电气与传动
Electrical Transmission
5自动化技术与应用62004年第23卷第10期单芯片三电平逆变器控制脉冲的产生
施峰,张淼,赵慧
(广东工业大学,广东广州510090)
摘要:分析三电平逆变器的控制原理,提出采用单个TMS320LF2407芯片产生PWM控制脉冲的新方法,并以一个矢量的合成对产生方法作了详细介绍,通过实验证实了结果是正确的。
关键词:单芯片;三电平;控制脉冲
中图分类号:TM921152文献标识码:A文章编号:1003-7241(2004)10-0067-03
Sing le Chip-Based Pulse Generatio n for the
Three-lever Converter
SHI Feng,ZHANG Miao,ZHAO Hui
(GuangDong Universi ty of Technology,Guangzhou510090,China)
Abstract:The control principle of a three-level converter i s introduced.A single chip)TMS320LF2407A is used to generate PWM control pulses, The vector synthesis method is proposed.
Key words:Single chip;Three-level;Control pulse
1引言
三电平逆变器是由日本长冈科技大学的A.Nabae等人于1980年在IAS年会上首次提出[1],又称中点箝位式(Neutral Poin t Clamped)逆变器。它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。
三电平逆变器优点主要有以两个方面:
(1)使之适合于大容量、高电压变频调速的场合。
由于功率开关管只有普通两电平下承受的电压降的1P2[2],所以,同样的功率开关管,在三电平下可以使直流电压抬高一倍,提高电压和容量。
(2)产生3层梯形输出电压,对阶梯波再作调制可以得到很好近似的正弦波,理论上提高电平数可接近纯正弦波型、谐波含量很小,电磁干扰(EMI)问题大大减轻,因为开关元件一次动作的dv P dt通常只有传统双电平的1P2。
矢量控制时,所需要的矢量合成如图1、2所示,图中实线为需要的矢量,虚线为所选合成需要矢量的矢量,由图1三电平矢
收稿日期:2004-04-27量的合成与图2两电平矢量的合成的对比可看出,三电平的矢量合成比两电平矢量
的合成所产生的偏差更小。
图1
三电平电压矢量合成图
图2两电平电压矢量合成图
因此三电平逆变器由于具有效率高、动态性能好、对电动机产生的谐波较少,适合高压大容量等优点,在高压大容量交流调速领域受到广泛的关注,对三电平逆变器的研究和产品的开发也越来越重视。
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2 控制脉冲产生
三电平逆变器是目前重点研究的逆变器,其主回路较为复杂,如图3所示,共有12个功率开关。
每相有四个功率开关对应三种开关状态,用S 2=2表示Q 1、5、9和Q 2、6、10同时开通;用S 1=1表示Q 2、6、10和Q 3、7、11同时开通;用S 0=0表示Q 3、7、11和Q 4、8、12同时开通;输出的电压:
U a *T=(Vdc P 2)*S 2a *t 2a +(Vdc P 2)*S 1a *t 1a +(Vdc P 2)*S 0a *t 0a ;
U b *T=(Vdc P 2)*S 2b *t 2b +(Vdc P 2)*S 1b *t 1b +(Vdc P 2)*S 0b *t 0b ;
U c *T=(Vdc P 2)*S 2c *t 2c +(Vdc P 2)*S 1c *t 1c +(Vdc P 2)*S 0c *t 0c ;(T=t2+t1+t0)
T 为控制周期,形成的矢量图[3]如图4所示。
三电平的控制电路也要比传统两电平的逆变器更为复杂由图3可看出12个功率开关,每个功率开关对应一个控制脉冲,则需要12路控制脉冲。
如何产生这12路控制脉冲,谐调它们之间的开关状态,使发出的脉冲不会导致短路,每个开关器件导通的时间能够满足
要求还需要进一步研究。
图3 主回路
图4 矢量图
目前还没有一种专门为三电平设计的矢量控制芯片能同时控制这12路脉冲。虽然很多芯片都有专门为矢量控制提供的3对(6路)PWM 产生电路,但三电平逆变器控制12路脉冲,通常需要两个芯片共同产生12路PWM 波来完成的脉冲控制,这就存在着芯片与芯片之间的同步问题。因此我们选用TI 公司的TMS320LF2407A 作为控制芯片,尽管这种芯片所提供的同样也是3对(6路)矢量控制的PWM 电路和2个独立的PWM 输出,但是它有两个事件管理器(EVA 、EVB),每个事件管理器中各有一套,在同一个芯片内,将两组3对PWM 波形联合起来同时产生12路控制脉冲(PWM1~PWM6、PWM7~PWM12),给控制带来很大方便。PWM 电路的特点如下[4]:
(1)可根据需要改变PWM 的载波频率;
(2)脉冲形式发生器电路,用于可编程的对称、非对称以及4个空间矢量PWM 波形产生;
(3)在每个PWM 周期内以及之后可根据需要必改变PWM 脉冲的宽度;
