基于DSP的矩阵变换器设计

1、Journal of Ch angsh a U niversity of Science and T echnology(N atural Science收稿日期:2005-04-21基金项目:湖南省教育厅科研资助项目(03C462作者简介:李志勇(1974-,女,湖南邵东人,长沙理工大学助教,硕士,主要从事电力电子与电力传动等方面的研究.文章编号:1672-9331(200503-0043-06基于DSP 的矩阵变换器设计李志勇,蔡灏,谌海霞,蒋陆萍(长沙理工大学电气与信息工程学院,湖南长沙410076摘要:介绍了矩阵变换器的空间矢量调制策略.以DSP 为控制器、IG BT 为功率开关,制作

2、了一套实验装置,编制了相应的控制软件.实验分别通过调整PW M 周期和改变调制比,成功地实现了对输出电压频率和幅值的控制,验证了控制策略的正确性.关键词:矩阵变换器;DSP ;空间矢量调制中图分类号:T M921文献标识码: A图1矩阵变换器结构矩阵变换器是一种交-交变频器,其实现电路含有9个双向开关(见图1.通过对这些开关的逻辑控制,可实现输出电压频率和幅值的改变.矩阵变换器的调制策略主要采用空间矢量调制技术,它既能控制输出电压,又可改变输入功率因数,是目前最有前途的一种调制策略1,2.1空间矢量调制策略矩阵变换器的空间矢量调制策略(即S VM 算法是采用瞬态空间矢量合成法表示输出电压矢量和

3、输入电流矢量.根据设定的输出电压频率得到输出电压周期,并将该输出电压周期n 等份(由于输出电压矢量分为6个扇区,n 最好为6的倍数,每一份为一个PW M 周期.在每个PW M 周期内,计算输出电压矢量和输入电流矢量所在扇区和偏置角,确定4个有效的开关组合和相应的占空比.当4个占空比之和小于一个PW M 周期时,补充零开关组合占空比来完成一个PW M 周期.这样可方便地控制任一瞬间输出电压矢量和输入电流矢量.图1中,满足矩阵变换器任一输出相有且只有一个开关导通的开关配置共27种,其中只有21种开关配置(含3个零矢量能被S VM 算法所用.具体开关配置见表1.由表1可知,任一种开关配置既确定输出电

4、压矢量,又确定输入电流矢量.例如:开关组合+1,其所对应的电压矢量幅值U 0为2/3U UV ,相位0为/6;所对应的电流矢量幅值I i 为2/3i U ,相位i 为-/6.表1的开关配置对应的电压和电流矢量分别如图2和图3所示.在任一采样瞬间,已知输出电压矢量和输入电流矢量就可确定输出电压矢量和输入电流矢量所在扇区和偏置角(如图4和图5所示.根据其扇区和偏置角,就可确定开关组合(见表2和计算占空比3.第2卷第3期长沙理工大学学报(自然科学版V ol.2N o.32005年9月Sep.2005表1S VM 算法使用的开关组合开关组合输出线电压U AB U BCU C A输入线电流i U i V

5、i W输出线电压矢量幅值U O相角0输入线电压矢量幅值I i相角i+1U U V0-U UVi U-i U02/3U U V /62/3i U -/6-1-U U V0U U V-i U i U 0-2/3U U V /6-2/3i U -/6+2U VW0-U VW0i U-i U2/3U VW /62/3i U /2-2-U VW0U VW0-i U i U -2/3U VW /6-2/3i U /2+3U WU0-U WU-i U0i U2/3U WU /62/3i U 7/6-3-U WU 0U WUi U0-i U -2/3U WU /6-2/3i U 7/6+4-U U V+U U

6、 V 0+i V -i V02/3U U V 5/62/3i V -/6-4U U V-U U V0-i V i V 0-2/3U U V 5/6-2/3i V -/6+5-U VWU VW00i V-i V2/3U VW 5/62/3i V /2-5U VW-U VW00-i V i V -2/3U VW 5/6-2/3i V /2+6-U WUU WU0-i V0i V2/3U WU 5/62/3i V 7/6-6U WU-U WU 0i V 0-i V -2/3U WU 5/6-2/3i V 7/6+70-U U VU U Vi W-i W02/3U U V 3/22/3i W -/6-

