CN102739091B - 基于dsp和cpld的三电平零共模电压调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于DSP和CPLD的三电平零共模电压调制方法，通过对两电平调制出的PWM脉冲波进行分配和调整，产生一组对三电平逆变器有效的中矢量开关状态，直接采用三电平中矢量的组合对三电平主电路直接进行控制，达到输出共模电压为零的目的。本发明的调制方法简单容易实现，不需要外加任何硬件电路，适用于任何调制波，输出共模电压都为零，消除因共模电压和漏电容引起的漏电流，从根本上消除共模电压。

Description

基于DSP和CPLD的三电平零共模电压调制方法
技术领域
本发明涉及一种三电平零共模电压调制方法，尤其涉及一种基于DSP和CPLD的三电平零共模电压调制方法。
背景技术
随着电力电子技术和计算机技术的高速发展，逆变器广泛应用于大功率领域。特别是随着三电平技术的不断提高和完善，三电平逆变器在大功率场合中已经成为了主导地位。与传统的两电平变流器相比，三电平变流器具有耐压等级高、开关损耗低、输出谐波低等优点，在高压大功率应用中表现出明显的优势，所以引起了人们的关注。但三电平变流器存在共模电压问题。由于共模电压的存在，通过漏电容产生不可控的漏电流。漏电流会对其他设备产生很强电磁干扰，对外壳绝缘层产生电击，缩短使用寿命。
目前对共模电压的处理方法主要有：一、采用APF有源滤波来抑制共模电压；二、前馈有源滤波；三、采用三相四桥臂对中性点注入电流来抑制共模电压等方法。这些方法都能不同程度地抑制了共模电压，但都未能从根本上消除共模电压。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种能从根本上消除共模电压的基于DSP和CPLD的三电平零共模电压调制方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于DSP和CPLD的三电平零共模电压调制方法，包括以下步骤：
(1)、运用DSP进行两电平调制，调制出两两互补的6路两电平PWM信号，将信号标注为EPWM1到EPWM6，其中EPWM1和EPWM2互补，EPWM3和EPWM4互补，EPWM5和EPWM6互补；
(2)、将DSP产生的6路两电平PWM信号通过外部管脚传递给CPLD，CPLD对所述的6路两电平PWM信号进行调整，产生12路PWM信号，将12路信号分别标注为PWM1到PWM12；
对PWM1-PWM4进行分配取值：当步骤(1)中DSP产生的EPWM1和EPWM3信号不同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM1取EPWM4的信号，PWM2取EPWM1的信号，PWM3取EPWM3的信号，PWM4取EPWM2的信号；当步骤(1)中DSP产生的EPWM1和EPWM3信号同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM1取EPWM3的信号，PWM2取EPWM2的信号，PWM3取EPWM4的信号，PWM4取EPWM1的信号；
对PWM5-PWM8进行分配取值：当步骤(1)中DSP产生的EPWM3和EPWM5信号不同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM5取EPWM6的信号，PWM6取EPWM3的信号，PWM7取EPWM5的信号，PWM8取EPWM4的信号；当步骤(1)中DSP产生的EPWM3和EPWM5信号同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM5取EPWM5的信号，PWM6取EPWM4的信号，PWM7取EPWM6的信号，PWM8取EPWM3的信号；
对PWM9-PWM12进行分配取值：当步骤(1)中DSP产生的EPWM5和EPWM1信号不同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM9取EPWM2的信号，PWM10取EPWM5的信号，PWM11取EPWM1的信号，PWM12取EPWM6的信号；当步骤(1)中DSP产生的EPWM5和EPWM1信号同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM9取EPWM1的信号，PWM10取EPWM6的信号，PWM11取EPWM2的信号，PWM12取EPWM5的信号；
