矢量控制系统的硬件设计

在构建了能量回馈主回路及硬件控制系统的基础上，考虑级联型变频器逆变侧，最后所搭建的变频器实验平台如图7-12所示，与能量回馈侧相对应，逆变侧每相采用3个单元串联输出。其中，移相变压器将380V交流输入降压、移相、隔离输出后给功率单元。设计的每一相三单元串联输出相电压为398V，线电压为690V。逆变侧主控部分采用了双DSP与FPGA相结合的结构。控制电路和单元之间通过光纤进行通信：功率单元将单元状态和故障信息通过CPLD编码，经过光纤上传给FPGA；主控部分则将PWM控制信息和控制信号等经FPGA编码传给功率单元。

图7-12 级联型高压变频器实验平台

1.控制部分

实验平台设计为3单元串联，共计36个开关器件，则需要36路PWM发生器。而目前常见专用集成芯片（如TMS320F2407等）最多也只能提供16路PWM发生器。

所设计控制系统DSP采用美国德州仪器（TI）公司针对电动机控制推出的一款TMS320F2812DSP芯片。

FPGA及其编程系统是开发大规模数字集成电路的新技术，它将现代超大规模集成电路逻辑集成的优点和可编程器件设计灵活、制作及上市快的长处相结合，使设计者在FPGA开发系统软件的支持下，直接根据系统要求定义和修改其逻辑功能，是目前发展速度非常快的一种技术。利用FPGA可以方便地构造多路PWM发生器，这正好能解决多电平变换器需要多路驱动脉冲的问题。系统的FPGA芯片选用CycloneIII的EP3C25Q240C8N。该芯片是ALTERA公司生产的一种低功率、低成本、中等容量、性能可以满足一般逻辑设计要求的FPGA产品，主要资源包括24624个逻辑单元，66个M9K单元，608256位RAM空间，66个18×18的乘法器，4个硬件锁相环（PLL），20个全局时钟输入端口，最大可以达到251个用户I/O引脚。

因此，在主控制板设计中，采用DSP与FPGA组合的方案。DSP拥有快速的数字信号处理能力，负责电动机矢量控制算法、故障处理等工作；而FPGA拥有丰富的资源和强大的逻辑处理能力，把产生的驱动信号转换为脉冲形式，并通过光纤和功率单元上的CPLD板通信，并且向9个功率单元发送控制命令、汇总9个功率单元的状态参数、故障信息上报DSP。DSP在完成控制算法计算后，定时刷新PWM脉冲脉宽值，并送给FPGA。DSP、FPGA、CPLD通信内容示意图如图7-13所示。

DSP和FPGA联合使用的最大特点：结构灵活，有较强的通用性，不用修改硬件即可实现不同的算法，适于模块化设计，提高算法效率；同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展，适用于实时信号处理。实验平台中的DSP主控制电路板如图7-14所示。

实验平台的功率单元逆变侧控制电路的核心是CPLD，主要工作包括：与主控制板通过光纤进行通信，按照主控制板发送的控制信号驱动IGBT开通和关断，各种故障信号的检测和上传，进行单元旁路的相关处理等。实验平台中光纤通信板如图7-15所示，电源板和CPLD单元控制电路板如图7-16所示。

2.功率部分

1）移相变压器

对于3单元串联的高压变频器，一次侧为星形联结，二次侧为延边三角形联结，相位角分别为+20°、0°、-20°。图7-17所示为实验平台中的移相变压器外形。

2）功率单元(www.xing528.com)

功率单元整体结构主要包括前端三相PWM控制整流桥、中间滤波电容和后端H桥逆变电路组成的主电路、单元控制板、故障检测电路、旁通控制电路和单元开关电源等。3功率单元串联的功率单元结构如图7-18所示。

图7-13　DSP、FPGA、CPLD通信内容示意图

图7-14　DSP主控制板

图7-15 光纤通信板

图7-16 电源板和CPLD单元控制电路板

图7-17 移相变压器外形

图7-18 3功率单元串联的功率单元结构