基於dsp和cpld的逆變器驅動裝置的製作方法

2023-06-02 01:12:06

專利名稱：基於dsp和cpld的逆變器驅動裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及多電平逆變器驅動裝置，具體涉及一種用嵌入式微處理器DSP作為控 制電路，用複雜可編程邏輯器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)作為驅動電 路，即基於CPLD技術，利用電流偏差矢量(電流偏差變化率矢量)空間分布來給出最佳的 電壓矢量切換，使電流偏差控制在滯環寬度以內，來實現逆變電路驅動信號。本裝置可以用 於無功補償、有源濾波、開關電源、電機轉速控制、逆變器、超聲波發生器、充電器等領域。
背景技術：
近年來，以逆變電路為核心的變頻技術不斷提高，變頻技術應用的增多，在節約能 源、提高產品質量和發展生產等方面起到了重要作用。逆變電路必須由驅動信號進行控制， 隨著工藝複雜性提高，往往要求驅動信號的控制精度要高且實時性要強，並且要降低控制 器軟體複雜程度。NPC三電平逆變器的控制方法主要有正弦載波PWM(SPWM)和空間電壓矢量 PWM(SVPWM)。SVPWM以其直流電壓利用率高，易於數位化實現而得到廣泛的應用。目前，科研工作者對NPC三電平逆變器的SVPWM算法提出了很多實現方案。但大 多採用單個DSP來完成整個控制算法，使得DSP的程序複雜和混亂，同時由於三電平逆變器 需要12路PWM信號，而DSP的兩個事件管理器不能做到完全同步，導致同相的功率器件不 能完全同步觸發，對逆變器的性能造成嚴重影響，並且受DSP的PWM信號數目的限制，不能 擴展到更多電平的逆變器控制。利用微處理器(DSP)的電壓空間矢量脈寬調製(SVPWM)功能雖然可以實現逆變電 路驅動信號的輸出，但是微處理器的軟體複雜度較大，系統響應的快速性低，通常都會影響 到輸出的逆變電路驅動信號，而且也不能夠保證控制精度與實時性。因此本發明提出一種基於DSP和複雜可編程邏輯器件 CPLD(ComplicatedProgrammed Logic Device)逆變器的驅動裝置，該平臺採用DSP完成 SVPWM算法中的主要數據處理和外部控制功能，利用CPLD實現滯環電流控制的SVPWM逆變 器驅動波形的發生。

發明內容
為了解決上述技術問題，本發明提出一種基於DSP和CPLD的逆變器驅動裝置，用 CPLD技術實現了基於滯環電流控制的SVPWM。所需驅動信號的電流跟蹤比較信號和指定電 壓矢量等參數由CPLD提供。將電流跟蹤電路和三相電壓調理電路產生的信號通過接口發 送到CPLD中，經CPLD進行滯環電流控制的SVPWM的邏輯運算，產生逆變電路的驅動控制信號。基於DSP和CPLD的逆變器驅動裝置，包括嵌入式微處理器DSP和CPLD驅動電路， 所述逆變器驅動裝置還包括一路A相電壓過零檢測電路，用於檢測電網基波過零信號；
一路CAN通信電路，接收上位機的指令，包括指令電流；三路霍爾電壓傳感器電路，用於檢測三相電路的相電壓；三路霍爾電流傳感器電路，用於檢測三相電路補償電流，即三相逆變器輸出電 流；三路D/A轉換電路，DSP將接受到的指令電流，通過瞬時無功理論算法，發送三路 數字指令電流信號，由D/A裝換電路轉換為三路相差120°且與補償電流同頻的模擬指令 電流信號；三路補償電流調理電路，將三路霍爾電流傳感器電路檢測到的三相補償電流(三 相功率變換器輸出電流)調理為適當的補償電流信號；三路電流跟蹤電路，將三路模擬指令電流信號與三相補償電流(三相功率變換器 輸出電流)調理電路產生的電流就行比較，得到三路電流跟蹤比較信號；三路矢量電壓調理電路，將三路霍爾電壓傳感器電路檢測到的相電壓調理為矢量 電壓所在區域的信號；所述CPLD驅動電路包括滯緩延時電路、Δ i。