7、70U U V-U UV-i W i W 0-2/3U U V 3/2- 2/3i W -/6+80-U VWU VW0i W-i W2/3U VW 3/22/3i W /2-80U VW-U VW0-i W i W -2/3U VW 3/2-2/3i W /2+90-U WUU WU-i W0i W2/3U WU 3/22/3i W 7/6-90U WU-U WU i W0-i W -2/3U WU3/2-2/3i W7/60a 00000000000b 00000000000c44长沙理工大学学报(自然科学版2005年9月表2S VM 算法使用的有效开关组合i iv 0或或或或+3+1+6

8、+4+9+ 7+3+1+6+4+9+7或+2+3+5+6+8+9+2+3+5+6+8+9或+1+2+4+5+7+8+1+2+4+5+7+82 矩阵变换器硬件实现图6矩阵变换器控制系统矩阵变换器控制系统组成见图6.系统由主电路、控制电路和辅助电路构成.其主电路中的开关矩阵由9个双向开关组成.控制电路以T MS320LF2407A 芯片为核心来完成控制策略的实现和控制信号的输出.辅助电路由同步过零比较电路、开关互锁译码电路、隔离驱动电路和保护电路组成.1T MS320LF2407A 型DSP 是TI 公司为实时信号处理而设计的,其CPU 具有16位定点DSP 内核,指令系统丰富灵活,运算速度为30

9、MIPS ,即指令周期为33ns ,其高速运算能力使得一些复杂控制算法得以实现实时运算.本系统主要使用了2407A DSP 的输入/输出模块、事件管理器模块.输入/输出模块用来输出对应的组合开关信号.事件管理模块用来计算输入/输出电压矢量、每个PW M 周期的开关组合和对应的占空比,并定时输出开关信号.系统在2407A 中完成控制策略的计算和控制信号的输出.输入电压矢量的过零点由2407A 的捕捉输入口检测并进行中断处理.2同步过零比较电路由两个同步变压器、运算放大器和光耦组成.将输入电源的两相经变压器输出后送运算放大器进行过零比较,确定输入电压零矢量时刻.过零比较的输出经光耦隔离并进行电平转

10、换后,作为DSP 的输入捕捉信号.3开关互锁译码电路由译码器和反相驱动器构成,将DSP 的输出信号还原成9个双向开关的控制信号.4隔离驱动电路采用EX B840驱动模块,其开关频率可达40kH z ,对IG BT 有自动过流保护功能.每个IG BT 驱动模块需要隔离的工作电源和输入信号电源.3矩阵变换器软件设计系统软件由主程序、周期中断处理程序、比较中断处理程序和捕捉中断服务程序构成4.主程序主要完成系统的参数设置和初始化功能,它包含系统初始化、PW M 计算、控制策略参数设定和中断程序初始化设定.程序流程如图7所示.周期中断处理程序完成调制策略,主要包括:输入电流矢量计算、输出电压矢量计算、

11、确定有效的4个开关组合和计算4个占空比,并将4个占空比按插入零矢量换流的原则分解为8个时间段输出.程序54第2卷第3期李志勇,等:基于DSP 的矩阵变换器设计流程如图8所示.在每个PW M 周期内,DSP 需先计算占空比,再将占空比转化为对应的时间常数后赋值给对应的时间寄存器.为了尽量减少误差,应将4个占空比插在零矢量后面5 .捕捉中断服务程序用来记录零矢量作用时刻,为计算输入电流矢量做准备.比较中断服务程序用来输出与占空比对应的开关组合信号.4实验结果分析本研究中的矩阵变换器实验装置以三相工频交流电(50H z 作为其输入电源,输出为纯阻性负载,功率为120W ,输入功率因素为1.采用插入零

