1 无开路保护LED 驱动器高压升压转换器结构-高亮度LED驱动的开...

吴起行+陈鸿祺+刘哲纬

摘 要： 电流源逆变器（CSI）随着反阻断IGBT器件的成功开发，在电动汽车等大功率变频调速领域前景广大。FPGA作为控制器，其时序控制能力强大，适合用来实现基于电流型空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术的永磁同步电机（PMSM）变频驱动器。该系统通过采用最小直流链电流命令产生法和合理的死区开关状态设置，有效减小直流和开关损耗。系统为应对开路故障引起直流链电感产生瞬间高压打坏开关器件的现象，设置由双向TVS管和功率电阻构成的电感电压箝位环节，并监测直流链电流值，一旦低于限值则实现保护性停机。实际系统使用Xilinx公司FPGA开发板，基于电流源逆变器转子参考框下交流侧的理论模型，建立了一套数字化闭环调速策略，实测定子电流THD值及功率因数均达到良好效果。

关键词： CSI； FPGA； SVPWM； 死区时间； 双向TVS管

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）20?0157?03

FPGA current PMSM variable frequency drive and open?phase?fault protection

WU Qi?xing1， 2， CHEN Hong?qi1， LIU Zhe?wei2

（1. Institute of Electrical Control Engineering， NCTU， Xinzhu 30010， China；

2. Zhejiang Institute of Mechanical &Electrical Engineering， Hangzhou 310053， China）

Abstract： With the successful development of RB?IGBT device， Current?source?inverter （CSI） has a broad prospect in the field of electric vehicles and other high power variable frequency speed adjusting areas. FPGA as a controller with powerful time?sequence control ling ability is suitable for PMSM variable frequency driver based on current type SVPWM technology. The system can reduce DC and switching loss by generating method of minimum DC link current command and rational dead zone on?off state setup. In the system， Bi?directional TVS and inductor voltage clamp link constructed by power resistor is set up to counter the phenomenon of switch device damage caused by transient high voltage produced by DC link inductance generated by open?circuit fault and to monitor the DC link current value. That is， if the DC link current is below the limit， the system protectively shuts off. The actual system is realized by using Xilinx FPGA board to build a close?loop control， which is based on the equivalent model of CSIs AC side under rotor reference frame. The measured stator current THD value and power factor reached a good result.

Keywords： CSI； FPGA； SVPWM； dead?time； bi?directional TVS

0 引 言

永磁同步电机因其体积小、重量轻、能效高的优势在逐渐成熟的电动及混合动力汽车领域得到广泛应用。目前，许多研究使用多电平逆变器代替传统电压源逆变器来对永磁同步电机进行变频调速。但是，多电平逆变器在实际应用中，成倍增加了开关器件的个数，造成开关损耗和生产成本的大幅增加。

电流源逆变器相对多电平逆变器而言结构比较简单，并且由于电流源逆变器对直流链电流的直接控制，其输出交流电流的品质较电压源逆变器更佳。近年来，一种新型开关器件——反阻断IGBT[1?2]已在国外成功研发，为电流源逆变器的应用清除了障碍。

TVS管是一种抑制电子电源线路中瞬间高压冲击的超高速半导体器件，非常适合对电感断流进行电压箝位，来为系统诊断故障提供缓冲时间。

国内的逆变器控制主要使用DSP微控制器或专用控制芯片，但近年来随着现场可编程门阵列（FPGA）的迅猛发展，其并行工作方式以及优秀的时序控制能力很合适进行突发情况的及时处置。

本文旨在使用FPGA和SVPWM技术实现一套带开路故障保护的电流型PMSM闭环调速系统。该系统使用保持定子电流[d]轴分量[isd=0]的矢量控制以提高表面贴式永磁同步电机的能效，并通过SVPWM技术减小定子电流谐波，最后采用最小直流链电流命令产生法[3]和合理的死区开关状态设置，有效减小直流和开关损耗[4]。

1 三相电流型SVPWM策略

1.1 三相电流源逆变器空间矢量法则

图1中三相电流源逆变器具有9种基本开关状态（SC1～SC6为非零开关状态，SC7～SC9为零开关状态）。现使用静止框将逆变器输出的三相电流转换成空间矢量[Iinv]如图2所示[5]。

