吳起行+陳鴻祺+劉哲緯

摘 要： 電流源逆變器（CSI）隨著反阻斷IGBT器件的成功開(kāi)發(fā)，在電動(dòng)汽車(chē)等大功率變頻調(diào)速領(lǐng)域前景廣大。FPGA作為控制器，其時(shí)序控制能力強(qiáng)大，適合用來(lái)實(shí)現(xiàn)基于電流型空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)的永磁同步電機(jī)（PMSM）變頻驅(qū)動(dòng)器。該系統(tǒng)通過(guò)采用最小直流鏈電流命令產(chǎn)生法和合理的死區(qū)開(kāi)關(guān)狀態(tài)設(shè)置，有效減小直流和開(kāi)關(guān)損耗。系統(tǒng)為應(yīng)對(duì)開(kāi)路故障引起直流鏈電感產(chǎn)生瞬間高壓打壞開(kāi)關(guān)器件的現(xiàn)象，設(shè)置由雙向TVS管和功率電阻構(gòu)成的電感電壓箝位環(huán)節(jié)，并監(jiān)測(cè)直流鏈電流值，一旦低于限值則實(shí)現(xiàn)保護(hù)性停機(jī)。實(shí)際系統(tǒng)使用Xilinx公司FPGA開(kāi)發(fā)板，基于電流源逆變器轉(zhuǎn)子參考框下交流側(cè)的理論模型，建立了一套數(shù)字化閉環(huán)調(diào)速策略，實(shí)測(cè)定子電流THD值及功率因數(shù)均達(dá)到良好效果。

關(guān)鍵詞： CSI； FPGA； SVPWM； 死區(qū)時(shí)間； 雙向TVS管

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）20?0157?03

FPGA current PMSM variable frequency drive and open?phase?fault protection

WU Qi?xing1， 2， CHEN Hong?qi1， LIU Zhe?wei2

（1. Institute of Electrical Control Engineering， NCTU， Xinzhu 30010， China；

2. Zhejiang Institute of Mechanical &Electrical Engineering， Hangzhou 310053， China）

Abstract： With the successful development of RB?IGBT device， Current?source?inverter （CSI） has a broad prospect in the field of electric vehicles and other high power variable frequency speed adjusting areas. FPGA as a controller with powerful time?sequence control ling ability is suitable for PMSM variable frequency driver based on current type SVPWM technology. The system can reduce DC and switching loss by generating method of minimum DC link current command and rational dead zone on?off state setup. In the system， Bi?directional TVS and inductor voltage clamp link constructed by power resistor is set up to counter the phenomenon of switch device damage caused by transient high voltage produced by DC link inductance generated by open?circuit fault and to monitor the DC link current value. That is， if the DC link current is below the limit， the system protectively shuts off. The actual system is realized by using Xilinx FPGA board to build a close?loop control， which is based on the equivalent model of CSIs AC side under rotor reference frame. The measured stator current THD value and power factor reached a good result.

Keywords： CSI； FPGA； SVPWM； dead?time； bi?directional TVS

0 引 言

永磁同步電機(jī)因其體積小、重量輕、能效高的優(yōu)勢(shì)在逐漸成熟的電動(dòng)及混合動(dòng)力汽車(chē)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，許多研究使用多電平逆變器代替?zhèn)鹘y(tǒng)電壓源逆變器來(lái)對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。但是，多電平逆變器在實(shí)際應(yīng)用中，成倍增加了開(kāi)關(guān)器件的個(gè)數(shù)，造成開(kāi)關(guān)損耗和生產(chǎn)成本的大幅增加。

電流源逆變器相對(duì)多電平逆變器而言結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，并且由于電流源逆變器對(duì)直流鏈電流的直接控制，其輸出交流電流的品質(zhì)較電壓源逆變器更佳。近年來(lái)，一種新型開(kāi)關(guān)器件——反阻斷IGBT[1?2]已在國(guó)外成功研發(fā)，為電流源逆變器的應(yīng)用清除了障礙。

TVS管是一種抑制電子電源線路中瞬間高壓沖擊的超高速半導(dǎo)體器件，非常適合對(duì)電感斷流進(jìn)行電壓箝位，來(lái)為系統(tǒng)診斷故障提供緩沖時(shí)間。

