CN102904419A

CN102904419A - 三相pwm波fpga产生装置

Info

Publication number: CN102904419A
Application number: CN2012103623768A
Authority: CN
Inventors: 韩刚; 张建文
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Zhonglv New Energy Technology Co ltd
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2032-09-25
Also published as: CN102904419B

Abstract

本发明提供了一种三相PWM波FPGA产生装置，包括：模式配置单元，通过向配置寄存器写入配置参数，来实现PWM波的输出特性的配置；三角载波发生器，产生三角波、上升锯齿波、下降锯齿波；比较器单元，该单元比较值为外部输入的三相占空比，该值与载波计数器值比较用于产生6路PWM脉冲；死区补偿单元，根据系统需要补偿的死区时间，在原比较值的基础上分别加减该值，形成一个2倍死区时间宽度的比较值1和2，再分别与载波计数器值进行比较；输出控制逻辑单元，在载波的零点、顶点输出中断信号和同步信号，其中同步信号可用于多模块单元并联时各PWM脉冲之间的同步一致性。本发明功能较完善，控制精度高，稳定性强，易于系统的移植、通用性强。

Description

三相PWM波FPGA产生装置

技术领域

本发明涉及PWM脉宽调制技术，具体地，涉及一种三相PWM波FPGA产生模块，适用于电力电子领域中电力变换器控制中的应用。

背景技术

PWM脉宽调制技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效获得所需要的波形（含形状和幅值）。PWM技术广泛应用在测量、通讯、功率变换控制中。由专用芯片等模拟电路搭建实现的PWM电路，其实现电路复杂，精度差、可靠性低；数字化PWM实现方法，简单可靠、运算速度快、设计灵活，因而基于DSP或FPGA等处理器的PWM实现方案在实际控制系统中更加具有优势。但是普通的DSP芯片很难实现较高的PWM开关频率，而采用FPGA的实现模块也并不具备统一功能的设计，若要在原来设计的基础上实现系统所要求的功能，还需要添加附加功能模块，其设计并不够灵活、通用。

经检索，公开号为102315842A的中国发明专利，该发明公开一种单极正弦脉冲宽度调制方法和单极SPWM电路，通过将两路幅值相同相位相反的正弦波信号分别与三角波比较得到PWM信号，同时将PWM信号比较器和过零比较功能组合，共用一个比较器，因此不再需要精密整流电路，而且在一个桥臂即有高频信号也有低频信号从而取消了多路开关。通过本发明，利用简洁的逻辑实现了单极SPWM调制，消除了常规单极SPWM调制所需的复杂的逻辑判断，增加了可靠性。

上述发明提出了一种简洁、可靠的SPWM调制模拟电路实现方法，但是该实现方法精度差、控制实现不够灵活。

公开号为101383563A的中国发明专利，该发明公开了一种基于FPGA的SPWM控制器，控制器实时通过地址映射，从FPGA内部存储器中的正弦值查找表读出设定的正弦值，与数字三角波产生单元生成的数字三角波在双极性两相数字调制单元进行比较，根据比较结果确定逆变器开关的时刻以获得A相正极输出；单相极性延迟单元对比较结果作180°延迟以获得A相负极输出；三相相位延迟单元根据上述正、负极输出作120°延迟以获得B相正、负极输出，同时作240°延迟以获得C相正、负极输出；得到的三相正、负极信号进入开关器件死区延迟单元处理后送到FPGA的I/O口输出。本发明的控制器成本较低，集成度较高，系统结构简单，可靠性好；运算速度较快；可方便地调试、改进和增加新功能。

但是该发明技术方案实现的PWM控制器扩展功能差，仅适用于开环SPWM调制的应用场合，不具有通用性。而且对于那些具有大功率多模块并联系统的使用场合，由于模块之间参数和控制信号的不一致性，就有可能导致系统中会出现环流和不均流的现象，该发明技术也并未进行模块间同步信号的处理和考虑。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种三相PWM波FPGA产生装置，功能较完善，控制精度高，稳定性强，易于系统的移植，能够在电力电子变换器中得到可靠、方便应用。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种三相PWM波FPGA产生装置，FPGA功能结构包括：

一模式配置单元，该单元通过向专门的配置寄存器写入配置参数，来实现PWM波的输出特性的配置；比较寄存器值的赋值方式分为载波零点、顶点和即时赋值三种；脉冲输出极性为高电平输出或低电平输出；根据模式配置单元选择的载波发生器模式，进入三角载波发生器；

