基于DSP和CPLD的矩陣變換器矢量控制系統(tǒng)研究

姜香菊，劉二林

JIANG Xiang-ju1, LIU Er-lin2

（1.蘭州交通大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070）

0 引言

傳統(tǒng)的交—交電力變換器存在著功率因數(shù)較低以及諧波污染較嚴(yán)重等方面的問題，這些問題嚴(yán)重的制約了交—交電力變換器在電機(jī)調(diào)速中的進(jìn)一步應(yīng)用。矩陣變換器正是為了彌補(bǔ)交—交變換器的不足而提出的一種新型變換技術(shù)，這種新型變換器技術(shù)能更好地使交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作性能得到改善，使交流傳動在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用[1～3]。本論文論述了利用數(shù)字信號處理器(DSP)與復(fù)雜可編程邏輯控制器件(CPLD)相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)制作矩陣變換器樣機(jī)的思路與方法，同時(shí)給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 矩陣變換器控制系統(tǒng)構(gòu)成

三相—三相矩陣變換器樣機(jī)系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由系統(tǒng)主電路、核心控制計(jì)算電路和外圍硬件控制電路三個(gè)大部分組成。其中，主電路主要由輸入濾波器、3×3雙向矩陣開關(guān)以及箝位電路構(gòu)成；外圍硬件電路主要由信號采樣和調(diào)理電路、IGBT驅(qū)動保護(hù)電路、輔助開關(guān)電源構(gòu)成；核心控制計(jì)算電路主要由數(shù)字信號處理器(DSP)與復(fù)雜可編程邏輯控制器件(CPLD)構(gòu)成[4,5]。

2 矩陣變換器控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 矩陣變換器控制系統(tǒng)主電路

矩陣變換器控制系統(tǒng)主電路如圖2所示。矩陣變換器的開關(guān)矩陣由9個(gè)IGBT雙向開關(guān)(共18個(gè)）連接組成，每個(gè)雙向開關(guān)均為共集電極式結(jié)構(gòu)，由控制電路控制其通斷。

圖1 三相-三相矩陣變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 矩陣變換器的主電路結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 輸入濾波器電路

輸入濾波器在矩陣變換器中所起到的作用是：最大限度地消除輸入電流中由于雙向開關(guān)頻繁動作帶來的高頻諧波，并且降低電源側(cè)的高頻諧波成分，使輸入功率因數(shù)得到改善和提高。因此，考慮從矩陣變換器的實(shí)際需要出發(fā)，對輸入濾波器的基本技術(shù)要求是：其截止頻率應(yīng)低于矩陣變換器的采樣頻率而高于電源電壓基頻；為提高矩陣變換器的電壓利用率，應(yīng)最大限度地降低濾波器上的電壓降；濾波器盡可能少的吸收網(wǎng)側(cè)無功功率；最大限度地減少由該濾波器引起的濾波前后輸入電流基頻分量的相位差；盡量減小濾波器的體積并且減輕自身重量，達(dá)到低成本的目的[6,7]。實(shí)際的濾波器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 輸入濾波器結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 箝位電路

箝位電路其實(shí)是一種保護(hù)電路，設(shè)計(jì)如圖4所示。

設(shè)計(jì)箝位電路中的參數(shù)為：兩個(gè)三相整流橋：20L6P45，額定800V/20A；電容C1：由兩個(gè)220μF /450V電解電容串聯(lián)組成；電阻R1、R2：20Ω/5W；R3：100kΩ/2W。

圖4 二極管箝位電路圖

2.2 矩陣變換器控制電路設(shè)計(jì)

在矩陣變換器控制電路中，核心部分是由DSP和CPLD芯片構(gòu)成的核心控制計(jì)算電路。為實(shí)現(xiàn)間接空間矢量調(diào)制的算法，系統(tǒng)選擇電機(jī)常用的控制芯片TMS320LF2407定點(diǎn)DSP，同時(shí)還選擇了包含320個(gè)邏輯宏單元的EPM9320LC84-20 CPLD芯片，來完成向開關(guān)矩陣發(fā)出18路驅(qū)動信號的工作，以實(shí)現(xiàn)IGBT雙向開關(guān)的四步換流工作方式[8,9]。

2.2.1 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中，由各個(gè)傳感器采集到的矩陣變換器的輸入以及輸出側(cè)的波形（包括電壓和電流），經(jīng)調(diào)理電路處理后送入DSP芯片的模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口。由光電編碼器發(fā)出的包含電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向信息的兩路方波信號分別送入DSP芯片的EVB模塊中的QEP4輸入口。DSP開始執(zhí)行間接空間矢量調(diào)制算法，并向CPLD發(fā)出4路PWM信號、6路輸入電流空間矢量扇區(qū)號信息I1～I(xiàn)6和6路輸出電壓空間矢量扇區(qū)號信息O1～O6。