(3)CPLD输出步骤(2)中重新分配得到的12路PWM信号，用此12路PWM信号对三电平逆变器的开关管进行控制，并使输出的共模电压为0。
本发明的工作原理是：
(1)、两电平共模电压计算
如图3所示，定义两电平变频器的三个桥臂分别为XA、XB、XC,设定当第一桥臂的上桥臂导通下桥臂关断时XA＝1，反之上桥臂关断下桥臂导通时XA＝-1。同理可得XB、XC的取值。设VA、VB、VC分别为逆变器输出相电压，Udc为输入电压；VN0为逆变器的共模电压。两电平下的VA、VB、VC取值如下：
V A = X A * U dc / 2 V B = X B * U dc / 2 V C = X C * U dc / 2 - - - ( 1 )
根据共模电压的定义可算出两电平下的共模电压。计算表达式为：
VN0＝(VA+VB+VC)/3   (2)
将式(1)代入式(2)可得：
VN0＝(XA+XB+XC)/3*Udc/2   (3)
(2)三电平共模电压分析
如图1所示为三电平逆变器拓扑结构图。
三电平逆变器拓扑结构图中，VA、VB、VC分别为逆变器输出相电压；VN0为逆变器的共模电压。YA、YB、YC分别代表三电平逆变器三个桥臂的工作状态，YA、YB、YC的取值为1、0、-1。以A桥臂为例来进行说明：当YA取1时，S1和S2导通，S3和S4关断；当YA取0时，S1和S4关断，S2和S3导通；当YA取-1时，S1和S2关断，S3和S4导通。其它两个桥臂与A桥臂相类似。
三电平相电压如下式：
V A = Y A * U dc / 2 V B = Y B * U dc / 2 V C = Y C * U dc / 2 - - - ( 4 )
三电平逆变器输出的共模电压：
VN0＝(VA+VB+VC)/3   (5)
将式(4)代入式(5)可得：
VN0＝(YA+YB+YC)/3*Udc/2   (6)
三电平有27个矢量如图2所示，其中包括6个大矢量、6个中矢量、12个小矢量、还有3个零矢量。每个矢量都对应不同的开关状态。通过分析发现相同类型的矢量存在相同的共模电压，具体如下表：
大矢量、小矢量和零矢量下的开关状态对应的共模电压均不为零，只有中矢量下的开关状态对应的共模电压为零。传统的三电平调制算法只是各种矢量之间的组合，无法从根本上消除共模电压。除非找到一种只含有中矢量和(0,0,0)的开关组合，才能保证不存在共模电压。
(3)具体调制策略
为了使三电平逆变器输出的共模电压为零，必须保证式(6)中的VN0为0。取
Y A = ( X A - X B ) / 2 Y B = ( X B - X C ) / 2 Y C = ( X C - X A ) / 2 - - - ( 7 )
则可以保证VN0＝(YA+YB+YC)/3*Udc/2＝0。从理论上实现算法的零共模电压。各种XA、XB、XC组合的值对应的YA、YB、YC如下表：
由上表也可清楚的看到矢量(YA,YB,YC)只包含有中矢量和(0,0,0)，也就是说本发明提出的这种调制方法是通过中矢量组合而成的。
实际应用中XA、XB、XC的状态由DSP对调制波进行两电平调制，来进行判断，并输出相对应6路两两互补的PWM信号。将这6路PWM信号分别标注为EPWM1-EPWM6。
当XA＝1时，EPWM1为高电平、EPWM2为低电平；当XA＝-1时，EPWM1低电平、EPWM2高电平。
当XB＝1时，EPWM3为高电平、EPWM4为低电平；当XB＝-1时，EPWM3低电平、EPWM4高电平。
当XC＝1时，EPWM5为高电平、EPWM6为低电平；当XC＝-1时，EPWM5低电平、EPWM6高电平。
结合式(7)和EPWM与XA、XB、XC的关系与可得YA＝EPWM1-EPWM3，B相桥臂YB＝EPWM3-EPWM5，C相桥臂YC＝EPWM5-EPWM1。
可知EPWM1可代表XA的状态，EPWM3可代表XB的状态，EPWM5可代表XC的状态。
CPLD可以通过DSP输出的6路PWM信号来确定XA、XB、XC的状态。进而确定YA、YB、YC的状态。
图1中的YA、YB、YC的状态也可由三电平开关管的通断状态来表示，A相桥臂YA＝S2-S3，B相桥臂YB＝S6-S7，C相桥臂YC＝S10-S11。
综合上述可知，EPWM信号可直接分配给三电平逆变器的开关管，将S1-S12的信号分别记为PWM1-PWM12。以A相桥臂为例，则PWM2可取EPWM1的信号，PWM1与PWM2互补取EPWM2的信号；PWM3可取EPWM3的信号，PWM4与PWM3互补取EPWM4的信号。
但当EPWM1、EPWM3的状态同时为低电平时PWM2＝0、PWM3＝0，三电平逆变器无法正常工作。可取PWM1＝EPWM3＝0、PWM2＝EPWM2＝1、PWM3＝EPWM4＝1、PWM4＝EPWM1＝0，仍然满足YA＝S2-S3，且逆变器能正常工作。
