CN105656335A - 三电平逆变器控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三电平逆变器控制电路，通过三电平逆变器控制电路中相互连接的FPGA电路和DSP电路相互协调实时处理，从而生成PWM脉冲，其中，FPGA电路用于对数字信号形式的电机的电压、电流和转速进行滤波处理，DSP电路用于采用预存的电机控制算法，对滤波处理后的所述电机的电压、电流和转速进行计算，获得PWM脉冲的电压和相位，FPGA电路还用于采用预存的调制算法，对PWM脉冲的电压和相位计算，分别获得PWM脉冲的调制值和载波值，最终根据调制值和载波值生成PWM脉冲，解决了现有技术中对三电平逆变器进行控制时，需要占用过多的DSP电路的芯片资源和引脚，降低了DSP电路的芯片处理速度和效率的技术问题。

Description

三电平逆变器控制电路

技术领域

本发明涉及电子技术，尤其涉及一种三电平逆变器控制电路。

背景技术

通常在电子技术中，将交流电能变换成直流电能的过程称为整流，将实现整流过程的装置称为整流设备或整流器。与之相对应，将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，将实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器。

逆变器包括三电平逆变器和两电平逆变器。三电平逆变器为二极管中点箝位型，相较于传统两电平逆变器具有高压大容量，且输出电压质量较高，开关损耗较低等优点。

现有技术中的三电平逆变器主要由十二个控制脉冲进行控制，在三电平逆变器控制电路中，通常采用单一数字信号处理器(digitalsignalprocessor，DSP)来产生这十二个控制脉冲，并且死区保护和脉冲封锁等逻辑也通常由该DSP电路来完成，因此，现有技术中对三电平逆变器进行控制时，需要占用过多的DSP电路的芯片资源和引脚，降低了DSP电路的芯片处理速度和效率。

发明内容

本发明提供一种三电平逆变器控制电路，用于解决现有技术中对三电平逆变器进行控制时，需要占用过多的DSP电路的芯片资源和引脚，降低了DSP电路的芯片处理速度和效率的技术问题。

