李楊

中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司 遼寧 大連 116052

本研究基于SHEPWM的多模式調(diào)試算法、FPGA的設(shè)計(jì)方案，分析SHEPWM的多模式調(diào)試原理，提出了多模式調(diào)制算法，并對(duì)該算法進(jìn)行仿真研究。

1 同步調(diào)制算法

SHEPWM基于已知開關(guān)角個(gè)數(shù)，針對(duì)逆變器輸出電壓的波形開展傅里葉分析，并在滿足基波復(fù)制的基礎(chǔ)上將某特定次數(shù)選擇性的消除，同時(shí)對(duì)于開關(guān)角度進(jìn)行求解[1]。

2 分段同步調(diào)制算法

由于列車組牽引變流器所具有的調(diào)速范圍寬、開關(guān)頻率低的特點(diǎn)，所以本研究采用多模式優(yōu)化SHEPWM調(diào)制。其中，在異步調(diào)制算法實(shí)施在低速段、基于SHEPWM的分段同步調(diào)制算法則應(yīng)用在中速段、高速段則采用防波控制。

2.1 劃分調(diào)制模式

開關(guān)功率器件在散熱性能、功率要求、體積以及開關(guān)頻率等方面的局限性。在本研究中，設(shè)置異步調(diào)制的開關(guān)頻率為450赫茲，而最大開關(guān)頻率不能超出450赫茲。

2.2 切換算法設(shè)計(jì)

列車在全速域多模式SHEPWM下，需要來回切換不同調(diào)制模式。而工作頻率以及開關(guān)作用順序之間并不相同，所以在對(duì)于不同調(diào)整模式進(jìn)行反復(fù)的切換過程中，隨著調(diào)制模式的不同，定子電壓電流諧波分量將會(huì)逐漸改變，但是這將會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩突變，對(duì)于電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性造成影響。因此，得到更為適合的切換方案成為平穩(wěn)切換個(gè)模式的關(guān)鍵所在。

要想避免切換時(shí)，電機(jī)諧波電流發(fā)生突變、轉(zhuǎn)矩沖擊等問題，那么在對(duì)于模式調(diào)制過程中，需要基于理論分析來修正調(diào)制模式切換點(diǎn)。本研究在某相電壓角度90°時(shí)，進(jìn)行三項(xiàng)脈沖調(diào)制模式，并進(jìn)行其切換[2]。

3 基于FPGA的實(shí)現(xiàn)方案

為了能夠有效處理切換不同調(diào)制模式，保障平滑過渡，本研究采用FPGA來設(shè)計(jì)多模式調(diào)制算法，方案如下：

3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

通過FPGA作為控制器，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)全速域分段同步調(diào)制算法。基于FPGA來生成控制脈沖，使FPGA、DSP兩者之間進(jìn)行共同工作，而FPGA、DSP利用數(shù)據(jù)總線開展信息交互。其中，F(xiàn)PGA主要是負(fù)責(zé)接收DSP的信息，生成逆變器相橋臂PWM，從而控制信號(hào)，最后DSP將會(huì)接收到調(diào)制相關(guān)的信息，并開行電機(jī)控制。

FPGA還必須要實(shí)現(xiàn)分段同步調(diào)制、異步調(diào)制、調(diào)制模式切換、確定調(diào)制模式、控制指令接收、反饋調(diào)制信息等眾多功能。如下圖一所示為FPGA、DSP架構(gòu)脈沖生成的總體功能。

圖1 脈沖生成圖

3.2 FPGA頂層設(shè)計(jì)

基于特定次諧波，在FPGA中實(shí)現(xiàn)消除全速域分段同步調(diào)制算法。而FPGA算法程序設(shè)計(jì)中，選擇分段同步調(diào)制模塊、判斷模塊、脈沖產(chǎn)生模塊等眾多模塊為模塊涵蓋逆變器狀態(tài)。但是，模塊之間的配合非常重要，模塊有效配合可以實(shí)現(xiàn)全速域調(diào)制算法，并且是多種模式。而分段同步調(diào)制模塊的功能體現(xiàn)在：用于實(shí)現(xiàn)SHEPWM算法，其可以根據(jù)調(diào)制模式、調(diào)制度等，對(duì)于調(diào)制脈沖開關(guān)角進(jìn)行查表確定，同時(shí)采集相位數(shù)據(jù)，并分別產(chǎn)生三相脈沖。

逆變器狀態(tài)要選擇判斷模塊的目的主要是為了可以選擇不同算法調(diào)制模式，并切換不同模式，以此來實(shí)現(xiàn)各調(diào)制模式的切換。

3.3 FPGA與DSP通信

FPGA、DSP之間必須要設(shè)置通信總線接口，并且需要基于DSP來實(shí)現(xiàn)XINTF外設(shè)接口，從而進(jìn)行通信總線。DSP對(duì)于該總線進(jìn)行訪問，要求FPGA中擁有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。DSP可以利用總線，在FPGA存儲(chǔ)器中寫入?yún)?shù)信息，并在儲(chǔ)存器內(nèi)讀取反饋。

4 模式切換性能的測(cè)試

將不同的調(diào)制模式在進(jìn)行切換時(shí)的電機(jī)A相與B相定子電流、切換信號(hào)以及A項(xiàng)開關(guān)信號(hào)捕捉下來，可以在某項(xiàng)相位為90°的情況下，發(fā)送切換信號(hào)，而各種信號(hào)在進(jìn)行快速切換的過程中，能夠有效實(shí)現(xiàn)平滑切換，具有良好的切換效果。

5 結(jié)束語

綜上所述，通過對(duì)兩電平牽引逆變器進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)FPGA的牽引逆變器多模式調(diào)制算法，后測(cè)試了其模式切換性能，有效論證了該算法的作用。