CN110719045B - 一种牵引逆变器斩波控制系统 - Google Patents

一种牵引逆变器斩波控制系统 Download PDF

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Abstract

一种牵引逆变器斩波控制系统，包括双桥IGBT斩波单元、控制单元，控制单元的信号处理模块与功率计算模块连接，将外部输入处理后的电压、电流、转速信号传给功率计算模块；信号处理模块又与模式选择模块连接，将外部输入处理后的电压信号传给模式选择模块；功率计算模块又与模式选择模块连接，将计算得到的功率传给模式选择模块；功率计算模块、模式选择模块又都和占空比计算模块连接，将功率计算模块输出功率和模式选择模块输出的模式传给占空比计算模块；占空比计算模块与脉冲生成模块连接，将生成的占空比信号传给脉冲生成模块，使脉冲生成模块产生相应的PWM信号间接控制双桥IGBT斩波单元。集成度高，处理速度快，执行效率高，且编程灵活，方便，解决传统斩波控制时电压不平稳的问题。

Description

一种牵引逆变器斩波控制系统
技术领域
本发明涉及一种牵引逆变器，尤其是涉及牵引逆变器斩波控制系统。
背景技术
牵引逆变器，是城轨车辆牵引系统中的核心，主要给异步电机或永磁电机提供变压变频的三相电源，进而实现车辆的牵引和制动控制。其中牵引逆变器主要包括直流部分（如预充电、LC滤波）、斩波部分以及逆变部分。制动斩波部分采用大功率电力电子元件IGBT，用于车辆在制动工况下，当制动能量无法回馈电网时，且网压超过设定电压值，通过制动斩波单元将制动能量消耗制动电阻上，并保证中间电压的平稳，有利于车辆电机控制，制动斩波的控制形式常采用PWM斩波控制。
以往逆变器斩波控制系统是斩波模块采用单IGBT，控制板卡采用单MCU控制，控制形式常采用PWM斩波控制。单IGBT的发热量高，斩波控制的实时性差，中间电压控制不平稳（中间电压的稳定直接影响高性能电机算法的实施）。此外还占用MCU有限的引脚资源，大大降低了MCU的速度和效率，不利于整体算法实施。
发明内容
本发明的目的是提供一种以双桥IGBT为斩波单元、基于MCU和FPGA为核心的控制单元的逆变器斩波控制系统，主要解决单IGBT的发热量高，斩波控制的实时性差，中间电压控制不平稳等问题。其次解决传统平台占用和影响MCU有限的引脚资源、速度和效率的问题。
为实现上述发明目的，本发明提供一种牵引逆变器斩波控制系统，其特征在于：包括双桥IGBT斩波单元、控制单元，其中控制单元包含信号处理模块、功率计算模块、模式选择模块、占空比计算模块以及脉冲生成模块，信号处理模块与功率计算模块连接，将外部输入处理后的电压、电流、转速信号传给功率计算模块；信号处理模块又与模式选择模块连接，将外部输入处理后的电压信号传给模式选择模块；功率计算模块又与模式选择模块连接，将计算得到的功率传给模式选择模块；功率计算模块、模式选择模块又都和占空比计算模块连接，将功率计算模块输出功率和模式选择模块输出的模式传给占空比计算模块；占空比计算模块与脉冲生成模块连接，将生成的占空比信号传给脉冲生成模块，使脉冲生成模块产生相应的PWM信号间接控制双桥IGBT斩波单元。
所述的信号处理模块包括运算放大单元、信号采样单元、信号处理单元，其中，信号处理单元主要包括时钟单元、串并转换单元、预相加单元、乘累加单元以及寄存器输出单元，时钟单元与串并转换单元、预相加单元、乘累加单元以及寄存器输出单元连接，为这些单元提供时钟；串并转换模块与预相加单元、乘累加单元连接，将信号采样单元输出的信号进行并行和串行转换，然后传给预相加单元和乘累加单元；预相加单元与寄存器输出单元连接，将串并转换模块输出的数据进行移位和相加处理，并把处理后的数据传给寄存器输出单元；乘累加单元与寄存器输出单元连接，将串并转换模块输出的数据进行比较、相加及移位处理，并将处理后的数据传给寄存器输出单元。
