CN113300625B - 一种通用两电平或三电平逆变器驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通用两电平或三电平逆变器驱动系统，包括用于接收电机的运行信息进行磁场定向，通过空间矢量脉宽调制控制算法获得空间电压矢量信息，并对空间电压矢量信息进行编码获得编码信号，将编码信号发送至光纤发送模块的所述两电平控制单元，与两电平控制单元连接用于将接收的编码信号采用光信号形式发送至光纤接收模块的光纤发送模块，用于接收光信号形式的编码信号且将其转变成电信号形式的编码信号并发送至FPGA单元的光纤接收模块，与逆变器连接用于将电信号形式的编码信号进行解码获得逆变器的驱动信号的FPGA单元。该驱动系统可以实现由现有的两电平逆变器控制系统升级至三电平逆变器控制系统，实现对三电平逆变器的控制。

Description

一种通用两电平或三电平逆变器驱动系统
技术领域
本发明涉及逆变器控制技术领域，尤其是一种通用两电平或三电平逆变器驱动系统。
背景技术
近几年随着国民经济的快速发展，国家对于铁路行业的建设也逐年加大力度，铁路行业迅猛发展。再加上电力电子与电力传动技术、自动控制技术的高速发展，主电路拓扑结构要求有更高的集成度，更复杂的分析和控制功能。
众所周知，与传统的两电平结构相比，三电平结构上除了使单个IGBT(IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管)阻断电压减半之外，还具有谐波小、损耗低、效率高等优势。所以众多厂家先后投入大量精力研究三电平逆变器。
所以要求我们拥有较为可靠，经济的三电平驱动方案。现阶段，两电平的驱动控制系统已经十分成熟，如何在现有成熟的两电平驱动方案的基础上，开发三电平驱动控制方案成为当下热点。
中国专利：申请号：201410631741.X，公开了一种三电平逆变器控制电路，该专利通过设置DSP电路、FPGA电路、模数AD转换电路、通信电路、DIO接口电路以及光模块等，实现对三相三电平的驱动，该专利本质上是依靠DSP与FPGA间的数据总线和地址总线,将DSP计算出的驱动信息传输给FPGA，后者使用这些驱动信息，产生脉冲信号。通过光纤，最终控制主电路上的IGBT。以T型三电平逆变器主电路为例：该专利公开的控制电路需要至少12根光纤，这样脉冲信号才能够驱动三电平逆变器主电路中的各个IGBT。
而传统交流三相两电平逆变器主电路只需要六路光纤脉冲信号,就可以驱动两电平逆变器主电路中的各个IGBT。
综上，如果从现有的两电平逆变器控制系统升级至三电平逆变器控制系统时，需要修改主控单元的光纤发送装置，由六个发送器增加至12个发送器。所以该专利提出的方案没法由传统两电平控制装置，直接使用在三电平逆变器控制领域中。
中国专利：申请号：201610318027.4，公开了一种三相T型三电平逆变器正弦脉冲宽度调制策略，该专利公开的12路脉冲直接由DSP产生。不需要FPGA或者CPLD。该方法要求所用DSP必须拥有至少12个专用的PWM输出端口。大大的降低了系统的通用性。尤其是传统的两电平逆变器系统，很多都是简单的老旧DSP，根本没有12个专用的PWM端口。
面对现阶段市场竞争压力较大，产品设计研发周期大大缩短，如何尽可能在现有产品基础上，不改变成熟的控制器基础上，简化控制器结构，缩短产品设计周期，提高可靠性是现有技术人员亟需解决的问题。以上技术方案均没有解决在尽量少或者不改变两电平控制装置的基础上，使得该驱动装置可以方便的用于三电平逆变器控制。
发明内容
本发明针对以上问题提出了一种通用两电平或三电平逆变器驱动系统。
本发明采用的技术手段如下：
一种通用两电平或三电平逆变器驱动系统，包括两电平控制单元、光纤发送模块、光纤接收模块以及FPGA单元；
