FPGA電流型PMSM變頻驅動器及開路故障保護

吳起行+陳鴻祺+劉哲緯

摘 要： 電流源逆變器（CSI）隨著反阻斷IGBT器件的成功開發，在電動汽車等大功率變頻調速領域前景廣大。FPGA作為控制器，其時序控制能力強大，適合用來實現基于電流型空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術的永磁同步電機（PMSM）變頻驅動器。該系統通過采用最小直流鏈電流命令產生法和合理的死區開關狀態設置，有效減小直流和開關損耗。系統為應對開路故障引起直流鏈電感產生瞬間高壓打壞開關器件的現象，設置由雙向TVS管和功率電阻構成的電感電壓箝位環節，并監測直流鏈電流值，一旦低于限值則實現保護性停機。實際系統使用Xilinx公司FPGA開發板，基于電流源逆變器轉子參考框下交流側的理論模型，建立了一套數字化閉環調速策略，實測定子電流THD值及功率因數均達到良好效果。

關鍵詞： CSI； FPGA； SVPWM； 死區時間； 雙向TVS管

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

永磁同步電機因其體積小、重量輕、能效高的優勢在逐漸成熟的電動及混合動力汽車領域得到廣泛應用。目前，許多研究使用多電平逆變器代替傳統電壓源逆變器來對永磁同步電機進行變頻調速。但是，多電平逆變器在實際應用中，成倍增加了開關器件的個數，造成開關損耗和生產成本的大幅增加。

電流源逆變器相對多電平逆變器而言結構比較簡單，并且由于電流源逆變器對直流鏈電流的直接控制，其輸出交流電流的品質較電壓源逆變器更佳。近年來，一種新型開關器件——反阻斷IGBT[1?2]已在國外成功研發，為電流源逆變器的應用清除了障礙。

TVS管是一種抑制電子電源線路中瞬間高壓沖擊的超高速半導體器件，非常適合對電感斷流進行電壓箝位，來為系統診斷故障提供緩沖時間。

國內的逆變器控制主要使用DSP微控制器或專用控制芯片，但近年來隨著現場可編程門陣列（FPGA）的迅猛發展，其并行工作方式以及優秀的時序控制能力很合適進行突發情況的及時處置。

本文旨在使用FPGA和SVPWM技術實現一套帶開路故障保護的電流型PMSM閉環調速系統。該系統使用保持定子電流[d]軸分量[isd=0]的矢量控制以提高表面貼式永磁同步電機的能效，并通過SVPWM技術減小定子電流諧波，最后采用最小直流鏈電流命令產生法[3]和合理的死區開關狀態設置，有效減小直流和開關損耗[4]。

1 三相電流型SVPWM策略

1.1 三相電流源逆變器空間矢量法則

圖1中三相電流源逆變器具有9種基本開關狀態（SC1～SC6為非零開關狀態，SC7～SC9為零開關狀態）。現使用靜止框將逆變器輸出的三相電流轉換成空間矢量[Iinv]如圖2所示[5]。

圖1 三相電流源逆變器供電的PMSM系統

圖2 三相電流源逆變器空間矢量原理圖

1.2 電流型SVPWM算法及PWM的邏輯轉換

按電壓型SVPWM算法[6?7]推廣，利用[Iinv]在靜止框[α]軸與[β]軸上的分量[Iinvα]與[Iinvβ]，得到如下步驟：

（1） 判斷其所處扇區；

（2） 計算各扇區非零開關狀態所占時間；

（3） 按7段式SVPWM計算各扇區開關狀態切換時刻命令值，存入相應寄存器，用于與計數器中計數值做比較來得到初步PWM信號。

由于電流源逆變器的基本開關狀態與電壓源逆變器不同，因此該初步PWM信號，需經邏輯轉換[8]后才能得到合適電流源逆變器的開關信號。

[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：邏輯值[Null]，在零開關狀態時為“1”，否則為“0”；邏輯值SC7，在開關狀態為SC7時為“1”，否則為“0”，而邏輯值SC8與SC9也是如此。

然而按表3方法分配3種零開關狀態[8]，使電流源逆變器每次切換狀態時，只切換1個開關器件：

表1 三種零開關狀態分配表

1.3 死區時間設置方法

在實際工作中，當電流源逆變器在狀態切換時，應設置合適的死區時間，以保證三相上臂與下臂至少各有1個開關元件處于導通狀態。 以第Ⅱ扇區為例，并保證切換次數理論上最少。

圖3 考慮死區時間時第Ⅱ扇區的SVPWM調制模式

由此推廣到各個扇區，為保證1個PWM周期內，非零開關狀態所占時間不變，對切換時刻命令值設置偏移如下：

[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]為三相切換時刻命令中最大值；[t*mid]為其中間值；[t*min]為其最小值[4]。

2 基于FPGA的閉環控制

采用Xilinx公司的FPGA（XC3S400PQ208）配合基于MAX121的A/D、D/A電路來完成整體控制。

圖4 基于電容電流補償的[d，q]軸電流環控制器

系統整體控制示意圖如圖5所示[9]。

圖5 系統整體控制示意圖

正常運行時，程序通過查表法建立參考弦波，用以實現參考框轉換，最后根據上文所述SVPWM的產生及邏輯映射的原理，利用FPGA精準的邏輯信號時序控制，產生SVPWM信號送往驅動電路。開路故障時，直流鏈電感的瞬間高壓使雙向TVS管雪崩擊穿，從而經功率電阻為電感續流[10]。起動結束后，監測經LEM電流傳感器HAS100?S與高速AD芯片MAX121送入FPGA的直流鏈電流值，一旦低于電流下限命令[I*dclow]，則置位故障標志值并鎖存，再根據故障標志封鎖直流側Buck電路的PWM信號以及SVPWM信號，實現保護性停機。

3 實驗及波形分析

實測系統中，直流電壓源為50 V，直流鏈電感為7.77 mH，三角波載波頻率為20 kHz，死區時間為5[μs]，雙向TVS管為1.5KE110CA箝位電壓為152 V，功率電阻為10[Ω]，逆變管[Vds]額定值為600 V，使用2臺對接的三相八極PMSM，其中一臺作為負載發電機外接星型三相功率電阻。 如圖6所示，其中 （a）為從起動到穩態的直流鏈電流[idc]與轉速[ωr]變化過程；（b） 為定子A相電流[isa]，以及SVPWM下定子相電流命令[i*inva]。

圖6 500 r/m穩態下負載電阻為10 Ω時的測試波形

表2 實測數據表

開路故障測試時，先閉合箝位環節開關SB，當接觸器KM常閉觸頭斷開后，雙向TVS管能有效將直流鏈電感電壓箝位在約150 V，從而保證在控制器下達保護性停機命令前，逆變管不會過壓。

4 結 語

本文使用FPGA與 SVPWM技術成功實現了永磁同步電機閉環矢量控制，得到THD值良好的定子電流，驗證了系統能有效抑制電流諧波的優越性。系統在直流鏈電感兩端并聯由雙向TVS管和功率電阻構成的電壓箝位支路，并使用高速AD芯片實時監控直流鏈電流值，實現開路故障下系統的保護性停機，提高了系統安全性能。

參考文獻

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