所述的脉冲生成模块包含时钟单元、周期转换单元、计数器单元、占空比转换单元、比较单元，时钟单元与周期转换单元、计数器单元、占空比转换单元、比较单元连接，用于为这些单元提供时钟，本发明设置10us；周期转换单元与计数器单元、占空比转换单元连接，用于将MCU计算得到的周期转换为FPGA时钟下对应的周期，将转换后的周期值传给计数器单元和占空比转换单元；计数器单元与比较单元连接，计数器单元根据周期值用于产生三角载波，将产生三角载波传给比较单元，比较单元根据三角载波和占空比用于产生斩波PWM1和斩波PWM2信号；占空比转换单元与比较单元连接，将转换后占空比传给比较单元，占空比转换单元用于将MCU计算得到的占空比转换为FPGA时钟下对应的占空比。
所述的模式选择模块根据电压和功率进行模式选择，主要包含7种模式：模式0为斩波PWM1信号和斩波PWM2信号不受MCU占空比控制、模式1为斩波PWM1信号和斩波PWM2信号同时全开通、模式2为斩波PWM1信号和斩波PWM2信号周期交替开通，模式3为斩波PWM1信号全开通和斩波PWM2信号占空比开通且同时，模式4为斩波PWM1信号全开通和斩波PWM2信号占空比开通且斩波PWM1信号和斩波PWM2信号周期交替，模式5为斩波PWM1信号和斩波PWM2信号都为占空比开通且同时、模式6为斩波PWM1信号和斩波PWM2信号都为占空比开通且周期交替。
所述的信号处理模块和脉冲生成模块主要在FPGA中实现，功率计算模块、模式选择模块、占空比计算模块在MCU中实现，充分利用两种芯片的优点。
本发明采用上述方案产生的积极效果如下：
本发明所提出牵引逆变器斩波控制系统，通过将基于MCU和FPGA协调控制的控制单元连接本发明涉及的双桥IGBT斩波单元，可以有效解决传统单桥IGBT斩波发热量高的问题；通过将信号处理模块和脉冲生成模块在FPGA并行处理结构中实现，可以解决传统斩波控制实时性差的问题，与MCU流水线式的串行结构相比，FPGA是并行处理结构，有显著优势，片内有大量的逻辑门和触发器，集成度高，处理速度快，执行效率高，且编程灵活，方便，可多次重复编程；通过将控制单元内部各模块有效连接，即在FPGA中实现的信号处理模块和脉冲生成模块与在MCU中实现的功率计算模块、模式选择模块、占空比计算模块有效连接，以及MCU和FPGA这种协调控制方法，可以解决传统斩波控制时电压不平稳的问题。
附图说明
图1是牵引逆变器斩波控制系统框图；
图2是本发明控制单元系统框图；
图3是信号处理单元组成框图；
图4是脉冲生成模块组成框图；
图5是模式选择模块逻辑流程图。
具体实施方式
参照图1，牵引逆变器包括直流部分、斩波部分、逆变部分，控制单元通过外部输入的模拟量信号（电压Vdc、转矩Te、转速Spd、电流Iu/Iv），经过内部处理和计算发出PWM脉冲信号（斩波1控制、斩波2控制和逆变控制），进而控制IGBT的开通和关断，实现斩波控制和逆变控制。本发明控制单元实际为牵引逆变器控制系统（电机控制系统）中的一部分，主要包括双桥IGBT斩波单元和控制单元，实现电机制动工况下牵引逆变器斩波控制，解决降低单桥IGBT的发热量，提高斩波控制的实时性，稳定中间电压，有利于牵引逆变器整体控制系统的实施。
参照图2，控制单元包括信号处理模块、功率计算模块、模式选择模块、占空比计算模块以及脉冲生成模块，其中信号处理模块和脉冲生成模块主要在FPGA中实现，功率计算模块、模式选择模块、占空比计算模块在MCU中实现，充分利用两种芯片的优点。信号处理模块与功率计算模块连接，将外部输入的模拟量信号电压Vdc、转矩Te、转速Spd、电流Iu/Iv在FPGA中进行处理，处理后的电压、电流、转速信号传给MCU内部的功率计算模块；信号处理模块又与模式选择模块连接，将外部输入处理后的电压信号传给模式选择模块，进行模式选择；功率计算模块又与模式选择模块连接，将计算得到的功率传给模式选择模块；功率计算模块、模式选择模块又都和占空比计算模块连接，将功率计算模块输出功率和模式选择模块输出的模式传给占空比计算模块，进行占空比计算；占空比计算模块与脉冲生成模块连接，将生成的占空比信号传给FPGA内部的脉冲生成模块，使脉冲生成模块产生相应的PWM斩波控制信号1和斩波控制信号2，进而间接控制双桥IGBT斩波单元的开通和关断，实现斩波控制。