區域判定的邏輯、U;區域判定的邏輯 電路和空間矢量選擇器；霍爾電壓傳感器檢測到的三相系統電壓經a相電壓過零檢測電路，得到的電網基 波過零信號與上位機通信電路發出的信息經DSP電路進行處理，發出數字指令電流信號， 再經過D/A轉換電路得到三路相差120°且與補償電流(功率變換器的輸出電流)同頻的 模擬指令電流信號，模擬指令電流信號輸入電流跟蹤電路；霍爾電流傳感器檢測到的由電 力電子器件組成的單三相功率變換器中輸出的三相電流，該電流作為補償電流經補償電流 調理電路輸入信號，再經電流跟蹤電路與模擬指令電流信號進行比較，比較結果進入滯環 延時電路得到邏輯變量，邏輯變量進入△ i。區域判定的邏輯電路；三相系統電壓經矢量電 壓調理電路得到的矢量&進入『區域判定的邏輯電路；Δ i。區域判定的邏輯電路；區 域判定的邏輯電路兩個區域判定的邏輯輸出共同進入空間矢量選擇器，得到滯環SVPWM電 流控制的開關函數邏輯變量，輸出跟蹤驅動控制信號，即六路開關管PWM信號。作為本發明的進一步改進，所述逆變器驅動裝置還包括調理比較電路，該電路將 三路霍爾電流傳感器電路檢測的三相補償電流(三相功率變換器輸出電流)進行調理比較 得到過流信號；所述CPLD內還是有三組保護與封鎖電路，把3組方波信號轉換成已插入死區的 6個互補的驅動控制信號；同時引入過流信號，當逆變主電路發生過流時，產生脈衝封鎖信 號，關斷6個互補的驅動控制信號，從而實現主電路的保護；所述空間矢量選擇器的輸出信號與調理比較電路輸出的過流信號以及保護控制 信號共同進入保護與封鎖電路，得到輸出跟蹤驅動控制信號，即六路開關管PWM信號；當逆 變主電路發生過流時，產生脈衝封鎖信號，關斷6個互補的驅動控制信號，從而實現主電路 的保護。本發明中嵌入式微處理器DSP的控制電路以及CPLD的邏輯運算是整個系統的核 心，實現對逆變控制電路的驅動控制。本發明公開了一種逆變器驅動電路，可以滿足生產設備不斷提高的的複雜度要 求，又可以快速、靈活、準確地控制逆變電路的驅動控制信號輸出跟蹤驅動控制信號。為了達到驅動逆變橋的目的，電路具有六路互補輸出功能，並且加入了必要的死區插入及封鎖 脈衝等保護電路。


圖1是本發明的總體結構框圖。
圖2是本發明的a相電壓過零檢測電路。
圖3a是本發明的微處理器最小系統接口圖。
圖3b是本發明的微處理器最小系統CPU圖。
圖4是本發明的CAN通信電路。
圖5是本發明的D/A轉換電路。
圖6是本發明的補償電流(功率變換器輸出電流)調理電路。
圖7是本發明的電流跟蹤電路。
圖8是本發明的矢量電壓調理電路。
圖9是本發明的補償電流(功率變換器輸出電流)調理比較電路。
圖10是本發明的單橋臂滯環延時電路。
圖11是本發明的Δ i。區域判定的邏輯電路。
圖12是本發明的『區域判定的邏輯電路。
圖13是本發明的SVPWM矢量選擇器電路。
圖14是本發明的三相橋逆變器PWM驅動信號分配及保護電路。
