一种基于FPGA的三电平原理及实现方式

摘要：针对两电平DSP2407控制板在三电平逆变器控制中资源不足的问题，在不改变原有成熟算法和硬件的基础上，提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的三电平实现方法。采用FPGA构造了三电平脉宽调制(PWM)IP核，包含三电平调制策略、驱动脉冲分配和保护、死区补偿、零序电压注入、中点电压平衡控制及阻尼振荡抑制算法等功能，并解决了DSP与FPGA的同步问题。基于FPGA和DSP构建一个三电平逆变器硬件平台，在一台30 kW三相异步电机上完成了相关实验。实验结果验证了该方法的可行性和正确性，为两电平调速算法拓展到三电平应用场合提供了一种简单通用的实现方式。
关键词：三电平；现场可编程门阵列；死区补偿；阻尼振荡

1 引言
三电平拓扑结构具有输出容量大、输出电压高、电流谐波含量小等优点，使得该结构在高压大功率交流电机变频调速领域得到广泛应用。目前，在1～4 kV电压等级的电机调速中，应用最广泛的是中点箝位三电平逆变器。在变频调速控制系统中，基本的调速理论是相同的，区别就在于不同的拓扑结构所带来的特殊性，如PWM策略、驱动脉冲的分配、中点电位平衡控制等。
随着微电子技术和EDA技术的快速发展，应用硬件的并行性实现一些复杂算法是近几年兴起的一种全新的设计思想。
针对两电平电压源型变频器已实现产品化的情况，在不改变原有两电平调速算法的前提下，提出一种将原两电平控制板扩展为三电平控制板的FPGA实现方法，构造了三电平PWM IP核。利用硬件语言并行执行的快速性，实现了三电平调制策略、驱动脉冲分配和保护、死区补偿算法、零序电压注入、中点电压平衡控制算法、阻尼振荡抑制算法等功能，是一种简单、快速且节约成本的方法。

2 控制系统整体功能描述
图1为DSP与FPGA的控制系统整体功能描述框图。如图1所示，DSP完成原有两电平调速控制算法，将得到的两相静止坐标下电压参考值uα
和uβ通过数据总线传给FPGA中相应的寄存器。FPGA中，uα和uβ经2s／3s变换为a，b，c坐标系中的三相调制电压uas，ubs和ucs。为提高SPWM中较低的电压利用率，在原调制波中注入了三电平零序电压；为克服三电平拓扑结构固有的中点不平衡问题，加入了中点平衡算法；为解决空载V／F控制下逆变器输出电流波形在某一频段振荡，加入了阻尼振荡抑制算法；为降低低频下死区时间对输出电流波形造成的影响，加入了死区补偿算法。最后得到的调制波，经PWM发生器，加入死区后形成a，b，c三相的12路PWM驱动信号。FPGA中载波周期和死区时间都有对应的寄存器，可通过DSP按需更改。各算法模块也由DSP单独控制，根据电机运行条件部分或全部使能。

2．1 电压利用率
为提高直流母线电压利用率，采用SPWM+零序电压注入(与SVPWM等效)的方法。调制度m定义为调制波幅值与载波幅值的比。在线性调制区内，m=1．154时，电压利用率达到100％。
区别于两电平的零序电压计算方法(在两电平中，Uz=-(Umax+Umin)／2)，利用VHDL语言编写了适用于三电平的零序电压算法：

模块fangxiang用于判断三相参考电压的异号相及大小顺序，模块zero和除法器根据三电平的零序电压算法输出零序电压分量。
2．2 死区补偿算法
死区补偿算法主要包括补偿死区时间、IGBT开通和关断延时、IGBT及续流二极管的管压降等。在此采用了三电平逆变器的死区补偿算法，根据伏秒特性，分别从死区时间和管压降两方面对死区时间进行补偿。
省略具体推导过程得出a，b，c相补偿时间为：

式中：Td为死区时间；Ton为开通时间；Toff为关断时间；ias为三相电流；Ts为开关周期，Udc为直流母线电压；k为根据不同扇区得到的系数。
利用VHDL语言编写了死区补偿模块。