信号处理模块包括运算放大单元、信号采样单元、信号处理单元，其中运算放大单元就是采用运算放大器对模拟信号进行滤波、放大、移位等处理，使其满足模数转换器对输入信号的要求；信号采样单元主要为模数转换器，用于将外部电压、电流、转速等模拟信号转换为数字信号，送入FPGA中进行再处理；运算放大单元和信号采样单元属于硬件公知技术，不再叙述。信号处理单元，全部在FPGA芯片中通过VHDL语言实现，信号处理单元用于将模数转换器输入的数字信号进行滤波处理，然后传给MCU。
功率计算模块，在MCU芯片中实现，根据电压和电流、转速和转矩分别计算制动功率1和制动功率2，两个功率比较后取最大制动功率。
占空比计算模块，在MCU芯片中实现,根据制动功率大小和开通模式，分别计算双桥IGBT斩波开通的占空比。
参照图3，信号处理单元主要包括时钟单元、串并转换单元、预相加单元、乘累加单元以及寄存器输出单元，时钟单元与串并转换单元、预相加单元、乘累加单元以及寄存器输出单元连接，为这些单元提供时钟；串并转换模块与预相加单元、乘累加单元连接，将信号采样单元输出的信号进行并行和串行转换，然后传给预相加单元和乘累加单元；预相加单元与寄存器输出单元连接，将串并转换模块输出的数据进行移位和相加处理，并把处理后的数据传给寄存器输出单元；乘累加单元与寄存器输出单元连接，将串并转换模块输出的数据进行比较、相加及移位处理，并将处理后的数据传给寄存器输出单元。
参照图4，脉冲生成模块包含时钟单元、周期转换单元、计数器单元、占空比转换单元、比较单元。时钟单元与周期转换单元、计数器单元、占空比转换单元、比较单元连接，用于为这些单元提供时钟，本发明设置10us；周期转换单元与计数器单元、占空比转换单元连接，用于将MCU计算得到的周期转换为FPGA时钟下对应的周期，将转换后的周期值传给计数器单元和占空比转换单元；计数器单元与比较单元连接，计数器单元根据周期值用于产生三角载波，将产生三角载波传给比较单元，比较单元根据三角载波和占空比用于产生斩波PWM1和斩波PWM2信号。占空比转换单元与比较单元连接，将转换后占空比传给比较单元。占空比转换单元用于将MCU计算得到的占空比转换为FPGA时钟下对应的占空比。
参照图5，模式选择模块根据电压和功率进行模式选择，主要包含7种模式：模式0为斩波PWM1信号和斩波PWM2信号不受MCU占空比控制、模式1为斩波PWM1信号和斩波PWM2信号同时全开通、模式2为斩波PWM1信号和斩波PWM2信号周期交替开通，模式3为斩波PWM1信号全开通和斩波PWM2信号占空比开通且同时，模式4为斩波PWM1信号全开通和斩波PWM2信号占空比开通且斩波PWM1信号和斩波PWM2信号周期交替，模式5为斩波PWM1信号和斩波PWM2信号都为占空比开通且同时、模式6为斩波PWM1信号和斩波PWM2信号都为占空比开通且周期交替。
本发明控制流程：
1、外部输入的模拟量信号（电压Vdc、转矩Te、转速Spd、电流Iu/Iv）进入控制单元的信号处理模块进行处理；
2、控制单元的功率计算模块使用信号处理模块处理后的电压、转矩、转速、电流信号进行制动功率计算；
3、控制单元的模式选择模块根据电压和功率进行斩波模式判断；
4、控制单元的占空比计算模块根据制动功率和斩波模式计算双桥IGBT斩波开通的占空比；
5、控制单元的脉冲生成模块将占空比与三角载波进行比较生成斩波PWM信号；
6、最后控制单元的脉冲生成模块输出的信号控制双桥IGBT斩波单元开通和关断，实现电机制动工况下牵引逆变器斩波控制。
传统MCU控制周期为200~500us左右，而FPGA属于纳秒级器件，控制周期可为10us。在FPGA控制周期下实施的斩波控制，与在MCU控制周期下实施的斩波控制相比，存在明显的控制精度高、实时性强等优势，进而会使中间电压控制更平稳；此外还有助于降低IGBT的开关损耗，减小IGBT的发热量。