所述两电平控制单元，用于接收电机的运行信息并根据所述信息进行磁场定向，通过空间矢量脉宽调制控制算法获得用于控制三相两电平逆变器/三相三电平逆变器的空间电压矢量信息，并对所述空间电压矢量信息进行编码获得编码信号，将所述编码信号发送至所述光纤发送模块；
所述光纤发送模块，与所述两电平控制单元连接，用于将接收的所述编码信号采用光信号形式发送至所述光纤接收模块；
所述光纤接收模块，与FPGA单元连接，用于接收光信号形式的所述编码信号且将其转变成电信号形式的编码信号并发送至所述FPGA单元；
所述FPGA单元，与所述三相两电平逆变器/三相三电平逆变器连接，用于将电信号形式的所述编码信号进行解码获得三相两电平逆变器/三相三电平逆变器的驱动信号并输入至所述三相两电平逆变器/三相三电平逆变器。
进一步地，所述两电平控制单元包括五路编码信号输出引脚，每路信号编码引脚与一路光纤发送模块连接。
进一步地，所述两电平控制单元还包括一路编码信号输出使能引脚，所述编码信号输出使能引脚与一路光纤发送模块连接。
进一步地，所述FPGA单元包括六路门极驱动信号输出引脚；所述六路门极驱动信号输出引脚分别与三相两电平逆变器的六路IGBT的门极连接。
进一步地，所述FPGA单元包括十二路门极驱动信号输出引脚；所述十二路门极驱动信号输出引脚分别与三相三电平逆变器的十二路IGBT的门极连接。
进一步地，所述电机的运行信息包括电流信息和电机速度信息。
与现有技术比较，本发明公开的通用两电平或三电平逆变器驱动系统具有以下有益效果：本申请公开的驱动系统由于包括两电平控制单元、光纤发送模块、光纤接收模块以及FPGA单元，两电平控制单元能够根据电机信息获取当前的空间电压矢量信息并对其进行编码，同时通过光纤输出和接收模块输入至FPGA单元，FPGA单元能够对编码信息进行解码获得三相两电平逆变器/三相三电平逆变器的驱动信号并实现对两电平或三电平的控制，即本发明中，在不改变两电平控制装置(两电平控制单元和光纤发送模块)的基础上，通过增加一个转接板(光纤接收模块和FPGA单元)，即能够实现由现有的两电平逆变器控制系统升级至三电平逆变器控制系统，实现对三电平逆变器的控制，该控制系统具有结构简单，转接板体积很小，方便集成在功率模块内等优点。
附图说明
图1为本发明公开的通用两电平或三电平逆变器驱动系统的第一实施例的结构图；
图2为传统交流三相两电平逆变器主电路；
图3为三相三电平基本空间电压矢量图；
图4为本发明公开的通用两电平或三电平逆变器驱动系统的第二实施例的结构图；
图5为T型三电平逆变器主电路；
图6为三相三电平基本空间电压矢量图。
图中：1、两电平控制单元，2、光纤发送模块，3、光纤接收模块，4、FPGA单元。
具体实施方式
实施例1
如图1所示为本发明公开的通用两电平或三电平逆变器驱动系统，如图2所示，本实施例中采用本发明公开的驱动系统驱动传统的两电平逆变器，包括两电平控制单元1、光纤发送模块2、光纤接收模块3以及FPGA单元4；
所述两电平控制单元1，用于接收电机的运行信息并根据所述信息进行磁场定向，通过空间矢量脉宽调制控制算法获得用于控制三相两电平逆变器的空间电压矢量信息，并对所述空间电压矢量信息进行编码获得编码信号，将所述编码信号发送至所述光纤发送模块；
具体地，现有的两电平控制系统采用DSP，DSP与数据采集及信号调理单元连接，DSP用于接收数据采集及信号调理单元采集的电机的运行信息，电机的运行信息包括电机的电压、电流和转速信息，进行磁场定向，通过空间矢量脉宽调制(svpwm)控制算法获得用于控制三相两电平逆变器的空间电压矢量信息，并对所述空间电压矢量信息进行编码获得编码信号，将所述编码信号发送至所述光纤发送模块；