國(guó)內(nèi)的逆變器控制主要使用DSP微控制器或?qū)Ｓ每刂菩酒?，但近年?lái)隨著現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）的迅猛發(fā)展，其并行工作方式以及優(yōu)秀的時(shí)序控制能力很合適進(jìn)行突發(fā)情況的及時(shí)處置。

本文旨在使用FPGA和SVPWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)一套帶開(kāi)路故障保護(hù)的電流型PMSM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用保持定子電流[d]軸分量[isd=0]的矢量控制以提高表面貼式永磁同步電機(jī)的能效，并通過(guò)SVPWM技術(shù)減小定子電流諧波，最后采用最小直流鏈電流命令產(chǎn)生法[3]和合理的死區(qū)開(kāi)關(guān)狀態(tài)設(shè)置，有效減小直流和開(kāi)關(guān)損耗[4]。

1 三相電流型SVPWM策略

1.1 三相電流源逆變器空間矢量法則

圖1中三相電流源逆變器具有9種基本開(kāi)關(guān)狀態(tài)（SC1～SC6為非零開(kāi)關(guān)狀態(tài)，SC7～SC9為零開(kāi)關(guān)狀態(tài)）?，F(xiàn)使用靜止框?qū)⒛孀兤鬏敵龅娜嚯娏鬓D(zhuǎn)換成空間矢量[Iinv]如圖2所示[5]。

圖1 三相電流源逆變器供電的PMSM系統(tǒng)

圖2 三相電流源逆變器空間矢量原理圖

1.2 電流型SVPWM算法及PWM的邏輯轉(zhuǎn)換

按電壓型SVPWM算法[6?7]推廣，利用[Iinv]在靜止框[α]軸與[β]軸上的分量[Iinvα]與[Iinvβ]，得到如下步驟：

（1） 判斷其所處扇區(qū)；

（2） 計(jì)算各扇區(qū)非零開(kāi)關(guān)狀態(tài)所占時(shí)間；

（3） 按7段式SVPWM計(jì)算各扇區(qū)開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換時(shí)刻命令值，存入相應(yīng)寄存器，用于與計(jì)數(shù)器中計(jì)數(shù)值做比較來(lái)得到初步PWM信號(hào)。

由于電流源逆變器的基本開(kāi)關(guān)狀態(tài)與電壓源逆變器不同，因此該初步PWM信號(hào)，需經(jīng)邏輯轉(zhuǎn)換[8]后才能得到合適電流源逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào)。

[AP=BNinit?APinit+SC7?NullAN=BPinit?ANinit+SC7?NullBP=CNinit?BPinit+SC8?NullBN=CPinit?BNinit+SC8?NullCP=ANinit?CPinit+SC9?NullCN=APinit?CNinit+SC9?NullNull=APinit?BPinit?CPinit+ANinit?BNinit?CNinit] （1）

式中：邏輯值[Null]，在零開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)為“1”，否則為“0”；邏輯值SC7，在開(kāi)關(guān)狀態(tài)為SC7時(shí)為“1”，否則為“0”，而邏輯值SC8與SC9也是如此。

然而按表3方法分配3種零開(kāi)關(guān)狀態(tài)[8]，使電流源逆變器每次切換狀態(tài)時(shí)，只切換1個(gè)開(kāi)關(guān)器件：

表1 三種零開(kāi)關(guān)狀態(tài)分配表

1.3 死區(qū)時(shí)間設(shè)置方法

在實(shí)際工作中，當(dāng)電流源逆變器在狀態(tài)切換時(shí)，應(yīng)設(shè)置合適的死區(qū)時(shí)間，以保證三相上臂與下臂至少各有1個(gè)開(kāi)關(guān)元件處于導(dǎo)通狀態(tài)。 以第Ⅱ扇區(qū)為例，并保證切換次數(shù)理論上最少。

圖3 考慮死區(qū)時(shí)間時(shí)第Ⅱ扇區(qū)的SVPWM調(diào)制模式

由此推廣到各個(gè)扇區(qū)，為保證1個(gè)PWM周期內(nèi)，非零開(kāi)關(guān)狀態(tài)所占時(shí)間不變，對(duì)切換時(shí)刻命令值設(shè)置偏移如下：