本发明的第一个方面是提供一种三电平逆变器控制电路，用于对与电机相连的三电平逆变器进行控制，所述三电平逆变器控制电路包括相互连接的FPGA电路和DSP电路；

所述FPGA电路，用于对数字信号形式的所述电机的电压、电流和转速进行滤波处理；

所述DSP电路，用于采用预存的电机控制算法，对滤波处理后的所述电机的电压、电流和转速进行计算，获得PWM脉冲的电压和相位；

所述FPGA电路，还用于采用预存的调制算法，对所述PWM脉冲的电压和相位计算，分别获得所述PWM脉冲的调制值和载波值；根据所述调制值和载波值生成所述PWM脉冲。

如上所述的三电平逆变器控制电路，所述三电平逆变器控制电路还包括模数AD转换电路；

所述AD转换电路，与所述FPGA电路连接，用于将采集到的模拟信号形式的所述电机的电压、电流和转速，转换为数字信号形式的所述电机的电压、电流和转速。

如上所述的三电平逆变器控制电路，所述三电平逆变器控制电路还包括通信电路；

所述通信电路，与所述DSP电路连接，包括以太网接口、485接口、232接口和/或CAN接口。

如上所述的三电平逆变器控制电路，所述三电平逆变器控制电路还包括DIO接口电路；

所述DIO接口电路，与所述FPGA电路连接，用于向所述FPGA电路输出采集到的所述电机的逻辑控制信号；

所述FPGA电路，还用于对所述电机的逻辑控制信号进行电平转换和滤波之后，向所述DSP电路输出电平转换和滤波后的逻辑控制信号。

如上所述的三电平逆变器控制电路，FPGA电路包括：FPGA芯片和FPGA电源电路。

如上所述的三电平逆变器控制电路，DSP电路包括：DSP芯片和DSP电源电路。

如上所述的三电平逆变器控制电路，所述三电平逆变器控制电路还包括光模块；

所述光模块，与所述FPGA电路连接，用于采用光信号形式输出所述PWM脉冲。

本发明提供的三电平逆变器控制电路，通过三电平逆变器控制电路中相互连接的FPGA电路和DSP电路相互协调实时处理，从而生成PWM脉冲，其中，FPGA电路用于对数字信号形式的电机的电压、电流和转速进行滤波处理，DSP电路用于采用预存的电机控制算法，对滤波处理后的所述电机的电压、电流和转速进行计算，获得PWM脉冲的电压和相位，FPGA电路还用于采用预存的调制算法，对PWM脉冲的电压和相位计算，分别获得PWM脉冲的调制值和载波值，最终根据调制值和载波值生成PWM脉冲，解决了现有技术中对三电平逆变器进行控制时，需要占用过多的DSP电路的芯片资源和引脚，降低了DSP电路的芯片处理速度和效率的技术问题。

附图说明

图1为三电平逆变器的拓扑图；

图2为三电平逆变器及其控制器的整体结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的一种三电平逆变器控制电路的结构示意图；

图4为本发明另一实施例所提供的一种三电平逆变器控制电路的结构示意图。

具体实施方式

图1为三电平逆变器的拓扑图，如图1所示，三电平逆变器包括三相桥臂，A相包括相互串联的开关元件T1、开关元件T2、开关元件T3和开关元件T4；B相包括相互串联的开关元件T5、开关元件T6、开关元件T7和开关元件T8；C相包括相互串联的开关元件T9、开关元件T10、开关元件T11和开关元件T12。其中，T1与二极管D1并联，T2与二极管D2并联，T3与二极管D3并联，T4与二极管D4并联，T5与二极管D5并联，T6与二极管D6并联，T7与二极管D7并联，T8与二极管D8并联，T9与二极管D9并联，T10与二极管D10并联，T11与二极管D11并联，T12与二极管D12并联，且二极管D13和D14串联后并联在T2和T3两端，二极管D15和D16串联后并联在T6和T7两端，二极管D17和D18串联后并联在T10和T11两端。三相桥臂分别与电机M连接，电容C1和电容C2串联后与该三相桥臂并联，且直流电压UDC加载在三相桥臂两端。

三电平逆变器的每一相桥臂有四个开关元件，以A相为例，为开关元件T1、开关元件T2、开关元件T3和开关元件T4。三电平逆变器有P、O、N三种工作状态，P状态为当开关元件T1、开关元件T2导通，开关元件T3、开关元件T4关断时，A相输出为Udc/2；O状态为当开关元件T2、开关元件T3导通，开关元件T1、开关元件T4关断时，A相输出为零电平；N状态为当开关元件T3、开关元件T4导通，开关元件T1、开关元件T2关断时，A相输出为负Udc/2。工作状态P和O，O和N可以相互自由过渡，但是P和N不能够之间切换，必须通过工作状态O来过渡。

前述三电平逆变器，相较于传统两电平逆变器有许多优势：(1)两电平逆变器每个开关器件承受的电压为直流母线电压，而三电平逆变器每个开关器件承受的电压只为直流电压的一半，所以三电平逆变器更适合高压大容量的场合；(2)和两电平逆变器相比，三电平逆变器会产生很小的dv/dt、di/dt；(3)三电平逆变器输出电压有三个电平，更接近正弦波，所以减少了谐波含量，提高了输出电压质量；(4)两电平逆变器开关频率大、损耗大，三电平逆变器可以使用较低开关频率，降低开关损耗。所以三电平逆变器具有一定的应用价值。

图2为三电平逆变器及其控制器的整体结构示意图，如图2所示，三电平逆变器控制电路与三电平逆变器相连，其中，三电平逆变器控制电路用于根据数据采集及信号调理单元采集到的电机的电压、电流和转速，生成12路脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，PWM)脉冲，提供给绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)驱动隔离电路，通过IGBT驱动隔离电路对三电平逆变器进行控制。