圖15是本發明的滯環電流跟蹤型SVPWM發生電路的時序邏輯仿真。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例做進一步說明。 如圖1所示，基於DSP和CPLD的逆變器驅動裝置，包括微處理器DSP3和CPLD驅 動電路10，逆變器驅動裝置中還包括一路A相電壓過零檢測電路2，用於檢測電網基波過零信號；一路CAN通信電路4，接收上位機的指令，包括指令電流；三路霍爾電壓傳感器電路，用於檢測三相電路的相電壓；三路霍爾電流傳感器電路，用於檢測三相電路補償電流，即三相逆變器輸出電 流；三路D/A轉換電路5，DSP 3將接受到的指令電流，通過瞬時無功理論算法，發送三 路數字指令電流信號，由D/A裝換電路5轉換為三路相差120°且與補償電流同頻的模擬指 令電流信號；三路補償電流調理電路6，將三路霍爾電流傳感器電路檢測到的三相補償電流 (三相功率變換器輸出電流)調理為適當的補償電流信號；三路電流跟蹤電路7，將三路模擬指令電流信號與三相補償電流(三相功率變換 器輸出電流)調理電路產生的電流就行比較，得到三路電流跟蹤比較信號；三路矢量電壓調理電路8，將三路霍爾電壓傳感器電路檢測到的相電壓調理為矢 量電壓所在區域的信號；
6
CPLD驅動電路10包括滯緩延時電路101、Δ i。區域判定的邏輯電路102、％'區域 判定的邏輯電路103、空間矢量選擇器104和保護和封鎖電路105 ；調理比較電路9，將三路霍爾電流傳感器電路檢測的三相補償電流(三相功率變 換器輸出電流)進行調理比較得到過流信號；霍爾電壓傳感器檢測到的三相系統電壓經a相電壓過零檢測電路2，得到的電網 基波過零信號與上位機通信4發出的信息經微處理器DSP 3(採用TMS320F2812)進行處 理，發出數字指令電流信號，再經過D/A5轉換電路AD78415得到三路相差120°且與補償電 流(功率變換器輸出電流)同頻的模擬指令電流信號；霍爾電流傳感器檢測到的由電力電 子器件組成的單三相功率變換器中輸出的三相電流，該電流作為補償電流經補償電流調理 電路6輸入信號，再與模擬指令電流信號經電流跟蹤電路7輸出進行比較，比較結果進入滯 環延時101得到的邏輯變量，結果進入Aie區域判定的邏輯102。三相系統電壓經矢量電 壓調理電路8得到矢量Wt；，結果進入區域判定的邏輯103。兩個區域判定的邏輯輸出共同 進入空間矢量選擇器104，得到滯環SVPWM電流控制的開關函數邏輯變量，再與補償電流經 補償電流調理比較電路9形成的過流信號，共同進入保護與封鎖電路105，得到迅速、靈活、 準確的輸出跟蹤驅動控制信號，即六路開關管PWM信號。圖2是本發明的a相電壓過零檢測電路。輸入端為經過霍爾電壓傳感器變送 後的網側相電壓信號LEM_ua，它通過I/V變換、電壓跟隨、低通濾波(抑制網側電壓畸變 的影響)、過零比較，得到輸出幅值為3. 3V的電網基波過零信號CRSZAIN，進入微處理器 DSP (TMS320F2812)電路CAP 口，形成捕捉信號。圖3a是本發明的微處理器最小系統接口電路。該電路由嵌入式微處理器最小 系統、復位電路和通信接口電路組成。如圖3b，嵌入式微處理器最小系統採用TI公司的 DSP (TMS320F2812)作為中央CPU，該處理器是TI最新推出的32位新型DSP，該單片機片內 資源豐富、功能特別強大。片內512個RAM字節，程序和重要的數據可以存放在片內的32K 字節的FLASH中，PTA、PTB、PTC、PTD和PTE的所有管腳均可以定義為輸入或輸出口，通過復 用方式，PTB 口可以定義為A/D接口，PTE 口可以定義為SCI方式，同時通過鎖相環技術使總 線時鐘速率高達8M，最小指令周期128ns。這些形成整個系統的控制和測量中心。圖4是本發明的CAN通信電路。圖中3. 3V系列的CAN收發器SN65HVD230D是驅動 CAN控制器和物理總線間的接口，提供對總線的差動發送和接收功能，電阻R12，R13和R14 作為CAN終端和傳輸線路的匹配電阻。