[t*max_P=t*max+1.5ΔTt*max_N=t*max+0.5ΔTt*mid_P=t*mid+0.5ΔTt*mid_N=t*mid-0.5ΔTt*min_P=t*min-0.5ΔTt*min_N=t*mid-1.5ΔT] （2）

式中：[t*max]為三相切換時(shí)刻命令中最大值；[t*mid]為其中間值；[t*min]為其最小值[4]。

2 基于FPGA的閉環(huán)控制

采用Xilinx公司的FPGA（XC3S400PQ208）配合基于MAX121的A/D、D/A電路來(lái)完成整體控制。

圖4 基于電容電流補(bǔ)償?shù)腫d，q]軸電流環(huán)控制器

系統(tǒng)整體控制示意圖如圖5所示[9]。

圖5 系統(tǒng)整體控制示意圖

正常運(yùn)行時(shí)，程序通過(guò)查表法建立參考弦波，用以實(shí)現(xiàn)參考框轉(zhuǎn)換，最后根據(jù)上文所述SVPWM的產(chǎn)生及邏輯映射的原理，利用FPGA精準(zhǔn)的邏輯信號(hào)時(shí)序控制，產(chǎn)生SVPWM信號(hào)送往驅(qū)動(dòng)電路。開(kāi)路故障時(shí)，直流鏈電感的瞬間高壓使雙向TVS管雪崩擊穿，從而經(jīng)功率電阻為電感續(xù)流[10]。起動(dòng)結(jié)束后，監(jiān)測(cè)經(jīng)LEM電流傳感器HAS100?S與高速AD芯片MAX121送入FPGA的直流鏈電流值，一旦低于電流下限命令[I*dclow]，則置位故障標(biāo)志值并鎖存，再根據(jù)故障標(biāo)志封鎖直流側(cè)Buck電路的PWM信號(hào)以及SVPWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)性停機(jī)。

3 實(shí)驗(yàn)及波形分析

實(shí)測(cè)系統(tǒng)中，直流電壓源為50 V，直流鏈電感為7.77 mH，三角波載波頻率為20 kHz，死區(qū)時(shí)間為5[μs]，雙向TVS管為1.5KE110CA箝位電壓為152 V，功率電阻為10[Ω]，逆變管[Vds]額定值為600 V，使用2臺(tái)對(duì)接的三相八極PMSM，其中一臺(tái)作為負(fù)載發(fā)電機(jī)外接星型三相功率電阻。 如圖6所示，其中 （a）為從起動(dòng)到穩(wěn)態(tài)的直流鏈電流[idc]與轉(zhuǎn)速[ωr]變化過(guò)程；（b） 為定子A相電流[isa]，以及SVPWM下定子相電流命令[i*inva]。

圖6 500 r/m穩(wěn)態(tài)下負(fù)載電阻為10 Ω時(shí)的測(cè)試波形

表2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表

開(kāi)路故障測(cè)試時(shí)，先閉合箝位環(huán)節(jié)開(kāi)關(guān)SB，當(dāng)接觸器KM常閉觸頭斷開(kāi)后，雙向TVS管能有效將直流鏈電感電壓箝位在約150 V，從而保證在控制器下達(dá)保護(hù)性停機(jī)命令前，逆變管不會(huì)過(guò)壓。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文使用FPGA與 SVPWM技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)閉環(huán)矢量控制，得到THD值良好的定子電流，驗(yàn)證了系統(tǒng)能有效抑制電流諧波的優(yōu)越性。系統(tǒng)在直流鏈電感兩端并聯(lián)由雙向TVS管和功率電阻構(gòu)成的電壓箝位支路，并使用高速AD芯片實(shí)時(shí)監(jiān)控直流鏈電流值，實(shí)現(xiàn)開(kāi)路故障下系統(tǒng)的保護(hù)性停機(jī)，提高了系統(tǒng)安全性能。

參考文獻(xiàn)

[1] ZHANG Li， SUN Kai， HUANG Li?pei. Comparison of RB?IGBT and normal IGBT in T?type three?level inverter [C]// 15th European Conference on Power Electronics and Applications （EPE）. Lille： IEEE， 2013： 1?7.

