基于DSP的交流傳動MMC電容電壓檢測系統

曹喜生，薛 晟，魏永武，王興貴，齊 剛

（1.大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室，天水741020；2.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，蘭州730050）

自2002 年模塊化多電平換流器MMC 的拓撲結構被提出后[1]，憑借其模塊化高、易拓展和輸出性能好等特點，廣泛應用于高壓直流輸電[2]、電能綜合治理補償裝置[3]、蓄電池儲能[4]、光伏并網發電[5]等領域。 2009 年，文獻[6]首次將MMC 應用于交流傳動領域，在運行特性、輸出電壓諧波等方面與現有的多電平變流器進行了比較；文獻[7]將MMC 應用于風機、泵類負載，研究不同頻率下MMC 的輸出穩定性；文獻[8]研究了恒轉矩負載條件下MMC 控制電機的調速性能；文獻[9]針對變流器難以運行于低頻狀態的問題， 就MMC 在傳動系統應用中的低頻控制策略進行了詳細分析。

將MMC 應用于傳動領域具有諸多優勢： 由相同功率單元級聯而成的MMC 具有高度模塊化的結構特征，易于系統擴容，使得傳動系統中變流器的容量設計更加靈活；具有公共直流母線，不需要多繞組移相變壓器；可以通過配置冗余子模塊大幅提高系統的可靠性，其平均無故障時間比不配置冗余時提高約80%[10]；可以組成背靠背系統，實現能量的雙向流動。

但MMC 交流傳動系統在電機低頻運行時子模塊電容電壓波動較大，影響系統穩定運行[11]。要實現低頻運行條件下對電容電壓波動抑制，首先要對電容電壓進行高精度跟蹤檢測。 因而應用于交流傳動領域的MMC，對子模塊電容電壓檢測精度和快速性的需求高于工作在工頻模式下的MMC。 此外，MMC啟動過程中的子模塊電容電壓預充電控制，也需要對其電容電壓進行精確檢測。 故在此設計了一套適用于交流傳動的MMC 子模塊電容電壓檢測系統。

1 拓撲結構

基于MMC 的交流傳動系統拓撲結構如圖1 所示。 整個系統包括直流電源、MMC 和三相電機。MMC 每相由上下2 個橋臂和交流電感L 串聯組成， 每個橋臂由N 個功率子模塊SM（sub-modules）串聯構成，SM 由2 個IGBT 和相應的反向并聯二極管以及1 個電容器并聯而成。 通過控制各SM 的開關函數可實現MMC 的輸出電壓控制。

圖1 交流傳動MMC 基本拓撲結構Fig.1 Basic topology for AC drive MMC

為實現系統四象限運行，通常采用圖2 所示的背靠背MMC 交流傳動系統拓撲結構。 其中，MMC1工作在整流狀態， 為系統提供直流電源Udc；MMC2工作在逆變狀態，實現交流電機的變頻調速。 通過控制2 臺MMC 的運行狀態可實現傳動系統的四象限運行。 系統運行時需要對MMC 子模塊電容進行預充電，且低頻運行條件下需采用電壓排序算法實現子模塊電容均壓。 而實現精準、快速的子模塊電容電壓檢測是MMC 預充電控制及電容均壓的前提。

圖2 用于交流傳動的背靠背MMC 拓撲結構Fig.2 Back-to-back MMC topological structure for AC transmission

2 系統設計

該系統中以每相橋臂5 個子模塊的MMC 為研究對象，三相6 橋臂共30 個子模塊。 檢測系統的硬件電路總體結構框圖如圖3 所示。

圖3 子模塊電容電壓檢測結構Fig.3 SM capacitor voltage detection structure

MMC 子模塊電容電壓幅值經電壓采樣傳感器、放大電路和濾波電路傳送至檢測系統中的A/D 芯片，經模數轉換后傳送至主控制器。 系統A/D 芯片采用MAX11131 型12 位、1.5 MHz 全線性帶 寬、16通道單端輸入、高速、低功耗、串行輸出逐次逼近型模/數轉換器。 選用2 片MAX1131 即可實現MMC中30 個子模塊電容電壓的檢測。