一三角载波发生器，该发生器根据模式配置单元选择的载波发生器模式，产生相应的三角波、上升锯齿波、下降锯齿波三种波式；

一比较器单元，该单元分为A、B、C三相，该单元比较值为外部输入的三相占空比，该值与三角载波发生器里的实时计数值比较用于产生6路PWM脉冲；

一死区补偿单元，该单元根据系统需要补偿的死区时间，在原比较值的基础上分别加减该值，形成两个新的比较值分别为比较值1和比较值2，它们的差值为两倍死区值，然后再分别与三角载波发生器里的实时计数值进行比较；一输出控制逻辑单元，该单元在载波的零点、顶点输出中断信号和同步信号，其中同步信号用于多个装置并联时各PWM脉冲之间的同步一致性。同时根据控制命令信息确定是否需要对a、b、c三相PWM脉冲进行下降沿延时处理，若需要处理则需要在小于死区时间内，根据控制命令信息包数据对输出脉冲的下降沿进行延时处理，对应于所控制的开关管做延时关断控制，从而实现并联模块的不均流控制。

本发明除了可实现三相6路PWM脉冲输出的基本功能外，还具有更多的扩展功能：开关频率可配置、死区时间可控、载波方式可选择（非对称/对称PWM模式）、多种死区插入方式、PWM启动/停止/封锁，比较寄存器赋值方式（过零点、顶点、即时赋值）、脉冲输出极性配置、中断及同步输出信号等。

本发明工作过程如下：通过CPU向FPGA发送控制参数命令包（用于PWM模块功能的配置），在模式配置单元中会根据控制参数命令包确定该PWM发生器模块的基本特性：开关频率的大小、死区时间的大小、所选载波的类型、死区的插入方式、PWM是否启动还是封锁、以及脉冲输出的极性是高电平还是低电平等，这些方式的选择通过控制参数命令解析确定。根据模式配置单元选择的载波发生器模式，进入三角载波发生器，该三角载波发生器根据选择的载波类型产生相应的载波波形。比较器单元将三角载波发生器送来的载波计数值与CPU向FPGA发送的占空比参数进行比较，产生相应脉宽的PWM脉冲波。进入死区补偿单元后，根据模式配置单元中确定的死区时间，即为了防止同一桥臂上下两个开关管同时导通形成短路，插入一定死区。死区补偿单元处理后产生的三相PWM脉冲波，最后进入输出控制逻辑单元。该单元同样需要根据模式配置单元解析的控制命令信息，确定是否需要根据外部输入的同步输入信号进行PWM脉冲的同步处理，即根据同步输入信号来触发控制整个装置最终输出的脉冲信号，以实现两个装置间的脉冲输出的一致性。同时根据控制命令信息确定是否需要对a、b、c三相PWM脉冲进行下降沿延时处理，若需要处理则需要在小于死区时间内，根据控制命令信息包数据对输出脉冲的下降沿进行延时处理，对应于所控制的开关管做延时关断控制，从而实现并联模块的不均流控制。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1）该三相PWM装置可以应用在电力电子变换器中功率开关管的控制，功能较完善，控制精度高，稳定性强，易于系统的移植；

2）可以实现不同模块输出PWM脉冲的一致性，解决了脉冲不同步造成的环流问题。

3）能够根据系统是否需要均流补偿的要求，相应的选择对任意相脉冲进行延时补偿处理，不需要改变控制系统结构，能够较灵活的用于并联不均流的控制系统中。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为三相PWM装置结构框图；

图2为单路变流器运行框图；

图3为两路变流器并联运行框图；

图4为三种载波波形图；

图5为具有死区补偿的A相PWM波形图；

图6为1组背靠背三相PWM变流器稳态运行波形图；

图7为未加入控制脉冲延时两机侧并联单元的三相电流波形图；

图8为加入控制脉冲延时后两机侧并联单元的三相电流波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

如图2所示，本实例为单路变流器系统单独运行，电机为鼠笼异步发电机，变流器系统采用1组背靠背三相PWM变流器组成，额定功率为750kw。机侧PWM变流器作PWM整流运行，鼠笼发电机工作于发电模式，能量由发电机流向直流母线电容，再流向电网。背靠背三相PWM变流器单元中直流母线电容器组C_d用于滤波和稳定母线电压，网侧变流器工作在逆变状态，网侧采用LCL三阶滤波器，以达到滤除高频谐波的目的。其中，LCL滤波器包括电网侧电感L_g、中间滤波电容C_f、变流器侧电感L_i。

本实施例中，三相PWM波FPGA产生装置作为一个模块应用在上述系统中，简称PWM模块。采用两个PWM模块分别对网侧和机侧变流器进行控制，其中网侧和机侧三相占空比信息是通过CPU发送到FPGA的FIFO寄存器里的。

如图1所示，所述三相PWM波FPGA产生装置包括：

一比较器单元，该单元分为A、B、C三相，该单元比较值为外部输入的三相占空比，该值与载波计数器值(即三角载波发生器里的实时计数值)比较用于产生6路PWM脉冲；

一死区补偿单元，该单元根据系统需要补偿的死区时间，在原比较值的基础上分别加减该值，形成一个2倍死区时间宽度的比较值1和比较值2，然后再分别与载波计数器值进行比较；

