15對(duì)采樣得到的正負(fù)兩電流分量對(duì)應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)行數(shù)字濾波。每隔com T 時(shí)間啟動(dòng)無符號(hào)比較器,對(duì)(k C OP 和(k C ON 進(jìn)一次數(shù)值比較,根據(jù)比較結(jié)果給com D (其位數(shù)為n 賦相應(yīng)的值。圖3 調(diào)偏控制結(jié)構(gòu)簡圖4.載波相移SPWM 多重化根據(jù)文獻(xiàn)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(hào)分別與反比例系數(shù)前置放大器和調(diào)偏控制器進(jìn)行計(jì)算,然后與N 個(gè)在相位上依次滯后N1載波周期的數(shù)字化三角載波進(jìn)行調(diào)制,即可實(shí)現(xiàn)載波相移SPWM 多重化輸出波形。5.FPGA 實(shí)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(shí)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(shí)鐘決定。首先對(duì)模擬正弦調(diào)制信號(hào)進(jìn)行雙極性采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換,將調(diào)制信號(hào)的數(shù)字量 與反比例系數(shù)前置放大器K 進(jìn)行一次有符號(hào)的乘法和除法運(yùn)算;將其運(yùn)算結(jié)果與調(diào)偏量com D 進(jìn)行有符號(hào)的加法運(yùn)算;將調(diào)偏控制后的調(diào)制信號(hào)分別進(jìn)行規(guī)格化處理和坐標(biāo)平移8。最后,將調(diào)制信號(hào)與三角載波進(jìn)行無符號(hào)的數(shù)值比較,實(shí)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(jié)構(gòu)優(yōu)化后的等效圖。圖5中的調(diào)偏量com D 的最小當(dāng)量與數(shù)字化三角載波的最小當(dāng)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(jìn)一步的提高。圖5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化簡圖6. 實(shí)

13、驗(yàn)結(jié)果將一臺(tái)單相九電平載波相移多重化逆變器作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),來驗(yàn)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(gè)逆變橋構(gòu)成,負(fù)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(shí)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(hù)控制模塊等。利用FPGA 控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1290對(duì)直流母線電壓,模擬正弦調(diào)制信號(hào),負(fù)載輸出電流分別進(jìn)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(shí)鐘為48MHz 。圖6為

14、四個(gè)單元逆變橋上橋臂的SPWM 邏輯信號(hào)波形。載波頻率為32KHz 。圖7為直流母線電壓補(bǔ)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(dòng),其脈動(dòng)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(dòng)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(jié)論將數(shù)字化自然采樣法與載波相移SPWM 技術(shù)相結(jié)合,應(yīng)用于寬頻帶低失真逆變器中是一個(gè)很好的選擇方法。多 路SPWM 波形的生成更易用FPGA 實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行直流母線電壓補(bǔ)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本控制方案對(duì)于特種逆變電源的進(jìn)一步應(yīng)用具有一定的工程參考價(jià)值。t : 100s/格 圖6 SPWM 信號(hào)(a 補(bǔ)償前 (t :5ms/格(b 補(bǔ)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(xiàn)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(shù), 2002, 36(5: 2224.2 Zhang Z C, Kuang J B, Ooi B T. Forced Commutated HVDC and

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