摘要：首先介紹了三電平PWM變換器的特點(diǎn)，比較了空間矢量控制方法、SHEPWM方法和SPWM方法的優(yōu)缺點(diǎn)。詳細(xì)地介紹了三電平中SPWM控制的原理，并討論了用DSPLF2407A來(lái)實(shí)現(xiàn)SPWM的方法。最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了SPWM控制方法的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了用DSP實(shí)現(xiàn)三電平SPWM的方便性。
關(guān)鍵詞：三電平變換器；正弦脈沖寬度調(diào)制；數(shù)字處理器
1 概述
二極管中點(diǎn)鉗位型的三電平逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。由于二極管的鉗位，這種變換器每個(gè)功率開(kāi)關(guān)管承受的最大電壓為直流側(cè)電壓的1/2，從而實(shí)現(xiàn)了用中低壓器件完成中高容量的變換。另外，由于相電壓有三種電平狀態(tài)，比傳統(tǒng)的二電平逆變器多了一個(gè)電平，其諧波水平明顯低于二電平變換器，輸出相同質(zhì)量電流波形的時(shí)候，開(kāi)關(guān)頻率可以降低到兩電平的1/4。最后，由于采用了不對(duì)稱的雙向開(kāi)關(guān)，能量可以雙向流動(dòng)，可以很好地控制功率因數(shù)和實(shí)現(xiàn)電機(jī)四象限運(yùn)行。然而，由于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用了12個(gè)功率管，其控制方法也隨之復(fù)雜。另外，直流側(cè)中點(diǎn)電位的不平衡也是制約該拓?fù)涞囊粋€(gè)重要因素。
圖1 三電平變換器主電路結(jié)構(gòu)
三電平變換器的控制方法主要有正弦波調(diào)制PWM(SPWM)，選擇性的消諧PWM(SHEPWM)，空間矢量PWM(SVPWM)。
三電平空間矢量控制PWM方法和兩電平空間矢量的控制方法一樣，也是一種建立在空間電壓矢量合成概念上的PWM方法。三電平空間矢量方法的優(yōu)點(diǎn)主要是電壓利用率高，對(duì)于二極管中點(diǎn)鉗位的變換電路可以利用冗余的電壓矢量（一般都是小矢量）來(lái)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容電壓的平衡；其缺點(diǎn)就是數(shù)字實(shí)現(xiàn)的時(shí)候計(jì)算量非常大,尤其是當(dāng)電平數(shù)大于3的時(shí)候更加復(fù)雜。
選擇性的消諧PWM方法，通過(guò)開(kāi)關(guān)時(shí)刻的優(yōu)化選擇，可以在較低的開(kāi)關(guān)頻率下，產(chǎn)生最優(yōu)的輸出電壓波形，從而減小了電流紋波和電動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在輸出同樣質(zhì)量波形的時(shí)候，它較其它的方法，開(kāi)關(guān)次數(shù)最少，效率最高。因此，在高壓大功率的設(shè)備上多采用SHEPWM的控制方法。但是，這種方法的一個(gè)難點(diǎn)就是在計(jì)算開(kāi)關(guān)角的時(shí)候，要解超越方程，現(xiàn)在通用的牛頓迭代法中，確定開(kāi)關(guān)角的初值難以選擇，計(jì)算比較困難。
而正弦波調(diào)制的方法的優(yōu)點(diǎn)主要以下幾點(diǎn)：
1）SPWM實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較方便，可以模擬實(shí)現(xiàn)也可以用數(shù)字來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且用數(shù)字來(lái)實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，計(jì)算量??；
2）可以大大降低輸出諧波含量，尤其是低頻紋波，它的諧波主要集中在載波頻率的K倍的位置，因此在設(shè)計(jì)濾波器的時(shí)候，比較容易實(shí)現(xiàn)，而且成本較低；
3）對(duì)于任何數(shù)電平變換器，調(diào)制比可以在所有的工作范圍內(nèi)變化，注入合適的三次諧波，可以實(shí)現(xiàn)最大調(diào)制比1.15；
4）在載波中注入合適零序列，可以較好地平衡中點(diǎn)電位。
本文在介紹三電平變換SPWM控制理論的基礎(chǔ)上，討論了用DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)三電平SPWM控制的方法，并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。
2 三電平載波調(diào)制理論
從圖1中可以看到，三電平逆變器的每一個(gè)橋臂上有4個(gè)開(kāi)關(guān)管，4個(gè)反向恢復(fù)二極管和2個(gè)鉗位二極管。以第一橋臂為例，其中開(kāi)關(guān)管Sa1和Sa3的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)互補(bǔ)，Sa2和Sa4的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)也是互補(bǔ)的。Sa1和Sa2同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)候，輸出相電壓為Ed/2；Sa2和Sa3同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)候，輸出的相電壓為0；Sa3和Sa4同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)候，輸出的相電壓為－Ed/2。為了確保電路中dv/dt不能太大，必須保證每個(gè)橋臂中只能有上面三種情況的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，絕不容許有3個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，但是，由于所采用的開(kāi)關(guān)器件都不是理想的，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷都需要一定的時(shí)間。因此，必須對(duì)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)加入死區(qū)時(shí)間。從上面分析可知，一個(gè)橋臂中，控制信號(hào)只有兩個(gè)獨(dú)立的控制信號(hào)。Sa1和Sa2的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)是由2個(gè)具有同相位，同頻率fc，相同的峰峰值Ac，且對(duì)稱分布的三角載波和一個(gè)峰峰值為Am，頻率為fm的正弦參考信號(hào)比較得到的。在三角載波和正弦波相交的時(shí)刻，如果正弦波的值大于載波的值，則開(kāi)通相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件，反之則關(guān)斷該器件。對(duì)于三電平變換器，幅度調(diào)制比ma和頻率調(diào)制比mf定義為