圖5 控制電路硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 CPLD開關(guān)換流控制器設(shè)計(jì)

在EPM9320LC84-20 CPLD芯片中，采用Altera硬件描述語言(AHDL)編寫程序，來實(shí)現(xiàn)雙向開關(guān)的四步換流動作。CPLD開關(guān)換流控制器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 CPLD開關(guān)換流控制器結(jié)構(gòu)圖

開關(guān)換流控制器包括解碼器、延遲器和開關(guān)序列器三部分。其中的解碼器用來確定開關(guān)導(dǎo)通信號，延遲器和開關(guān)序列器完成四步換流方式[10,11]，并將生成的18路開關(guān)信號輸出到驅(qū)動電路中。

3 矩陣變換器控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

矩陣變換器實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括對DSP和CPLD芯片的軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中，DSP是整個(gè)系統(tǒng)的控制與計(jì)算核心，主要完成對電機(jī)位置檢測控制、速度的調(diào)節(jié)與計(jì)算，以及電流電壓控制信號的生成等控制功能。CPLD芯片主要實(shí)現(xiàn)開關(guān)的四步安全換流控制[12]。

3.1 DSP軟件設(shè)計(jì)

DSP軟件程序主要包括系統(tǒng)主程序和中斷程序。主程序主要完成對系統(tǒng)所涉及的各個(gè)變量進(jìn)行初始化以及中斷定義的功能，主程序流程如圖7所示。中斷處理程序框圖如圖8所示。

圖7 矩陣變換器主程序流程結(jié)構(gòu)圖

圖8 中斷處理程序框圖

3.2 CPLD軟件設(shè)計(jì)

由DSP芯片產(chǎn)生的輸入電流、輸出電壓扇區(qū)狀態(tài)碼以及占空比信號一并輸出給CPLD，CPLD通過查表從而得到矩陣變換器的9路驅(qū)動信號，輸出給端口。當(dāng)遇到電路過載或者短路情況時(shí)，短路保護(hù)電路會立刻向CPLD發(fā)出報(bào)警信號，接到信號后，CPLD便馬上關(guān)斷所有的信號輸出，將輸出的9路PWM信號變?yōu)榈碗娖?。整個(gè)CPLD的程序流程圖如圖9所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具體參數(shù)如下：電動機(jī)：PN=2kW；nN=950r/min；額定電壓：△接法，380V；IGBT：EUPIC 75A/1700V。

圖9 CPLD程序流程圖

圖10給出了矩陣變換器供電下的異步電動機(jī)從空載開始起動到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速750 r/min的過程當(dāng)中，轉(zhuǎn)子三相電流變化曲線、電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速波形。

圖10 空載時(shí)系統(tǒng)輸出波形圖

5 結(jié)束語

矩陣變換器系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)變換器的所有功能，而且有功率開關(guān)器件相對較少、箝位電路大大簡化、換流簡單可靠、控制算法的復(fù)雜性降低等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的傳動性能，并且可以滿足日益嚴(yán)格的電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求。

[1] 張晶晶,郭前崗,孟彥京.矩陣變換器饋電電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)仿真研究[J].微電機(jī),2007,(1):71-74.

[2] 文輝清,呂征宇,等.DSP空間矢量調(diào)制矩陣變換器的研究[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào),2005,17(5):17-21．

[3] 基于RB-IGBT的矩陣式變換器—異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的研究[D].北京:清華大學(xué),2006.

[4] Simon O,Mahlein J,Muenzer M N,et al Modern solutions for industrial matrix converter applications[J].IEEE Transaction on Industrial Electronics,2002,49(2):401-406.

[5] 張龍?jiān)?張興,楊淑英,等.基于DSP與CPLD 的矩陣變換器間接SVPWM控制[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,32(7):981-985.

[6] Klumper C,Blaabjerg F,Thoegersen P.Alternate ASDS:evaluation of the converter topologies suited for integrated motor drives[J].IEEE Industry Applications Magazine,2006,12(2):71-83.

[7] Katsis D,Wheeler P,Clare J,et al.Matrix converter for sensorless control of PMSMS and other auxiliaries on deep-sea ROVS[J].IEE proceedings on Electric Power Applications, 2005,152(2):382-392.

[8] 趙世廉.TMS320X240x DSP原理及應(yīng)用開發(fā)指南[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[9] 葛紅娟.基于矩陣變換器的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)[D].南京:南京航空航天大學(xué),2006.

[10]周潤景,圖雅,張麗敏.基于QuartusⅡ的FPGA/CPLD數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[11]Casadei D,Serra G,Tani A,et al.Theoretical and Experimental Investigation on the Stability of Matrix Converters[J].IEEE Trans.Ind.Electron,2005,52(10):1409-1419.

[12]楊蘋,呂學(xué)瑜,鄭木桂,等.矩陣式變換器四步換流的研究及其實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009,25(12):4-6.