[發(fā)明專利]低載波比在線計(jì)算多模式空間矢量脈寬調(diào)制軟核

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410145537.7
• 申請(qǐng)日: 2014-04-11
• 公開（公告）號(hào): CN103956951A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋文勝;吳瑕杰;馮曉云;王順亮;葛興來
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西南交通大學(xué)
• 主分類號(hào): H02P21/00
• 分類號(hào): H02P21/00;H02P27/08
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責(zé)任公司 51200
• 代理人: 張澎

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及軌道交通、船舶制造等領(lǐng)域中由三相兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逆變器組成的大功率三相交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造。

背景技術(shù)

兩電平牽引逆變器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于交直交電力機(jī)車(動(dòng)車組)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和交直交電力機(jī)車(動(dòng)車組)的不斷普及，對(duì)牽引逆變器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能要求越來越高。異步調(diào)制(SVPWM)技術(shù)以其易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大功率三相交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)中完成逆變器的調(diào)制工作。對(duì)于大功率三相交流異步異步電機(jī)的控制而言，由于開關(guān)頻率較低，隨著逆變器輸出頻率逐漸提高，載波比減小，由異步SVPWM造成的逆變器輸出電流正負(fù)半周不對(duì)稱情況將不能被忽略，此時(shí)逆變器輸出電流容易產(chǎn)生畸變，引發(fā)較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，難以保證系統(tǒng)具有良好的控制性能。為了克服以上缺點(diǎn)，一種多模式空間矢量脈寬調(diào)制方法得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著處理器制造技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)被廣泛用于大功率三相交流異步電機(jī)的控制，針對(duì)基于單DSP的大功率三相交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)而言，由于空間矢量脈寬調(diào)制算法需要周期性地完成大量的三角函數(shù)計(jì)算，大部分芯片資源被用于空間矢量脈寬調(diào)制相關(guān)計(jì)算、PWM門控信號(hào)的產(chǎn)生等周期性事件，導(dǎo)致留給核心控制算法的資源非常有限；DSP作為順序處理器，會(huì)按照順序逐條執(zhí)行，會(huì)導(dǎo)致時(shí)間延遲的增加并造成控制系統(tǒng)性能下降。

為了克服單DSP控制系統(tǒng)的以上缺點(diǎn)，逐漸提出了基于浮點(diǎn)DSP和定點(diǎn)DSP的雙DSP控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，此類大功率三相交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)由一片浮點(diǎn)運(yùn)算DSP和一片定點(diǎn)運(yùn)算DSP組成，兩者之間依靠一片雙端口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其特點(diǎn)在于利用定點(diǎn)計(jì)算DSP完成PWM門控信號(hào)的產(chǎn)生，有效地減少了芯片資源的占用、減小了系統(tǒng)時(shí)間延遲并提高了控制系統(tǒng)的性能；浮點(diǎn)DSP仍需要完成除核心控制算法以外的空間矢量脈寬調(diào)制相關(guān)計(jì)算任務(wù)，使得核心控制算法性能受到限制且隨著調(diào)制算法的不斷改進(jìn)與復(fù)雜化，該結(jié)構(gòu)中浮點(diǎn)DSP的工作量越來越大。雖然相比單DSP結(jié)構(gòu)有了改進(jìn)，但仍存在DSP的引腳及IO資源有限，不利于向多電平結(jié)構(gòu)擴(kuò)展；利用DSP完成SVPWM所產(chǎn)生的PWM信號(hào)不易完全同步，同時(shí)存在軟硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性不足的問題。

隨著現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的不斷發(fā)展，其功能越來越強(qiáng)大，應(yīng)用也越來越廣泛。在這樣的背景下，為了克服雙DSP結(jié)構(gòu)存在的缺點(diǎn)，逐漸提出了一種基于DSP和FPGA的大功率三相交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，此類結(jié)構(gòu)由一片浮點(diǎn)運(yùn)算DSP和一片F(xiàn)PGA組成，兩者之間通過雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其特點(diǎn)在于利用FPGA完成PWM門控信號(hào)的產(chǎn)生，不僅利于向多電平拓?fù)浒l(fā)展，能夠產(chǎn)生更加精確的PWM門控信號(hào)，同時(shí)將AD等外部設(shè)備的控制放到FPGA中執(zhí)行，進(jìn)一步減輕了浮點(diǎn)DSP的工作任務(wù)。但該結(jié)構(gòu)中浮點(diǎn)DSP仍需要完成空間矢量調(diào)制的相關(guān)計(jì)算工作。

隨著調(diào)制算法復(fù)雜度不斷加大，對(duì)其性能要求越來越高，利用專用的軟核完成SVPWM相關(guān)工作以及相關(guān)外部設(shè)備的控制，不僅兼具硬件電路速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)將核心控制器(浮點(diǎn)DSP)從繁重的重復(fù)性計(jì)算中解放出來，使其更好地運(yùn)行核心控制程序。同時(shí)隨著電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)(EDA)的不斷發(fā)展，使得設(shè)計(jì)者能夠依托可編程邏輯器件(FPGA)，在電力設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)軟件平臺(tái)上利用硬件描述語言完成硬件電路的設(shè)計(jì)，并向用戶提供完成設(shè)計(jì)后的硬件電路下載文件，即軟核，極大地提高了電路設(shè)計(jì)的效率和可移植性，在硬件電路規(guī)模不斷加大的同時(shí)，使得產(chǎn)品的小型化逐步成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種適用于大功率三相交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的低載波比在線計(jì)算多模式空間矢量脈寬調(diào)制軟核，用以克服控制程序開發(fā)周期長(zhǎng)、調(diào)制算法對(duì)核心控制器資源占用量較大等技術(shù)缺點(diǎn)，并使之完成適用于大功率三相交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的低載波比在線計(jì)算多模式空間矢量脈寬調(diào)制，具有良好的調(diào)制性能，穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能良好，技術(shù)可移植性好，穩(wěn)定性和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的，所采用的方案是：