一输出控制逻辑单元，该单元在载波的零点、顶点输出中断信号和同步信号，其中同步信号用于多个装置并联时各PWM脉冲之间的同步一致性。

本实施例只有一路变流器运行，不存在不均流现象，因而不需要对PWM脉冲进行下降沿延时处理。

上述系统工作时，首先通过CPU向FPGA发送控制参数命令包（用于PWM模块功能的配置），如图1所示，在模式配置单元中会根据控制参数命令包确定该PWM发生器模块的基本特性：开关频率的大小、死区时间的大小、所选载波的类型、死区的插入方式、PWM是否启动还是封锁、以及脉冲输出的极性是高电平还是低电平等，这些方式的选择通过控制参数命令解析确定，例如控制参数命令包的低两位为00，表示选择的载波类型为三角载波，01表示选取的载波类型为上升锯齿波，而10表示下降锯齿波，如图4所示。其他特性也做类似处理。根据模式配置单元选择的载波发生器模式，进入载波发生器单元，该单元功能是根据选择的载波类型产生相应的载波波形。

比较器单元根据PWM发生器产生原理，将载波发生器送来的载波计数值与CPU向FPGA发送的占空比参数进行比较，产生相应脉宽的PWM脉冲波。比较器单元一共有三个（比较器A、比较器B、比较器C），分别负责A、B、C三相脉冲的处理。进入死区补偿单元后，根据模式配置单元中确定的死区时间，即为了防止同一桥臂上下两个开关管同时导通形成短路，插入一定死区。插入死区的处理方法如下图5所示（以a相为例），图5中top_cmp和bot_cmp是根据原a相占空比通过死区时间确定的上下管比较器值，三角波是通过载波发生器单元产生的，通过比较便可以得到具有死区补偿的a相上管脉冲phase_a_top和a相下管脉冲phase_a_bottom。另外两相脉冲的处理方法一样。死区补偿单元处理后产生的三相PWM脉冲波，最后进入输出控制逻辑单元。该单元同样需要根据模式配置单元解析的控制命令信息，确定是否需要根据外部输入的同步输入信号进行PWM脉冲的同步处理，即根据同步输入信号来触发控制PWM模块最终输出的脉冲信号，以实现两个模块间的脉冲输出的一致性。同时在该PWM模块载波的零点、顶点输出中断信号和与该模块保持同步的同步输出信号。

本实施例用到了两个PWM模块，分别用于网侧变流器和机侧变流器，对应的网侧三相占空比和机侧三相占空比参数是由CPU实施闭环计算得到的。由于该系统中无并联单元的存在，因此无需做同步信号的处理。每个PWM模块会根据这些参数生成6路PWM脉冲驱动对应的开关管通断。

图6为一路背靠背PWM变流器系统运行的实验波形，控制网侧变换器工作在PWM控制状态，利用直流电动机带动异步发电机运行，通过控制机侧转矩电流为负值，可以控制发电机运行于发电状态。实验运行条件为：电网AC380V/50Hz，网侧变流器带LCL型滤波器（滤波器参数为80μH、中间滤波电容为466μF、变流器侧电感为170μH），直流母线电压设定为DC600V。从实验波形中可以看出，机侧变流器能够实现电机转速和转矩的快速、准确控制，网侧PWM变流器能够将直流母线电压稳定在600V，并实现单位功率因数并网发电。

实施例2：

如图3所示，本实例为两路变流器并联运行系统，电机为鼠笼异步发电机，变流器系统采用2组背靠背三相PWM变流器单元共直流母线组成。共直流母线的三相PWM变流单元并联是指几个独立的三相变流器单元公用直流母线，交流母线在三相系统的端口处进行连接。这种方案具有更高的冗余度和可靠性。其中每组背靠背三相PWM变流器单元包括机侧电抗器L、机侧PWM变流器、直流母线电容器组C_d、网侧PWM变流器、网侧LCL滤波器。机侧变流器工作在PWM整流状态，能够控制鼠笼异步发电机速度恒定，使其工作在恒转速模式。直流母线电容起到稳定母线电压和滤波的作用，网侧变流器工作在逆变状态，经过LCL滤波器接入电网。其中，LCL滤波器包括电网侧电感L_g、中间滤波电容C_f、变流器侧电感L_i，输出LCL滤波器起到滤除高频谐波的作用。

