1 引言
隨著電力電子技術(shù)和電力半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展,，中壓大功率傳動(dòng)設(shè)備不僅提高了資源的利用率，同時(shí)還降低了生產(chǎn)的成本,，雖然其電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟,，但多電平技術(shù)的研究仍備受大家的關(guān)注。多電平技術(shù)避免了器件的直接串聯(lián),，具有輸出電壓高,，諧波含量低，電壓變化率小,，開(kāi)關(guān)頻率低等優(yōu)點(diǎn),。多電平技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)大量的SPWM控制信號(hào)。
SPWM法是一種比較成熟的,，目前使用較廣泛的PWM法,。前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同,。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等,，通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值,。
2 總體設(shè)計(jì)方案
2.1單元串聯(lián)多電平變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)介紹
單元串聯(lián)多電平變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于模塊化,，可以根據(jù)系統(tǒng)對(duì)輸出電壓,、電平數(shù)的要求確定功率單元的級(jí)數(shù)。如圖1所示,，七電平H橋串聯(lián)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,，其單相電壓是由三個(gè)功率單元組成，每個(gè)功率單元均為H橋逆變電路結(jié)構(gòu),，輸出端依次串聯(lián)在一起，并利用SPWM信號(hào)控制功率單元中開(kāi)關(guān)器件的通與斷,。
2.2載波移相控制理論
一般來(lái)說(shuō),，N電平的逆變器調(diào)制，需要N-1個(gè)三角載波,。移相載波調(diào)制法中,，所有三角波均具有相同的頻率和幅值,，但是任意兩個(gè)相鄰載波的相位要有一定的相移，其值為
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通過(guò)調(diào)制波和載波的比較,，可以產(chǎn)生所需要的開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
但在數(shù)字化實(shí)現(xiàn)中,，載波移相法一般不是由一個(gè)調(diào)制波和一組經(jīng)過(guò)相移的載波比較生成,，而是由調(diào)制波和一個(gè)載波進(jìn)行比較之后，再進(jìn)行一定的延時(shí)得到各個(gè)功率單元的SPWM控制信號(hào),。
采用DSP+CPLD來(lái)完成多路SPWM控制信號(hào)的實(shí)現(xiàn),。其中由DSP控制器實(shí)現(xiàn)單相電壓中的第一級(jí)功率單元兩橋臂控制信號(hào)，并由CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)這兩路控制信號(hào)的移相延時(shí),，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單相電壓中各個(gè)功率單元的SPWM控制信號(hào),。系統(tǒng)原理框圖如下圖2所示
3 DSP控制部分
DSP控制部分主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)單相電壓中第一級(jí)功率單元的兩路控制信號(hào)。如圖3所示,，這兩路控制信號(hào)分別控制左橋臂Q1和右橋臂Q3兩開(kāi)關(guān)器件的通與斷,，Q2和Q4控制信號(hào)分別為Q1和Q3信號(hào)的互補(bǔ)信號(hào)，Q1和Q2,、Q3和Q4信號(hào)間需要增加一定的死區(qū)延時(shí)時(shí)間,。
功率單元左橋臂Q1的控制信號(hào)當(dāng)參考波大于載波時(shí)，輸出高電平,，Q1導(dǎo)通,，Q2截止；反之,，輸出低電平,，Q1截止，Q2導(dǎo)通,。Q1信號(hào)取反后得到Q2信號(hào),。左橋臂Q3的控制信號(hào)由互差180的三角載波與參考波比較得到，當(dāng)參考波大于載波時(shí),，輸出高電平,，Q3導(dǎo)通，Q4截止,；反之,，輸出低電平，Q3截止,，Q4導(dǎo)通,。Q3信號(hào)取反后得到Q4信號(hào)。載波與參考波的比較過(guò)程參考圖4,，兩橋臂控制信號(hào)的實(shí)測(cè)波形如圖5,。
對(duì)以上內(nèi)容的分析,，在本系統(tǒng)中采用了DSP TMS320F2812作為該部分的控制核心其內(nèi)核為32位，運(yùn)行速度可以達(dá)到150MIPS,，同時(shí)其有6路獨(dú)立的PWM輸出,、2個(gè)異步串行通訊口、16通道12位AD輸入,，內(nèi)置了36K的RAM和256K的Flash存儲(chǔ)器,，在主控制電路中，只需要在該DSP的基礎(chǔ)上配合一些簡(jiǎn)單的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)所需的6路SPWM控制信號(hào),。
4 CPLD控制部分
CPLD控制部分主要任務(wù)是對(duì)第一級(jí)功率單元H橋左,、右橋臂控制信號(hào)進(jìn)行移相，進(jìn)而得到以后各級(jí)功率單元的左,、右橋臂的控制信號(hào),。該部分設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是信號(hào)的邊沿檢測(cè)和移相延時(shí)兩部分。如下圖6所示,，首先,，CPLD對(duì)SPWM進(jìn)行邊沿信號(hào)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到上升沿（或下降沿）到來(lái)后,，再進(jìn)行Td時(shí)間的延時(shí),，最后輸出置1（或0）。
邊沿信號(hào)檢測(cè)可以利用邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器去檢測(cè)上升沿或下降沿,，但是這種方式對(duì)于邊沿的檢測(cè)過(guò)于敏感,，系統(tǒng)中的一個(gè)尖峰干擾將會(huì)導(dǎo)致邊沿檢測(cè)的誤判，我們進(jìn)行多次采樣,，比較前后幾次采樣的結(jié)果,，再來(lái)判別邊沿是否到來(lái)。
移相延時(shí)部分最重要的是對(duì)延時(shí)時(shí)間的選擇,，延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)或短都會(huì)影響到系統(tǒng)的性能,，本設(shè)計(jì)中，第二級(jí)功率單元的延時(shí)時(shí)間根據(jù)公式（2）計(jì)算得到：
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其中,， 為三角載波頻率，N為逆變器輸出電平數(shù),。
經(jīng)過(guò)CPLD移相后,，A相三個(gè)功率單元的左橋臂控制信號(hào)如下圖7所示，第一級(jí)功率單元的輸出如圖8,，圖9是A相三個(gè)功率單元輸出疊加后的波形,。
利用DSP和CPLD相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)載波移相多電平PWM，使單元級(jí)聯(lián)型多電平技術(shù)變得更加模塊化,，同時(shí)使產(chǎn)品的升級(jí)變得更簡(jiǎn)單化,。不需要改變DSP中的程序，也不需要改變DSP部分的硬件電路設(shè)計(jì),，只需要改變CPLD中Td的時(shí)間,，并相應(yīng)的增加兩路輸出即可。
5 總結(jié)
多電平技術(shù)的發(fā)展,，需要能夠產(chǎn)生大量的PWM信號(hào)的控制器,，但傳統(tǒng)的控制器只能提供6路PWM信號(hào)，遠(yuǎn)不能滿足要求,，仍需要更改大量的代碼,，進(jìn)行長(zhǎng)期的調(diào)試等等，延長(zhǎng)了產(chǎn)品上市的時(shí)間,。為此本文設(shè)計(jì)了基于DSP+CPLD的載波移相多電平PWM實(shí)現(xiàn)的方案,，該方案不僅可以輸出18路PWM信號(hào)，而且稍加修改便可以輸出24路,、36路等更多路PWM信號(hào),。