如图2所示，以A相为例，功率器件输出端A与直流母线正端相连接输出状态为P，功率器件输出端A与直流母线负端相连接输出状态为N。则A相所有2个功率器件开关Sa1，Sa2的开关状态、A相输出状态对应关系如表1：
表1为A相2个功率器件开关Sa1，Sa2的开关状态、A相输出状态对应关系
Sa1 Sa2 输出状态
开 关 P
关 开 N
B、C相与A相情况一致。所以两电平基本空间电压矢量图如图3所示：
比如：
PNN就代表：A相为P状态，B相为N状态，C相为N状态。各个IGBT门极的开关状态为：Sa1：开；Sa2：关；Sb1：关；Sb2：开；Sc1：关；Sc2：开。
由两电平基本空间电压矢量图可知，交流三相两电平空间矢量脉宽调制算法中，有共计8种开关状态，如图2所示。
DSP根据实际检测到的电流信息及电机速度信息，进行磁场定向，通过空间矢量脉宽调制控制算法，确定交流三相两电平空间矢量脉宽调制算法中所使用的基本空间电压矢量。
表2为8种基本空间电压矢量编号表
Figure BDA0003106831610000041
Figure BDA0003106831610000051
DSP对获得基本空间电压矢量进行编码获得编码信号并发送至光纤发送模块，本实施例中，DSP对基本空间矢量进行编码的参照表3：
表3为8种基本空间电压矢量编码对照表
Figure BDA0003106831610000052
本实施例中，DSP中使用六个引脚与光纤发送模块连接，并通过将编码信号发送至光纤发送模块；
所述光纤发送模块2，与所述两电平控制单元(DSP)连接，用于将接收的所述编码信号采用光信号形式发送至所述光纤接收模块；具体地，现有的两电平控制系统的光纤发送模块具有六路，DSP的六路专用PWM引脚分别与六路光纤发送模块连接，已将编码信号发送至光纤发送模块，光纤发送模块将编码信号以光信号的形式发送至光纤接收模块；
所述光纤接收模块3，与FPGA单元连接，用于接收光信号形式的所述编码信号且将其转变成电信号形式的编码信号并发送至所述FPGA单元；具体地，在本实施例中，光纤接收模块接收到光信号形式的编码信号并转换成电信号输入至FPGA单元，该电信号幅值为直流3.3V；
所述FPGA单元4，与所述三相两电平逆变器连接，用于将电信号形式的所述编码信号进行解码获得三相两电平逆变器的驱动信号后，通过添加死区保护等功能后，将六路驱动信号转换成六路ICBT门极驱动信号输入至所述三相两电平逆变器以对其进行控制。
实施例2
如图4所示为本发明公开的通用两电平或三电平逆变器驱动系统第二实施例，如图5所示，本实施例中驱动系统用于三相三电平逆变器控制，图5为T型三电平为例，其余的三电平形式也同样适用，包括两电平控制单元1、光纤发送模块2、光纤接收模块3以及FPGA单元4；
所述两电平控制单元1，用于接收电机的运行信息并根据所述信息进行磁场定向，通过空间矢量脉宽调制控制算法获得用于控制三相三电平逆变器的空间电压矢量信息，并对所述空间电压矢量信息进行编码获得编码信号，将所述编码信号发送至所述光纤发送模块；
具体地，现有的两电平控制系统采用DSP，DSP与数据采集及信号调理单元连接，DSP用于接收数据采集及信号调理单元采集的电机的运行信息，电机的运行信息包括电机的电压、电流和转速信息，进行磁场定向，通过空间矢量脉宽调制(svpwm)控制算法获得用于控制三相三电平逆变器的空间电压矢量信息，并对所述空间电压矢量信息进行编码获得编码信号，将所述编码信号发送至所述光纤发送模块；
如图5所示，以A相为例，功率器件输出端A与直流母线正端相连接输出状态为P，功率器件输出端A与直流母线中性端相连输出状态为O，功率器件输出端A与直流母线负端相连接输出状态为N。则A相所有4个功率器件开关Sa1，Sa2，Sa3，Sa4的开关状态、A相输出状态对应关系如表4：
表4为A相所有4个功率器件开关Sa1，Sa2，Sa3，Sa4的开关状态、A相输出状态对应关系