图3为本发明一实施例提供的一种三电平逆变器控制电路的结构示意图，如图3所示，包括：相互连接的现场可编程门阵列(Field－ProgrammableGateArray，FPGA)电路31和DSP电路32。

FPGA电路31，用于对数字信号形式的所述电机的电压、电流和转速进行滤波处理。

DSP电路32，用于采用预存的电机控制算法，对滤波处理后的所述电机的电压、电流和转速进行计算，获得PWM脉冲的电压和相位。

FPGA电路31，还用于采用预存的调制算法，对所述PWM脉冲的电压和相位计算，分别获得所述PWM脉冲的调制值和载波值；根据所述调制值和载波值生成所述PWM脉冲。

具体的，FPGA电路31和DSP电路32之间具体通过地址总线、数据总线相互连接。然后，再使用FPGA电路31中的RAM进行数据缓存，从而实现FPGA电路31和DSP电路32之间的数据交换。

本实施例中，通过三电平逆变器控制电路中相互连接的FPGA电路和DSP电路相互协调实时处理，从而生成PWM脉冲，其中，FPGA电路用于对数字信号形式的电机的电压、电流和转速进行滤波处理，DSP电路用于采用预存的电机控制算法，对滤波处理后的所述电机的电压、电流和转速进行计算，获得PWM脉冲的电压和相位，FPGA电路还用于采用预存的调制算法，对PWM脉冲的电压和相位计算，分别获得PWM脉冲的调制值和载波值，最终根据调制值和载波值生成PWM脉冲，解决了现有技术中对三电平逆变器进行控制时，需要占用过多的DSP电路的芯片资源和引脚，降低了DSP电路的芯片处理速度和效率的技术问题。

图4为本发明另一实施例所提供的一种三电平逆变器控制电路的结构示意图，在上一实施例的基础上，本实施例中的三电平逆变器控制电路进一步包括AD转换电路41和通信电路42。

AD转换电路41，与FPGA电路31连接，用于将采集到的模拟信号形式的电机的电压、电流和转速，转换为数字信号形式的电机的电压、电流和转速。

通信电路42，与所述DSP电路32连接，包括以太网接口、485接口、232接口和/或控制器局域网(ControllerAreaNetwork，CAN)接口。

进一步，数字量输入输出(DigitalInputOutput，DIO)接口电路43，与所述FPGA电路31连接，用于向所述FPGA电路输出采集到的所述电机的逻辑控制信号。

基于此，FPGA电路31，还用于对该电机的逻辑控制信号进行电平转换和滤波之后，通过FPGA电路31与DSP电路32之间的地址总线和数据总线向DSP电路32输出电平转换和滤波后的逻辑控制信号。

进一步，FPGA电路31包括：FPGA芯片311和FPGA电源电路312。DSP电路32包括：DSP芯片321和DSP电源电路322。

具体的，以DSP芯片321采用TMS320F28335型号以及FPGA芯片311采用EP2C5Q208C8N型号为例，DSP芯片321需要3.3V和1.8V两种供电电压，FPGA芯片311需要三种供电电压，分别为1.2V核心电压、3.3V的输入/输出(I/O)接口电压以及2.5V特殊功能电压。相应的，DSP电源电路322与DSP芯片321连接，用于向该DSP芯片321提供3.3V和1.8V两种供电电压；FPGA电源电路312与FPGA芯片311连接，用于向该FPGA芯片311提供三种供电电压，分别为1.2V核心电压、3.3V的I/O接口电压以及2.5V特殊功能电压。