[2] MINGHUI Z， KOMATSU K. Three?phase advanced neutral?point?clamped igbt module with reverse blocking IGBTs [C]// 7th International IPEMC. Harbin， China： IEEE， 2012， 1： 229?232.

[3] AL?NABI E， WU Bin， DAI Jing?ya， et al. High power CSI?fed IPM drive system control with minimum dc?link current [C]// 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. Glendale， AZ： IEEE， 2010： 857?863.

[4] LOH Poh Chiang， VILATHGAMUWA D M， LAI Yue Sen， et al. Pulse?width modulation of Z?source inverters [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2005， 20（6）： 1346 ?1355.

[5] 徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[6] 何傳燕，黃琦.基于SVPWM控制算法的三相并網(wǎng)逆變器的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[7] 周成，王群京，漆星，等.基于三相異步電機(jī)逆變器的SVPWM仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J].電氣傳動(dòng)，2013，43（3）：31?34.

[8] 張興，張崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[9] SU Gui?jia， TANG Li?xin， WU Zhi?qiao. Extended constant?torque and constant ?power speed range control of permanent magnet machine using a current source inverter [C]// IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. Dearborn， MI： IEEE， 2009： 109?115.

[10] 劉必洋，蒯大美.雙向TVS管在中波發(fā)射機(jī)功放電路中的應(yīng)用[J].電聲技術(shù)，2013，37（1）：29?32.

[2] MINGHUI Z， KOMATSU K. Three?phase advanced neutral?point?clamped igbt module with reverse blocking IGBTs [C]// 7th International IPEMC. Harbin， China： IEEE， 2012， 1： 229?232.

[3] AL?NABI E， WU Bin， DAI Jing?ya， et al. High power CSI?fed IPM drive system control with minimum dc?link current [C]// 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. Glendale， AZ： IEEE， 2010： 857?863.

[4] LOH Poh Chiang， VILATHGAMUWA D M， LAI Yue Sen， et al. Pulse?width modulation of Z?source inverters [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2005， 20（6）： 1346 ?1355.

[5] 徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[6] 何傳燕，黃琦.基于SVPWM控制算法的三相并網(wǎng)逆變器的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[7] 周成，王群京，漆星，等.基于三相異步電機(jī)逆變器的SVPWM仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J].電氣傳動(dòng)，2013，43（3）：31?34.

[8] 張興，張崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[9] SU Gui?jia， TANG Li?xin， WU Zhi?qiao. Extended constant?torque and constant ?power speed range control of permanent magnet machine using a current source inverter [C]// IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. Dearborn， MI： IEEE， 2009： 109?115.

[10] 劉必洋，蒯大美.雙向TVS管在中波發(fā)射機(jī)功放電路中的應(yīng)用[J].電聲技術(shù)，2013，37（1）：29?32.

[2] MINGHUI Z， KOMATSU K. Three?phase advanced neutral?point?clamped igbt module with reverse blocking IGBTs [C]// 7th International IPEMC. Harbin， China： IEEE， 2012， 1： 229?232.

[3] AL?NABI E， WU Bin， DAI Jing?ya， et al. High power CSI?fed IPM drive system control with minimum dc?link current [C]// 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. Glendale， AZ： IEEE， 2010： 857?863.

[4] LOH Poh Chiang， VILATHGAMUWA D M， LAI Yue Sen， et al. Pulse?width modulation of Z?source inverters [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2005， 20（6）： 1346 ?1355.

[5] 徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[6] 何傳燕，黃琦.基于SVPWM控制算法的三相并網(wǎng)逆變器的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[7] 周成，王群京，漆星，等.基于三相異步電機(jī)逆變器的SVPWM仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J].電氣傳動(dòng)，2013，43（3）：31?34.

[8] 張興，張崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[9] SU Gui?jia， TANG Li?xin， WU Zhi?qiao. Extended constant?torque and constant ?power speed range control of permanent magnet machine using a current source inverter [C]// IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. Dearborn， MI： IEEE， 2009： 109?115.

[10] 劉必洋，蒯大美.雙向TVS管在中波發(fā)射機(jī)功放電路中的應(yīng)用[J].電聲技術(shù)，2013，37（1）：29?32.