图1 三相电流源逆变器供电的PMSM系统

图2 三相电流源逆变器空间矢量原理图

1.2 电流型SVPWM算法及PWM的逻辑转换

按电压型SVPWM算法[6?7]推广，利用[Iinv]在静止框[α]轴与[β]轴上的分量[Iinvα]与[Iinvβ]，得到如下步骤：

（1） 判断其所处扇区；

（2） 计算各扇区非零开关状态所占时间；

（3） 按7段式SVPWM计算各扇区开关状态切换时刻命令值，存入相应寄存器，用于与计数器中计数值做比较来得到初步PWM信号。

由于电流源逆变器的基本开关状态与电压源逆变器不同，因此该初步PWM信号，需经逻辑转换[8]后才能得到合适电流源逆变器的开关信号。

[AP=BNinit?APinit+SC7?NullAN=BPinit?ANinit+SC7?NullBP=CNinit?BPinit+SC8?NullBN=CPinit?BNinit+SC8?NullCP=ANinit?CPinit+SC9?NullCN=APinit?CNinit+SC9?NullNull=APinit?BPinit?CPinit+ANinit?BNinit?CNinit] （1）

式中：逻辑值[Null]，在零开关状态时为“1”，否则为“0”；逻辑值SC7，在开关状态为SC7时为“1”，否则为“0”，而逻辑值SC8与SC9也是如此。

然而按表3方法分配3种零开关状态[8]，使电流源逆变器每次切换状态时，只切换1个开关器件：

表1 三种零开关状态分配表

1.3 死区时间设置方法

在实际工作中，当电流源逆变器在状态切换时，应设置合适的死区时间，以保证三相上臂与下臂至少各有1个开关元件处于导通状态。 以第Ⅱ扇区为例，并保证切换次数理论上最少。

图3 考虑死区时间时第Ⅱ扇区的SVPWM调制模式

由此推广到各个扇区，为保证1个PWM周期内，非零开关状态所占时间不变，对切换时刻命令值设置偏移如下：

[t*max_P=t*max+1.5ΔTt*max_N=t*max+0.5ΔTt*mid_P=t*mid+0.5ΔTt*mid_N=t*mid-0.5ΔTt*min_P=t*min-0.5ΔTt*min_N=t*mid-1.5ΔT] （2）

式中：[t*max]为三相切换时刻命令中最大值；[t*mid]为其中间值；[t*min]为其最小值[4]。

2 基于FPGA的闭环控制

采用Xilinx公司的FPGA（XC3S400PQ208）配合基于MAX121的A/D、D/A电路来完成整体控制。

图4 基于电容电流补偿的[d，q]轴电流环控制器

系统整体控制示意图如图5所示[9]。

图5 系统整体控制示意图

正常运行时，程序通过查表法建立参考弦波，用以实现参考框转换，最后根据上文所述SVPWM的产生及逻辑映射的原理，利用FPGA精准的逻辑信号时序控制，产生SVPWM信号送往驱动电路。开路故障时，直流链电感的瞬间高压使双向TVS管雪崩击穿，从而经功率电阻为电感续流[10]。起动结束后，监测经LEM电流传感器HAS100?S与高速AD芯片MAX121送入FPGA的直流链电流值，一旦低于电流下限命令[I*dclow]，则置位故障标志值并锁存，再根据故障标志封锁直流侧Buck电路的PWM信号以及SVPWM信号，实现保护性停机。

3 实验及波形分析

实测系统中，直流电压源为50 V，直流链电感为7.77 mH，三角波载波频率为20 kHz，死区时间为5[μs]，双向TVS管为1.5KE110CA箝位电压为152 V，功率电阻为10[Ω]，逆变管[Vds]额定值为600 V，使用2台对接的三相八极PMSM，其中一台作为负载发电机外接星型三相功率电阻。 如图6所示，其中 （a）为从起动到稳态的直流链电流[idc]与转速[ωr]变化过程；（b） 为定子A相电流[isa]，以及SVPWM下定子相电流命令[i*inva]。

图6 500 r/m稳态下负载电阻为10 Ω时的测试波形

表2 实测数据表

开路故障测试时，先闭合箝位环节开关SB，当接触器KM常闭触头断开后，双向TVS管能有效将直流链电感电压箝位在约150 V，从而保证在控制器下达保护性停机命令前，逆变管不会过压。

4 结 语

本文使用FPGA与 SVPWM技术成功实现了永磁同步电机闭环矢量控制，得到THD值良好的定子电流，验证了系统能有效抑制电流谐波的优越性。系统在直流链电感两端并联由双向TVS管和功率电阻构成的电压箝位支路，并使用高速AD芯片实时监控直流链电流值，实现开路故障下系统的保护性停机，提高了系统安全性能。

参考文献

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