本实施例中，三相PWM波FPGA产生装置作为一个模块应用在上述系统中，简称PWM模块。该实例采用四个PWM模块分别对两套变流器的网侧和机侧进行控制，由于有两套变流器并联，控制脉冲的不一致会造成并联系统中环流的存在，为了解决这一问题，将一套变流器作为主机，该主机PWM模块的同步输出信号接入从机PWM模块的同步输入，这样便可以保证网侧的输出的12路PWM脉冲信号具有很好的同步性。同时需要根据控制命令信息包数据对输出脉冲的下降沿进行延时处理，对应于所控制的开关管做延时关断控制，从而实现并联模块的不均流控制。同样的，模块中网侧和机侧三相占空比信息是通过CPU发送到FPGA的FIFO寄存器里的。

本实施例用了四个PWM模块，分别用于两个网侧变流器和两个机侧变流器，对应的网侧三相占空比和机侧三相占空比参数是由CPU实时闭环计算得到的。由于该系统中网侧PWM变流器由两个单元并联组成，机侧PWM变流器同样由两个单元并联组成。对于两个网侧变流器并联单元，如果它们的触发脉冲不一致，就会在内部形成电流环路，即形成环流，从而对系统的稳定运行带来不利影响。两个机侧变流器单元同样存在这样的问题。

该实施例中，将一套变流器作为主机，即对应的三相PWM单元1和三相PWM单元2为主机PWM模块控制单元，该主机PWM模块的同步输出信号接入从机PWM模块（分别对应三相PWM单元3和三相PWM单元4）的同步输入，这样便可以保证两个网侧变流器并联单元的12路PWM脉冲信号和两个机侧变流器并联单元的12路PWM脉冲信号具有很好的同步性。通过该方案，机侧变流器能够实现电机转速和转矩的快速、准确控制，网侧PWM变流器能够将直流母线电压稳定在1100V，并实现单位功率因数并网发电。同时还可以自由的实现一路单独运行和两路并联组合运行的切换，在并联单元中不存在环流和不均流现象，对通过单元模块并联来实现大功率的方案具有一定意义。本实施例其他工作过程与实施例1类似，不再详述。

该实施例下实验波形如图7-8所示，从图7中可以看出在未加入控制脉冲延时情况下，两个机侧并联单元存在很大的不均流现象，即并联对应单元的电流大小是不一样的，而且每一相的不均流程度不一样。通过CPU向FPGA发送对控制脉冲进行下降沿延时处理的命令后，实验波形如图8所示。此时，输出控制逻辑单元根据控制命令信息，对三相PWM脉冲的下降沿进行相应的延时处理，从而实现了并联单元对应相的均流控制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种三相PWM波FPGA产生装置，其特征在于，FPGA功能结构包括：

一死区补偿单元，该单元根据系统需要补偿的死区时间，在原比较器单元比较值的基础上分别加减需要补偿的死区值，形成两个新的比较值分别为比较值1和比较值2，比较值1和比较值2的差值为两倍死区值，然后再分别与三角载波发生器里的实时计数值进行比较；

2.根据权利要求1所述的三相PWM波FPGA产生装置，其特征在于，所述装置通过CPU向FPGA发送控制参数命令包用于PWM模块功能的配置，在模式配置单元中会根据控制参数命令包确定该PWM发生器模块的基本特性：开关频率的大小、死区时间的大小、所选载波的类型、死区的插入方式、PWM是否启动还是封锁、以及脉冲输出的极性是高电平还是低电平，这些方式的选择通过控制参数命令解析确定；根据模式配置单元选择的载波发生器模式，进入三角载波发生器，该三角载波发生器根据选择的载波类型产生相应的载波波形。

3.根据权利要求2所述的三相PWM波FPGA产生装置，其特征在于，所述比较器单元将三角载波发生器送来的载波计数值与CPU向FPGA发送的占空比参数进行比较，产生相应脉宽的PWM脉冲波；进入死区补偿单元后，根据模式配置单元中确定的死区时间，即为了防止同一桥臂上下两个开关管同时导通形成短路，插入一定死区，死区补偿单元处理后产生的三相PWM脉冲波，最后进入输出控制逻辑单元。

4.根据权利要求1-3任一项所述的三相PWM波FPGA产生装置，其特征在于，所述输出控制逻辑单元根据模式配置单元解析的控制命令信息，确定是否需要根据外部输入的同步输入信号进行PWM脉冲的同步处理，即根据同步输入信号来触发控制整个装置最终输出的脉冲信号，以实现两个装置间的脉冲输出的一致性。

5.根据权利要求1-3任一项所述的三相PWM波FPGA产生装置，其特征在于，所述输出控制逻辑单元根据控制命令信息确定是否需要对a、b、c三相PWM脉冲进行下降沿延时处理，若需要处理则需要在小于死区时间内，根据控制命令信息包数据对输出脉冲的下降沿进行延时处理，对应于所控制的开关管做延时关断控制，从而实现并联模块的不均流控制。