ma=Am/2Ac（1）
mf=fc/fm（2）
圖2是調(diào)制比為ma=0.9，mf=9的三電平變換器的原理圖。
（a）調(diào)制原理
（b）A相電壓波形
（c）B相電壓波形
（d）AB線電壓波形
圖2 SPWM原理圖
3 基于DSP的三電平SPWM的實(shí)現(xiàn)
TI公司的TMS320LF2407ADSP是面向電力電子控制領(lǐng)域的，它具有兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，能夠?qū)崿F(xiàn)PWM對(duì)稱和非對(duì)稱波形；外部引腳PDPINTx快速封鎖PWM通道；可編程的死區(qū)控制；3個(gè)捕獲單元；片內(nèi)光電編碼器接口電路；16通道的A/D轉(zhuǎn)換。另外，它還有串行通信接口(SCI)，16位的串行外設(shè)接口模塊(SPI)和控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)2.0B模塊。LF2407A可以很好地實(shí)現(xiàn)電力電子領(lǐng)域的控制。DSP實(shí)現(xiàn)SPWM控制三電平變換器的控制框圖見(jiàn)圖3。對(duì)稱的規(guī)則采樣PWM法比較簡(jiǎn)單，適合于數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)，它的原理是在三角載波的峰點(diǎn)（谷點(diǎn)）的時(shí)刻采樣正弦波調(diào)制信號(hào)而形成的波形，采樣周期Ts為三角載波的周期。用DSP實(shí)現(xiàn)SPWM控制的過(guò)程中，主要是計(jì)算各個(gè)載波周期內(nèi)的開(kāi)關(guān)時(shí)間。圖4是計(jì)算載波周期內(nèi)開(kāi)關(guān)時(shí)間的中斷程序流程圖。中斷程序主要就是計(jì)算第N個(gè)載波周期內(nèi)的開(kāi)關(guān)的時(shí)間，其中v0為正弦波的幅值。表1是DSP的信號(hào)與開(kāi)關(guān)管對(duì)應(yīng)表。表2是各個(gè)扇區(qū)內(nèi)CMPRx的值表。
表1 DSP信號(hào)和主功率管的對(duì)應(yīng)關(guān)系
| PWM1 | PWM2 | PWM3 | PWM4 | PWM5 | PWM6 |
|---|---|---|---|---|---|
| Sa3 | Sa1 | Sa4 | Sa2 | Sb3 | Sb1 |
| PWM7 | PWM8 | PWM9 | PWM10 | PWM11 | PWM12 |
| Sb4 | Sb2 | Sc3 | Sc1 | Sc4 | Sc2 |
表2 CMPRx在各個(gè)區(qū)內(nèi)的值
| CMPR1 | CMPR2 | CMPR3 | CMPR4 | CMPR5 | CMPR6 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Z1 | v0sinθ | T | v0sin(π/3－θ) | T | 0 | T－v0sin(θ＋π/3) |
| Z2 | v0sin(θ＋π/3) | T | 0 | T－v0sinθ | 0 | T－v0sin(π/3－θ) |
| Z3 | v0sin(π/3－θ) | T | 0 | T－v0sin(θ＋π/3) | v0sinθ | T |
| Z4 | 0 | T－v0sinθ | 0 | T－v0sin(π/3－θ) | v0sin(θ＋π/3) | T |
| Z5 | 0 | T－v0sin(θ＋π/3) | v0sinθ | T | v0sin(π/3－θ) | T |
| Z6 | 0 | T－v0sin(π/3－θ) | v0sin(θ＋π/3) | T | 0 | T－v0sinθ |
圖3 DSP控制的三電平變換器框圖
圖4 中斷程序流程圖
4三電平SPWM的仿真研究
為了研究載波調(diào)制的諧波消除效果，采用電力電子專用仿真軟件PSIM對(duì)圖1所示的三電平變換器進(jìn)行了仿真研究。仿真參數(shù)設(shè)置載波的頻率fc=10kHz，調(diào)制正弦波的頻率fm=50Hz，幅度調(diào)制比為ma=0.9。相電壓、線電壓的仿真波形如圖5（a）所示。從仿真結(jié)果不難看出三電平的諧波主要集中在載波頻率的倍數(shù)的位置，如圖5（b）所示，而低次諧波很小。
5 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹麟娐凡捎?2個(gè)IRF840開(kāi)關(guān)管，6個(gè)鉗位和12個(gè)反向恢復(fù)的二極管MUR860。實(shí)驗(yàn)的控制部分主要是基于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的雙DSP數(shù)字控制平臺(tái)。電路的輸入的直流電壓300V，負(fù)載為2.2kW的電動(dòng)機(jī)。開(kāi)關(guān)頻率fc=10kHz，ma=0.9。圖6(a)是相電壓波形，圖6(b)是相電壓的FFT分析。圖7(a)是線電壓波形，圖7(b)是線電壓波形的FFT分析波形。
（a）相、線電壓波形
（b）相、線電壓FFT分析
圖5 相、線電壓波形與FFT分析
（a）相電壓波形
(b)相電壓波形的頻譜分析
圖6 相電壓波形與其FFT分析
（a）線電壓波形
(b)線電壓波形的頻譜分析
圖7 線電壓波形與其FFT分析
6 結(jié)語(yǔ)
上述仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SPWM方法的諧波主要集中在高頻部分，因此，對(duì)它進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)比較容易實(shí)現(xiàn)。三電平變換器在高性能中高電壓的變頻調(diào)速，有源電力濾波裝置和電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。DSPLF2407A具有多路PWM輸出和可編程的死區(qū)時(shí)間控制，因此，在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電力電子領(lǐng)域的控制中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。