為了進一步提高系統的抗幹擾能力，在CAN控制器 引腳CANTX，CANRX和收發器之間採用高速光耦6W37構成隔離以實現總線上各節點的電氣 隔離。這部分電路增加了節點的複雜性，但它卻提高了節點的穩定性和安全性。圖5是本發明的D/A轉換電路。AD7841採用雙緩衝數據鎖存方式(地址線A3控 制鎖存腳LDAC)，5V的數據接口電壓(兼容DSP的3. 3V電平)，由士 15V雙轉換電源供電， 參考電壓範圍為士 5V，輸出電壓範圍為士 10V。F2812的片選信號XZCS0AND1控制AD7841 的片選信號CS，將其映射在F2812的ZoneO外部地址空間區，地址線AO A2作為8個數 據通道的地址選擇，則AD7841數據通道的地址範圍為0x00 2000 0x00 2007。電壓型8 通道的同步/異步輸出滿足VOTT = 2X (VeefH + [Veef(+)-VeefH] XD)-Vdutgnd,典型轉換時間約 31 μ S。顯然，該晶片可以滿足系統計算精度和響應速度的要求。圖6是本發明的三路補償電流(功率變換器輸出電流)調理電路中的一路。輸入端為經過霍爾電流傳感器變送後的網側相電流信號LEM_iLa，它通過電壓跟隨、低通濾波、 電壓提升(形成單極性電壓)、比例變換、3V限幅鉗位電路後，輸出為IA_AD，即LEM_ica。圖7為本發明的三路電流跟蹤電路的一路。橋臂補償電流的反饋量經補償電流 調理電路6，其輸出信號LEMjca和指令電流由D/A轉換電路AD78415形成的模擬信號 DSPDAIA(雙極性)經過標度變換後，進行雙極性比較，再通過吸收、整形和分壓電路，輸出 幅值為3. 3V的電流跟蹤比較信號IDIVA，進入滯環延時101。圖8是本發明三路矢量電壓調理電路中的一路。輸入端為經過霍爾電壓傳感器變 送後的網側相電壓信號LEM_ua，它通過電壓跟隨、低通濾波、比例變換後，得到0C_ca，同理 可以得到0C_cb和0C_cc兩個信號，將它們兩兩通過LEM339進行比較，得到矢量We*的所在 區域，即信號XAB、XBC、XCA三個信號，其關係如下。
Xab =Sgn (Mco*-Wc;)Xic = sgn(mc；-Mc;) ，fi, χ>0 Xco=sgn(Mce*-Mc；) Sgn(x) = {o, x<0圖9是本發明三路補償電流(功率變換器輸出電流)調理比較電路中的一路。IA_ AD經過精密整流電路得到0CA，同樣還有OCB和OCC兩個信號，再與一個基準電壓一起進入 U2，即在LM339AM(14)中進行比較，得到輸出信號IAGL、IBGL、ICGL的高低電平，即為過流信號。圖10為本發明的單橋臂(a相)數字滯環延時電路。CLK為計數時鐘，IDIVA為 a相電流跟蹤比較信號，通過自復位計數器和單穩觸發電路輸出所需的滯環延時比較信號 dlaya，進而得到邏輯變量Ba、Bb、Be。Δ i。區域判據
權利要求
基於DSP和CPLD的逆變器驅動裝置，包括嵌入式微處理器DSP(3)和CPLD驅動電路(10)，其特徵是，所述逆變器驅動裝置中還包括一路A相電壓過零檢測電路(2)，用於檢測電網基波過零信號；一路CAN通信電路(4)，接收上位機的指令，包括指令電流；三路霍爾電壓傳感器電路，用於檢測三相電路的相電壓；三路霍爾電流傳感器電路，用於檢測三相電路補償電流，即三相逆變器輸出電流；三路D/A轉換電路(5)，DSP電路(3)將接受到的指令電流，通過瞬時無功理論算法，發送三路數字指令電流信號，由D/A裝換電路(5)轉換為三路相差120°且與補償電流同頻的模擬指令電流信號；三路補償電流調理電路(6)，將三路霍爾電流傳感器電路檢測到的三相補償電流調理為適當的補償電流信號；三路電流跟蹤電路(7)