以以上为准则，在CPLD里对各路PWM信号进行分配，分配如下：
对PWM1-PWM4进行分配取值。当EPWM1和EPWM3不同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM1取EPWM4的信号，PWM2取EPWM1的信号，PWM3取EPWM3的信号，PWM4取EPWM2的信号。当EPWM1和EPWM3同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM1取EPWM3的信号，PWM2取EPWM2的信号，PWM3取EPWM4的信号，PWM4取EPWM1的信号。
对PWM5-PWM8进行分配取值。当EPWM3和EPWM5不同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM5取EPWM6的信号，PWM6取EPWM3的信号，PWM7取EPWM5的信号，PWM8取EPWM4的信号。当EPWM3和EPWM5同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM5取EPWM5的信号，PWM6取EPWM4的信号，PWM7取EPWM6的信号，PWM8取EPWM3的信号。
对PWM9-PWM12进行分配取值。当EPWM5和EPWM1不同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM9取EPWM2的信号，PWM10取EPWM5的信号，PWM11取EPWM1的信号，PWM12取EPWM6的信号。当步骤(1)中的EPWM5和EPWM1同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM9取EPWM1的信号，PWM10取EPWM6的信号，PWM11取EPWM2的信号，PWM12取EPWM5的信号。
(4)、死区对本发明的调制策略的影响
如图4为无死区情况下的零共模电压调制策略的A相电流和共模电压仿真波形，可以看出，共模电压几乎为0。
如图5为加了2us死区后的零共模电压调制策略的A相电流和共模电压仿真波形，说明因为死区会引入小矢量，而产生死区期间的共模电压，峰值为33.3V(Udc/6)。需加死区补偿才消除这些少量的共模电压。
图6为加了2us死区后的零共模电压调制策略的A相电流和共模电压实验波形，附图5中也出现因死区引起的少量共模电压，峰值为33.3V(Udc/6)，与仿真波形相吻合。
本发明提出的一种基于DSP和CPLD的三电平零共模电压方法是采用对PWM脉冲信号波的运算处理而得，但同时也相当于改变了调制波的相角和幅值。相角超前了原调制波30度，幅值为原调制波幅值的倍。进行调制时应对调制波进行相应的处理，应使调制波滞后30度，幅值提高为原调制波的倍。
本发明的优点是：本发明的调制方法简单容易实现，不需要外加任何硬件电路，适用于任何调制波，输出共模电压都为零，消除因共模电压和漏电容引起的漏电流，从根本上消除共模电压。
附图说明
图1为三电平逆变器拓扑结构图。
图2为三电平矢量示意图。
图3为两电平变流器拓扑结构图。
图4为无死区零共模电压调制方法的A相电流和共模电压仿真波形图。
图5为加2μs死区零共模电压调制方法的A相电流和共模电压仿真波形图。
图6为加2μs死区零共模电压调制方法的A相电流和共模电压实验波形图。
图7为本整体结构示意图。
具体实施方式
如图7所示，一种基于DSP和CPLD的三电平零共模电压调制方法，包括以下步骤：
(1)、运用DSP1进行两电平调制，调制出两两互补的6路两电平PWM信号，将信号标注为EPWM1到EPWM6，其中EPWM1和EPWM2互补，EPWM3和EPWM4互补，EPWM5和EPWM6互补；
(2)、将DSP1产生的6路两电平PWM信号通过外部管脚传递给CPLD2，CPLD2对所述的6路两电平PWM信号进行调整，产生12路PWM信号，将12路信号分别标注为PWM1到PWM12；
对PWM1-PWM4进行分配取值：当步骤(1)中DSP1产生的EPWM1和EPWM3信号不同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM1取EPWM4的信号，PWM2取EPWM1的信号，PWM3取EPWM3的信号，PWM4取EPWM2的信号；当步骤(1)中DSP1产生的EPWM1和EPWM3信号同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM1取EPWM3的信号，PWM2取EPWM2的信号，PWM3取EPWM4的信号，PWM4取EPWM1的信号；