12、矢量换流法对两种情况进行了实验.1频率调节.在调制比不变、调整PW M 周期以实现输出频率改变的情况下进行实验.图9和图10分别为f 0=10,20H z 时的输出线电压波形 .64长沙理工大学学报(自然科学版2005年9月从输出线电压波形图来看,输出线电压有明显的周期性,但不是严格的周期波形.这是因为:其一,在每个PW M 周期内,每个开关组合和开关占空比是实时计算的,而该开关组合和开关占空比并不具备周期性;其二,输出电压是由每个开关组合导通时所对应的输入电压而得到的,而输入电压也是实时改变的.2调制比变化.在输出频率不变而调制比改变的情况下进行实验,图1114分别为输出频率f 0=5H z

13、 ,调制比m =1,0.25时的输出线电压波形及其幅度谱波形 .由图1114可以看出,在输出频率不变而调制比改变的情况下,输出线电压波形看不出明显的变化.这是因为对三相正弦输入电源采样后,虽然占空比减小了,但截获的波形却是根据控制策略实时变化的.所以在输出波形图中,输出电压的减小主要体现在梳状波形的宽度上,而不是幅值的直接减小.从各个调制比情况下的输出线电压幅度谱波形可知,在基频为5H z 、调制比分别为1,0.25时,基频的幅值在图中分别约为280V 和80V.由此可见,随着调制比的变化,输出线电压的幅值会按同方向改变,但又不是严格按比例改变.目前,国内、外尚没有资料明确表述输出电压幅值与调

14、制比的等式关系.但可以肯定的是,随着调制比的减小或增大,输出电压幅值也会减小或增大.由幅度谱波形还可看出,谐波的成分是相当多的.但幅度谱中幅值最大的频率,即基频仍是可以辨认的,可见它与实验设计的频率完全一致.在本实验系统中,输出电压信号中基频的幅值相对谐波的幅值似乎没有明显的优势,这一缺陷主要来源于各个周期波形的复杂性.各个周期内部呈梳状结构的小波,其时间间隔相对整个周期来说要小得多.在该输出信号付诸实际使用时,感性负载对高次谐波成分的作用不敏感,实际的影响应来源于该梳状输出信号的平均.依据文献6,对实验所得出的波形平均后应接近正弦波,其周期近似为梳状波形的周期,所以基频才是对负载最重要的影响

15、因素.5结论制作并使用以DSP 为控制器、IG BT 为功率开关的一套矩阵变换器实验装置,并进行了相关实验,得74第2卷第3期李志勇,等:基于DSP 的矩阵变换器设计48 长沙理工大学学报 (自然科学版 2005 年 9 月 到的结论是 : 1 通过调整 PWM 周期 ,成功地实现了输出电压频率的改变 ; 2 通过改变调制比 ,成功地实现了输出电压幅值的调节 ; 3 在调整 PWM 周期的同时改变调制比 ,可以实现对输出电压频率和幅值的控制 . 实验结果验证了控制策略的正确性 . 参考文献 1 Alcsina ,M G B Venturini. Analysis and Design of O

16、ptimum amplitude Nine2switch Direct AC2AC Converters J . IEEE Trans A 2 3 贺益康 ,刘 . 交 - 交直接变换控制下矩阵式变换器的仿真研究 J . 电工技术学报 ,2002 ,17 (3 :48253. 勇 4 李志勇 ,朱建林 ,易灵芝 ,等 . 空间矢量调制的矩阵变换器仿真模型研究 J . 中国电机工程学报 ,2003 , (2 :80284. 5 易灵芝 ,李志勇 ,朱建林 ,等 . 矩阵式交 - 交变频电源中 DSP 控制器的时间分配 J . 电气传动 ,2005 ,35 (3 :327. ( College o

17、f Electrical and Information Engineering ,Changsha University of Science and Technology ,Changsha 410076 ,China and the IG power switch. The corresponding control software is programmed. The experimental devices successfully BT realize the shift of the output frequency and amplitude ,and verify the

18、feasibility of theory. Key words :matrix converter ;DSP ;space vector modulation 2 Sakui ,H Fujita. Calculation of Harmonic Currents in a Three phase Converter with Unbalanced Power Supply ConditionsJ . Proc M 2 6 Casadei , G Serra ,A Tani. Analysis of Space Vector Modulated Matrix Converter under Unbalanced Supply Voltages J . Proc D Speedam ,Taormina Italy ,1994 , (6 :39244. Ab