Claims (3)

1.一种牵引逆变器斩波控制系统，包括双桥IGBT斩波单元、控制单元，其特征在于：控制单元包含MCU模块和FPGA模块，MCU模块包括功率计算模块、模式选择模块和占空比计算模块；FPGA模块包括信号处理模块、脉冲生成模块；信号处理模块与功率计算模块连接，将外部输入处理后的电压、电流、转速信号传给功率计算模块；信号处理模块又与模式选择模块连接，将外部输入处理后的电压信号传给模式选择模块；功率计算模块又与模式选择模块连接，将计算得到的功率传给模式选择模块；功率计算模块、模式选择模块又都和占空比计算模块连接，将功率计算模块输出功率和模式选择模块输出的模式传给占空比计算模块；占空比计算模块与脉冲生成模块连接，将生成的占空比信号传给脉冲生成模块，使脉冲生成模块产生相应的PWM信号间接控制双桥IGBT斩波单元；
所述的功率计算模块，根据电压和电流、转速和转矩分别计算制动功率1和制动功率2，两个功率比较后取最大制动功率；
所述的模式选择模块，根据电压和功率进行模式选择，主要包含7种模式：模式0为斩波PWM1信号和斩波PWM2信号不受MCU占空比控制、模式1为斩波PWM1信号和斩波PWM2信号同时全开通、模式2为斩波PWM1信号和斩波PWM2信号周期交替开通，模式3为斩波PWM1信号全开通和斩波PWM2信号占空比开通且同时，模式4为斩波PWM1信号全开通和斩波PWM2信号占空比开通且斩波PWM1信号和斩波PWM2信号周期交替，模式5为斩波PWM1信号和斩波PWM2信号都为占空比开通且同时、模式6为斩波PWM1信号和斩波PWM2信号都为占空比开通且周期交替；
所述的占空比计算模块，根据制动功率大小和开通模式，分别计算双桥IGBT斩波开通的占空比。
2.根据权利要求1所述的一种牵引逆变器斩波控制系统，其特征在于：控制单元包含FPGA模块，FPGA模块还包含信号处理模块，所述的信号处理模块包括运算放大单元、信号采样单元、信号处理单元，其中，信号处理单元主要包括时钟单元、串并转换单元、预相加单元、乘累加单元以及寄存器输出单元，时钟单元与串并转换单元、预相加单元、乘累加单元以及寄存器输出单元连接，为这些单元提供时钟；串并转换模块与预相加单元、乘累加单元连接，将信号采样单元输出的信号进行并行和串行转换，然后传给预相加单元和乘累加单元；预相加单元与寄存器输出单元连接，将串并转换模块输出的数据进行移位和相加处理，并把处理后的数据传给寄存器输出单元；乘累加单元与寄存器输出单元连接，将串并转换模块输出的数据进行比较、相加及移位处理，并将处理后的数据传给寄存器输出单元。
3.根据权利要求1所述的一种牵引逆变器斩波控制系统，其特征在于：控制单元包含FPGA模块，FPGA模块还包含脉冲生成模块，脉冲生成模块还包含时钟单元、周期转换单元、计数器单元、占空比转换单元、比较单元，时钟单元与周期转换单元、计数器单元、占空比转换单元、比较单元连接，用于为这些单元提供时钟，本发明设置10us；周期转换单元与计数器单元、占空比转换单元连接，用于将MCU计算得到的周期转换为FPGA时钟下对应的周期，将转换后的周期值传给计数器单元和占空比转换单元；计数器单元与比较单元连接，计数器单元根据周期值用于产生三角载波，将产生三角载波传给比较单元，比较单元根据三角载波和占空比用于产生斩波PWM1和斩波PWM2信号；占空比转换单元与比较单元连接，将转换后占空比传给比较单元，占空比转换单元用于将MCU计算得到的占空比转换为FPGA时钟下对应的占空比。
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