对PWM5-PWM8进行分配取值：当步骤(1)中DSP1产生的EPWM3和EPWM5信号不同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM5取EPWM6的信号，PWM6取EPWM3的信号，PWM7取EPWM5的信号，PWM8取EPWM4的信号；当步骤(1)中DSP1产生的EPWM3和EPWM5信号同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM5取EPWM5的信号，PWM6取EPWM4的信号，PWM7取EPWM6的信号，PWM8取EPWM3的信号；
对PWM9-PWM12进行分配取值：当步骤(1)中DSP1产生的EPWM5和EPWM1信号不同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM9取EPWM2的信号，PWM10取EPWM5的信号，PWM11取EPWM1的信号，PWM12取EPWM6的信号；当步骤(1)中DSP1产生的EPWM5和EPWM1信号同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM9取EPWM1的信号，PWM10取EPWM6的信号，PWM11取EPWM2的信号，PWM12取EPWM5的信号；
(3)CPLD2输出步骤(2)中重新分配得到的12路PWM信号，用此12路PWM信号对三电平逆变器3的开关管进行控制，并使输出的共模电压为0。

Claims (1)

1.一种基于DSP和CPLD的三电平零共模电压调制方法，包括以下步骤：
（1）、运用DSP进行两电平调制，调制出两两互补的6路两电平PWM信号，将信号标注为EPWM1到EPWM6，其中EPWM1和EPWM2互补，EPWM3和EPWM4互补，EPWM5和EPWM6互补；
（2）、将DSP产生的6路两电平PWM信号通过外部管脚传递给CPLD，CPLD对所述的6路两电平PWM信号进行调整，产生12路PWM信号，将12路PWM信号分别标注为PWM1到PWM12；
（3）、CPLD输出步骤（2）中重新分配得到的12路PWM信号，用所述的12路PWM信号对三电平逆变器的开关管进行控制，并使输出的共模电压为0；其特征在于：
    对PWM1-PWM4进行分配取值：当步骤（1）中DSP产生的EPWM1和EPWM3信号不同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM1取EPWM4的信号，PWM2取EPWM1的信号，PWM3取EPWM3的信号，PWM4取EPWM2的信号；当步骤（1）中DSP产生的EPWM1和EPWM3信号同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM1取EPWM3的信号，PWM2取EPWM2的信号，PWM3取EPWM4的信号，PWM4取EPWM1的信号；
    对PWM5-PWM8进行分配取值：当步骤（1）中DSP产生的EPWM3和EPWM5信号不同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM5取EPWM6的信号，PWM6取EPWM3的信号，PWM7取EPWM5的信号，PWM8取EPWM4的信号；当步骤（1）中DSP产生的EPWM3和EPWM5信号同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM5取EPWM5的信号，PWM6取EPWM4的信号，PWM7取EPWM6的信号，PWM8取EPWM3的信号；
    对PWM9-PWM12进行分配取值：当步骤（1）中DSP产生的EPWM5和EPWM1信号不同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM9取EPWM2的信号，PWM10取EPWM5的信号，PWM11取EPWM1的信号，PWM12取EPWM6的信号；当步骤（1）中DSP产生的EPWM5和EPWM1信号同时为低电平时，实行如下分配方式：PWM9取EPWM1的信号，PWM10取EPWM6的信号，PWM11取EPWM2的信号，PWM12取EPWM5的信号。
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