[實用新型]低載波比在線計算多模式空間矢量脈寬調制軟核

有效

• 申請號: 201420175846.4
• 申請日: 2014-04-11
• 公開（公告）號: CN203872098U
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發明（設計）人: 宋文勝;吳瑕杰;馮曉云;王順亮;葛興來
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: H02P21/00
• 分類號: H02P21/00;H02P27/08
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責任公司 51200
• 代理人: 張澎

技術領域

本實用新型涉及軌道交通、船舶制造等領域中由三相兩電平拓撲結構逆變器組成的大功率三相交流異步電機控制系統的設計與制造。

背景技術

兩電平牽引逆變器驅動系統以其結構簡單，性能可靠的優點被廣泛應用于交直交電力機車(動車組)牽引傳動系統。隨著電力電子技術的不斷發展和交直交電力機車(動車組)的不斷普及，對牽引逆變器驅動系統的性能要求越來越高。異步調制(SVPWM)技術以其易于數字化實現，電壓利用率高等優點，被廣泛應用于大功率三相交流異步電機控制系統中完成逆變器的調制工作。對于大功率三相交流異步異步電機的控制而言，由于開關頻率較低，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半周不對稱情況將不能被忽略，此時逆變器輸出電流容易產生畸變，引發較大的轉矩脈動，難以保證系統具有良好的控制性能。為了克服以上缺點，一種多模式空間矢量脈寬調制方法得到了廣泛的應用。

隨著處理器制造技術的不斷發展，數字信號處理器(DSP)被廣泛用于大功率三相交流異步電機的控制，針對基于單DSP的大功率三相交流異步電機控制系統而言，由于空間矢量脈寬調制算法需要周期性地完成大量的三角函數計算，大部分芯片資源被用于空間矢量脈寬調制相關計算、PWM門控信號的產生等周期性事件，導致留給核心控制算法的資源非常有限；DSP作為順序處理器，會按照順序逐條執行，會導致時間延遲的增加并造成控制系統性能下降。

為了克服單DSP控制系統的以上缺點，逐漸提出了基于浮點DSP和定點DSP的雙DSP控制系統結構，如圖1所示，此類大功率三相交流異步電機控制系統由一片浮點運算DSP和一片定點運算DSP組成，兩者之間依靠一片雙端口RAM進行數據交換，其特點在于利用定點計算DSP完成PWM門控信號的產生，有效地減少了芯片資源的占用、減小了系統時間延遲并提高了控制系統的性能；浮點DSP仍需要完成除核心控制算法以外的空間矢量脈寬調制相關計算任務，使得核心控制算法性能受到限制且隨著調制算法的不斷改進與復雜化，該結構中浮點DSP的工作量越來越大。雖然相比單DSP結構有了改進，但仍存在DSP的引腳及IO資源有限，不利于向多電平結構擴展；利用DSP完成SVPWM所產生的PWM信號不易完全同步，同時存在軟硬件設計復雜，系統可靠性不足的問題。

隨著現場可編程門陣列(FPGA)的不斷發展，其功能越來越強大，應用也越來越廣泛。在這樣的背景下，為了克服雙DSP結構存在的缺點，逐漸提出了一種基于DSP和FPGA的大功率三相交流異步電機控制系統結構，如圖2所示，此類結構由一片浮點運算DSP和一片FPGA組成，兩者之間通過雙口RAM進行數據交換，其特點在于利用FPGA完成PWM門控信號的產生，不僅利于向多電平拓撲發展，能夠產生更加精確的PWM門控信號，同時將AD等外部設備的控制放到FPGA中執行，進一步減輕了浮點DSP的工作任務。但該結構中浮點DSP仍需要完成空間矢量調制的相關計算工作。

隨著調制算法復雜度不斷加大，對其性能要求越來越高，利用專用的軟核完成SVPWM相關工作以及相關外部設備的控制，不僅兼具硬件電路速度快、可靠性高等優點，同時將核心控制器(浮點DSP)從繁重的重復性計算中解放出來，使其更好地運行核心控制程序。同時隨著電子設計自動化技術(EDA)的不斷發展，使得設計者能夠依托可編程邏輯器件(FPGA)，在電力設計自動化(EDA)軟件平臺上利用硬件描述語言完成硬件電路的設計，并向用戶提供完成設計后的硬件電路下載文件，即軟核，極大地提高了電路設計的效率和可移植性，在硬件電路規模不斷加大的同時，使得產品的小型化逐步成為一種發展趨勢。

實用新型內容

本實用新型的目的是提供一種適用于大功率三相交流異步電機控制系統的低載波比在線計算多模式空間矢量脈寬調制軟核，用以克服控制程序開發周期長、調制算法對核心控制器資源占用量較大等技術缺點，并使之完成適用于大功率三相交流異步電機控制系統的低載波比在線計算多模式空間矢量脈寬調制，具有良好的調制性能，穩態與動態性能良好，技術可移植性好，穩定性和抗干擾能力強的優點。

本實用新型為實現其實用新型目的，所采用的方案是：