，將三路模擬指令電流信號與三相補償電流調理電路產生的電流就行比較，得到三路電流跟蹤比較信號；三路矢量電壓調理電路(8)，將三路霍爾電壓傳感器電路檢測到的相電壓調理為矢量電壓所在區域的信號；CPLD驅動電路(10)包括滯緩延時電路(101)、Δic區域判定的邏輯電路102、uc＊區域判定的邏輯電路(103)、空間矢量選擇器(104)和保護和封鎖電路(105)；霍爾電壓傳感器檢測到的三相系統電壓經a相電壓過零檢測電路(2)，得到電網基波過零信號與上位機通信(4)發出的信息內容，經DSP電路(3)發送數字指令電流信號，再經過D/A轉換電路(5)得到三路相差120°且與補償電流同頻的模擬指令電流信號，模擬指令電流信號輸入電流跟蹤電路(7)；霍爾電流傳感器檢測到的由電力電子器件組成的單三相功率變換器中輸出的三相電流，該電流作為補償電流經補償電流調理電路(6)輸入信號，再與模擬指令電流信號經電流跟蹤電路(7)進行比較後輸出，比較結果進入滯環延時(101)得到的邏輯變量，結果進入Δic區域判定的邏輯電路(102)三相系統電壓經矢量電壓調理電路(8)得到矢量uc＊，結果進入uc＊區域判定的邏輯電路(103)；Δic區域判定的邏輯電路(102)和uc＊區域判定的邏輯電路(103)兩個區域判定的邏輯輸出共同進入空間矢量選擇器(104)，得到六路開關管PWM信號。
2.根據權利要求1所述的基於DSP和CPLD的逆變器驅動裝置，其特徵在於，所述 CPLD(IO)驅動電路採用 EPM7128SLC。
3.根據權利要求1所述的基於DSP和CPLD的逆變器驅動裝置，其特徵在於，所述嵌入 式微處理器DSP(3)採用TMS320F2812。
4.根據權利要求1所述的基於DSP和CPLD的逆變器驅動裝置，其特徵在於，所述逆變 器還包括調理比較電路(9)，該電路將三路霍爾電流傳感器電路檢測的三相補償電流進行 調理比較得到過流信號；所述CPLD內還是有三組保護與封鎖電路，把3組方波信號轉換成已插入死區的6個互 補的驅動控制信號；同時引入過流信號，當逆變主電路發生過流時，產生脈衝封鎖信號，關 斷6個互補的驅動控制信號，從而實現主電路的保護；所述空間矢量選擇器(104)得到的滯環SVPWM電流控制的開關函數邏輯變量，再與過 流信號、保護信號共同進入保護與封鎖電路(105)，形成6路SVPWM開關信號。
5.根據權利要求1所述的基於DSP和CPLD的逆變器驅動裝置，其特徵在於，所述三 路補償電流調理電路中，每一路的輸入端為經過霍爾電流傳感器變送後的三相補償電流信 號，它通過電壓跟隨、低通濾波、電壓提升、比例變換、3V限幅鉗位電路後輸出。
全文摘要
基於DSP和CPLD的逆變器驅動裝置，包括嵌入式微處理器DSP和CPLD驅動電路，一路A相電壓過零檢測電路，一路CAN通信電路，三路霍爾電壓傳感器電路，三路霍爾電流傳感器電路，三路D/A轉換電路，DSP電路發送三路數字指令電流信號，由D/A裝換電路轉換為三路相差120°且與補償電流同頻的模擬指令電流信號；三路補償電流調理電路，將三路霍爾電流傳感器電路檢測到的三相補償電流調理為適當的補償電流信號；三路電流跟蹤電路，將三路模擬指令電流信號與三相補償電流調理電路產生的電流就行比較，得到三路電流跟蹤比較信號；三路矢量電壓調理電路，將三路霍爾電壓傳感器電路檢測到的相電壓調理為矢量電壓所在區域的信號。
文檔編號H02M7/48GK101986545SQ201010170820
公開日2011年3月16日 申請日期2010年5月13日 優先權日2010年5月13日
發明者孫玉坤, 孫運全, 尹強, 茅靖峰 申請人:江蘇大學