(4)提供0至12L S 的可编程死区发生器控制PWM 输出对;(5)自动重装载的比较和周期寄存器使CPU 的负担最小。按图1所示,由LF2407A 芯片产生的12路PWM 脉冲分别加在12个功率开关上,其中PWM1~PWM6由E VA 产生,PWM7~PWM9由EVB 产生,每对PWM 脉冲可通过死区设置来确保同一相上不会出现短路。
LF2407A 芯片中,E VA 、EVB 中分别各有一个控制寄存器AC TRA 、AC TRB,其中12~14位为基本空间矢量位,用于矢量PWM 输出的产生。
经实验测得PWM 基本矢量的输出分别为:0X1666:111-011-001-011-111;0X2666:111-110-010-110-111;0X3666:000-010-011-010-000;
0X4666:111-101-100-101-111;0X5666:000-001-101-001-000;0X6666:000-100-110-100-0000X9666:111-101-001-101-111;0XA666:111-011-010-011-1110XB666:000-001-011-001-000;0XC666:111-110-100-110-111;0XD666:000-100-101-100-000;0XE666:000-010-110-010-000;
AC TRA 与AC TRB 相同,但两者所用的计数器不同,分别为
T1CNT,T3CNT,不可能同时开始计数,为了消除100ns(系统时钟40MHz)的时差,在先开始计数的计数器中预先存放一个数值以
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抵消操作上的时差,使PWM1~6与PWM7~12保持同步。
在三电平逆变器中,所需要的矢量可以通过在AC TRA,AC-TRB中设置不同的值,使它们所产生不同的PWM波形来获得。假设所需要的矢量在第一区间,所选用的矢量组合为111) 211)201)200)201)211)111,由图4可推出
PWM1~6:
000)100)100)100)100)100)000
PWM7~12:
111)111)101)100)101)111)111
可以看出,PWM7~12可由第四个基本空间矢量0X4666获取,但是PWM1~6所需要的000)100)100)100)100)100) 000不在基本矢量中,不能简单地通过设置ACTRA来获取,只能通过设置ACTRA中的相关位来获取所需的矢量。仍以上述矢量组合为例,设置PWM1、3为强制低,PWM2、4为强制高,PWM5为高电平有效,即可得到输出矢量:000)100)100)100)100) 100)000。
3相关软件设置
*T1PR=TP;P*通用定时器1的周期=PWM的周期P指令周期P2*P
*T1CON=0X0802;P*设置通用定时器1为连续增减模式,以产生对称的PWM*P
*COMCONA=0X9200;P*使能PWM输出和比较动作*P
*DB TCONA=0X0FF6;P*死区产生*P
*T1CNT=0X00;P*T1的计数器清0*P
AC TRA=0Xc6cc;P*PWM输出设置*P
*AC TRB=0X4666;P*选择矢量基*P
*CMPR1=t1;*CMPR2=t1;*CMPR4=t2;*C MPR5=t3;P *比较寄存器1、2、4、5赋值
*T1CON=*T1CON|0X040;*T3C ON=*T3C ON|0X040;P *启动定时器,只启动一次
EVB的相关设置与EVA相同。
4实验结果
实验结果如图5所示,以矢量组合111)211)201)200) 201)211)111为例。经测得PWM1、3、12为低电平,PWM2、4、11为高电平,PWM6、8、10与PWM5、7、9相反,PWM5、7、9的波形如图5。
从PWM的输出(图5)和逆变器的电压输出(图6)可看出,这正是所要的电压矢量组合。图5为例中电压矢量的合成时各PWM脉冲的高低电平;图6为一个周期内分别在12个扇区用这种方法所产生的连续相电压。脉冲的周期可通过周期寄存器TxPR来调整。
因此可得出这样一个结论,采用LF2407A作为三电平逆变器的控制芯片,产生PWM
控制脉冲是可行的。
图5PWM
脉冲结果图
图6输出B-A、C-A的相电压
5结语
本文比较详细的介绍了采用TMS320LF2407A作为三电平矢量控制PWM脉冲的实现方法,以一个矢量的合成为例详细介绍了三电平控制脉冲的产生,并给出这种方法所得到的输出电压波形,为三电平逆变器控制脉冲的产生提出了新的解决途径,通过实验证实了其可行性。
6参考文献:
[1]NABAE A e t al.A New Neutral-point-cla med PWM Inverter[J]. IEEE Transactions on Industry Applications.1981.17(5);518-523
[2]韩伟,等.用三电平PWM逆变器减小逆变器输出中的共模电压[J].自动化技术与应用,2001,20(4):38-40
[3]吴学智,刘亚东,黄立培.三电平电压型逆变器空间矢量调制长算法的研究[J].电工电能新技术,2002,(10):16-19
[4]Te xas Ins truments.TMS320C2xx User.s Guide[Z],1997
作者简介:施峰(1974-),男,安徽长丰县人,硕士生,研究方向为电力电子新技术。
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