Sa1 Sa2 Sa3 Sa4 输出状态
开 开 关 关 P
关 开 开 关 O
关 关 开 开 N
B、C相与A相情况一致。所以三电平基本空间电压矢量图如图5所示：
比如：
PNN就代表：A相为P状态，B相为N状态，C相为N状态。各个IGBT门极的开关状态为：Sa1：开；Sa2：开；Sa3：关；Sa4：关；Sb1：关；Sb2：关；Sb3：开；Sb4：开；Sc1：关；Sc2：关；Sc3：开；Sc4：开。
OPP就代表：A相为O状态，B相为P状态，C相为P状态。各个IGBT门极的开关状态为：Sa1：关；Sa2：开；Sa3：开；Sa4：关；Sb1：开；Sb2：开；Sb3：关；Sb4：关；Sc1：开；Sc2：开；Sc3：关；Sc4：关。
由三电平基本空间电压矢量图可知，交流三相三电平空间矢量脉宽调制算法中，有共计27种开关状态，如图5所示。
DSP根据实际检测到的电流信息及电机速度信息，进行磁场定向，通过空间矢量脉宽调制控制算法，确定交流三相三电平空间矢量脉宽调制算法中所使用的基本空间电压矢量。
表5为27种基本空间电压矢量编号表
编号 基本空间电压矢量 编号 基本空间电压矢量
1 POO 15 PNN
2 PON 16 PNO
3 POP 17 PNP
4 PPN 18 OPN
5 PPO 19 OPP
6 PPP 20 OPO
7 ONO 21 OOP
8 ONP 22 OON
9 ONN 23 OOO
10 NPO 24 NOP
11 NPN 25 NON
12 NPP 26 NOO
13 NNP 27 NNO
14 NNN
DSP对获得基本空间电压矢量进行编码获得编码信号并发送至光纤发送模块，本实施例中，DSP对基本空间矢量进行编码的参照表6：
表6为27种基本空间电压矢量编码对照表
Figure BDA0003106831610000071
Figure BDA0003106831610000081
本实施例中，DSP中使用六个引脚与光纤发送模块连接，并通过其中的五个引脚将编码信号发送至光纤发送模块，如图3所示，用1号引脚,2号引脚,3号引脚,4号引脚,5号引脚作为编码输出引脚；
所述光纤发送模块2，与所述两电平控制单元连接，用于将接收的所述编码信号采用光信号形式发送至所述光纤接收模块；具体地，现有的两电平控制系统的光纤发送模块具有六路，DSP的六路专用PWM引脚分别与六路光纤发送模块连接，已将编码信号发送至光纤发送模块，光纤发送模块将编码信号以光信号的形式发送至光纤接收模块；
所述光纤接收模块3，与FPGA单元连接，用于接收光信号形式的所述编码信号且将其转变成电信号形式的编码信号并发送至所述FPGA单元；
所述FPGA单元4，与所述三相三电平逆变器连接，用于将电信号形式的所述编码信号进行解码获得三相三电平逆变器的驱动信号并输入至所述三相三电平逆变器。具体地，DSP将计算后，得到当前时刻所需要的基本空间电压矢量，通过1号至5号引脚进行编码，接着将此编码通过光纤发送、接收模块传递给FPGA。FPGA对接收到的编码立刻解码，形成12路IGBT门极驱动信号。
以其中基本空间电压矢量“PNN”为例，其余26种基本空间电压矢量完全类似。
当DSP计算出，当前控制需要使用基本空间电压矢量PNN，则：
1号引脚输出高电平即数字信号“1”，
2号引脚输出高电平即数字信号“1”，
3号引脚输出高电平即数字信号“1”,
4号引脚输出高电平即数字信号“1”,
5号引脚输出低电平即数字信号“0”。构成编码“01111”。
FPGA接收到编码“01111”就代表要输出三电平基本空间电压矢量“PNN”。故：A相为P状态，B相为N状态，C相为N状态。各个IGBT门极的开关状态为：Sa1：开；Sa2：开；Sa3：关；Sa4：关；Sb1：关；Sb2：关；Sb3：开；Sb4：开；Sc1：关；Sc2：关；Sc3：开；Sc4：开。