进一步，FPGA芯片311和DSP芯片321之间的读写使能引脚、DIO引脚、TZ引脚和复位引脚分别对应连接。

进一步，三电平逆变器控制电路还包括光模块43。

光模块43，与所述FPGA电路31连接，用于采用光信号形式输出所述PWM脉冲。

具体的，FPGA电路31所生成的12路PWM脉冲通过光模块43的光纤头，采用光信号的形式进行输出，由于采用了光纤头进行PWM脉冲的输出，因此，具有较强的抗干扰能力和传输能力，而且每一路PWM脉冲都可以实现故障反馈，当某一路或者几路PWM脉冲出现故障时，通过光模块43可以及时反馈至FPGA电路31中的FPGA芯片311，以使FPGA芯片311向DSP芯片321发送故障信号，以使DSP芯片321对FPGA芯片311通过TZ引脚进行封锁，即DSP芯片321不向FPGA芯片311发送PWM脉冲的电压和相位。

本实施例中，通过三电平逆变器控制电路中相互连接的FPGA电路和DSP电路相互协调实时处理，从而生成PWM脉冲，其中，FPGA电路用于对数字信号形式的电机的电压、电流和转速进行滤波处理，DSP电路用于采用预存的电机控制算法，对滤波处理后的所述电机的电压、电流和转速进行计算，获得PWM脉冲的电压和相位，FPGA电路还用于采用预存的调制算法，对PWM脉冲的电压和相位计算，分别获得PWM脉冲的调制值和载波值，最终根据调制值和载波值生成PWM脉冲，解决了现有技术中对三电平逆变器进行控制时，需要占用过多的DSP电路的芯片资源和引脚，降低了DSP电路的芯片处理速度和效率的技术问题。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种三电平逆变器控制电路，用于对与电机相连的三电平逆变器进行控制，其特征在于，所述三电平逆变器控制电路包括相互连接的现场可编程门阵列FPGA电路和数字信号处理器DSP电路；

所述FPGA电路，用于对数字信号形式的所述电机的电压、电流和转速进行滤波处理；

所述DSP电路，用于采用预存的电机控制算法，对滤波处理后的所述电机的电压、电流和转速进行计算，获得脉冲宽度调制PWM脉冲的电压和相位；

所述FPGA电路，还用于采用预存的调制算法，对所述PWM脉冲的电压和相位计算，分别获得所述PWM脉冲的调制值和载波值；根据所述调制值和载波值生成所述PWM脉冲。

2.根据权利要求1所述的三电平逆变器控制电路，其特征在于，所述三电平逆变器控制电路还包括模数AD转换电路；

所述AD转换电路，与所述FPGA电路连接，用于将采集到的模拟信号形式的所述电机的电压、电流和转速，转换为数字信号形式的所述电机的电压、电流和转速。

3.根据权利要求1或2所述的三电平逆变器控制电路，其特征在于，所述三电平逆变器控制电路还包括通信电路；

所述通信电路，与所述DSP电路连接，包括以太网接口、485接口、232接口和/或控制器局域网CAN接口。

4.根据权利要求1或2所述的三电平逆变器控制电路，其特征在于，所述三电平逆变器控制电路还包括数字量输入输出DIO接口电路；

所述DIO接口电路，与所述FPGA电路连接，用于向所述FPGA电路输出采集到的所述电机的逻辑控制信号；

所述FPGA电路，还用于对所述电机的逻辑控制信号进行电平转换和滤波之后，向所述DSP电路输出电平转换和滤波后的逻辑控制信号。

5.根据权利要求1或2所述的三电平逆变器控制电路，其特征在于，FPGA电路包括：FPGA芯片和FPGA电源电路。

6.根据权利要求1或2所述的三电平逆变器控制电路，其特征在于，DSP电路包括：DSP芯片和DSP电源电路。

7.根据权利要求1或2所述的三电平逆变器控制电路，其特征在于，所述三电平逆变器控制电路还包括光模块；

所述光模块，与所述FPGA电路连接，用于采用光信号形式输出所述PWM脉冲。