进一步地，所述两电平控制单元还包括一路编码信号输出使能引脚，所述编码信号输出使能引脚与一路光纤发送模块连接。6号引脚作为整个控制的使能，若6号引脚输出高电平，即数字信号“1”。则FPGA正常进行1号至5号引脚的解码工作。若6号引脚输出低电平，即数字信号“0”。则FPGA控制12个门极开关全部关闭，即：Sa1：关；Sa2：关；Sa3：关；Sa4：关；Sb1：关；Sb2：关；Sb3：关；Sb4：关；Sc1：关；Sc2：关；Sc3：关；Sc4：关。
本发明既可以使用在传统交流三相两电平逆变器控制系统中,又可以使用在交流三相三电平逆变器控制系统内。控制端不需要增加更多的光纤设备，只用6路光纤，主控芯片极易寻找，只需要6个专用的PWM引脚。不必要非得用TMS320F28335这样的高级进口芯片。因为主控芯片的易替换性，所以程序的开发平台也变得很容易改变，程序移植性大大提高。转接板体积很小，方便集成在功率模块内，只需要根据实际项目中主电路的不同(到底是两电平逆变器，还是三电平逆变器)，选择输出6路门极开关状态还是12路门极开关状态。同时，将27种三电平基本空间电压矢量进行编码，通过编码减少主控芯片DSP的专用PWM输出引脚。实际生产中，如果主控单元距离转接板及功率模块比较近，也可能直接舍弃“电转光再光转电”这种过程，直接使用“电气连接”。本发明公开的通用两电平或三电平逆变器驱动系统不仅具有很高的工程应用价值，而且有很广阔的市场应用前景。同时本发明尽可能在现有产品基础上，不改变成熟的控制器，只增加转接板卡，可以大大缩短研发周期，提高可靠性，减少研发资金投入。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种通用两电平或三电平逆变器驱动系统，其特征在于：包括两电平控制单元、光纤发送模块、光纤接收模块以及FPGA单元；
所述两电平控制单元，用于接收电机的运行信息并根据所述信息进行磁场定向，通过空间矢量脉宽调制控制算法获得用于控制三相两电平逆变器/三相三电平逆变器的空间电压矢量信息，并对所述空间电压矢量信息进行编码获得编码信号，将所述编码信号发送至所述光纤发送模块，所述两电平控制单元包括五路编码信号输出引脚，每路信号编码引脚与一路光纤发送模块连接；
所述光纤发送模块，与所述两电平控制单元连接，用于将接收的所述编码信号采用光信号形式发送至所述光纤接收模块；
所述光纤接收模块，与FPGA单元连接，用于接收光信号形式的所述编码信号且将其转变成电信号形式的编码信号并发送至所述FPGA单元；
所述FPGA单元，与所述三相两电平逆变器/三相三电平逆变器连接，用于将电信号形式的所述编码信号进行解码获得三相两电平逆变器/三相三电平逆变器的驱动信号并输入至所述三相两电平逆变器/三相三电平逆变器。
2.根据权利要求1所述的通用两电平或三电平逆变器驱动系统，其特征在于：所述两电平控制单元还包括一路编码信号输出使能引脚，所述编码信号输出使能引脚与一路光纤发送模块连接。
3.根据权利要求1或2所述的通用两电平或三电平逆变器驱动系统，其特征在于：所述FPGA单元包括六路门极驱动信号输出引脚；所述六路门极驱动信号输出引脚分别与三相两电平逆变器的六路IGBT的门极连接。
4.根据权利要求1或2所述的通用两电平或三电平逆变器驱动系统，其特征在于：所述FPGA单元包括十二路门极驱动信号输出引脚；所述十二路门极驱动信号输出引脚分别与三相三电平逆变器的十二路IGBT的门极连接。
5.根据权利要求1所述的通用两电平或三电平逆变器驱动系统，其特征在于：所述电机的运行信息包括电流信息和电机速度信息。
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