2.1 電壓采樣電路

MMC 運行中，電容電壓的檢測精度及速度直接影響到系統均壓控制效果。 為實現MMC 子模塊電容電壓的精確、快速測量，電壓傳感器需具備實現MMC 子模塊與控制電路的強弱電隔離；工作頻率范圍要寬；線性度高；穩定性好；等條件。

對比不同類型的電壓傳感器，考慮檢測精度及成本，選用HCNR201 高線性度模擬光電耦合器作為本系統的電壓傳感器。 其具有穩定性好、線性度高、頻帶寬、成本低等特點。 采樣電路原理如圖4所示。

圖4 子模塊電容電壓采樣原理Fig.4 SM capacitor voltage sampling schematic

2.2 信號調理電路

A/D 芯片工作電壓為3.3 V，A/D 參考電壓為3.3 V，則采樣電壓輸入范圍為0～3.3 V。 為保證傳感器輸出電壓信號可以輸入A/D 芯片， 需要通過U2組成的放大電路對采樣信號進行轉換。 為增強系統集成度，U2選用四運算放大器LM324。 通過R2，C1和R9，C2所構成的濾波電路來消除信號中高頻噪聲干擾。 同時，為防止子模塊電容電壓信號的瞬態噪聲對A/D 芯片造成損壞，在A/D 輸入端對地連接3.3 V穩壓二極管D1。 信號調理電路如圖5 所示，A/D 轉換電路如圖6 所示。

2.3 系統通信

圖5 電壓信號調理電路Fig.5 Voltage signal conditioning circuit

圖6 A/D 轉換電路Fig.6 A/D conversion circuit

MAX11131 的48 MHz，3 線串行接口可直接連接控制器的串行外設接口SPI（serial peripheral interface），而不需要外部邏輯轉換。因此，采用SPI 主/從模式實現DSP 與2 片MAX11131 的通信，且通信速率可滿足采樣及控制需求。DSP 作為主SPI 器件，MAX11131 作為從SPI 器件，CS1 與CS2 為對應A/D的片選信號，時鐘SCLK 由DSP 系統時鐘分頻產生。系統的通信連接如圖7 所示。

圖7 系統的通信連接Fig.7 System communication wiring

2.4 電源模塊

電源模塊給整個控制器提供工作電壓，確保控制器正常工作。 系統供電所需電壓等級較多，采用多種電壓轉換芯片輸出，電源模塊輸入為+24 V。 輸出依次為子模塊電容電壓采樣電路工作電壓+15 V，信號調理電路運算放大器工作電壓±15 V，主控制器工作電壓+5 V，AD 芯片輸入參考電壓+3.3 V。

3 軟件設計

MAX11131 芯片與主控制器TMS320F28335 采用SPI 通信，考慮到編寫程序的可讀性、簡潔性，采用C 語言編寫程序。 在系統中，A/D 芯片的輸入信號為15 路單端電壓信號，MAX11131 電壓采樣編程流程如圖8 所示。

圖8 MAX11131 編程流程Fig.8 MAX11131 programming flow chart

首先對MAX11131 進行初始化設置，根據采樣通道數目、信號極性、掃描方式等確定A/D 芯片控制寄存器的初始值。 電壓采樣輸入信號為15 路單端電壓信號，通道數選為15，采用外部時鐘工作模式，掃描模式采用手動工作模式。 寄存器設置見表1。

表1 A/D 芯片寄存器值Tab.1 A/D chip register value

完成A/D 初始化設置后， 主控制器SPI 總線DOUT 輸出設定值， 作為A/D 芯片SPI 總線DIN 的輸入。A/D 芯片根據設定值進行采樣，從DOUT 輸出各通道的電壓值。 DSP 以數組的形式存儲各通道輸出電壓值，并以橋臂為單位對各電壓信號分組。 系統啟動時，結合系統預充電控制算法，控制各子模塊電容電壓達到額定值。 在低頻運行條件下，通過對所采集各橋臂子模塊電容電壓進行排序，結合子模塊電容均壓算法實現低頻運行條件下的子模塊電容電壓波動抑制。

4 試驗驗證

以上述電路為核心設計MMC 子模塊電容電壓采樣電路，采集系統3 相6 橋臂共30 個子模塊的電容電壓值。 所設計主控制器及子模塊實物如圖9 所示。采樣電路中，R1選15 kΩ 高精度功率電阻，R2取150 kΩ。 子模塊電容電壓U2從151.4 V 至210.2 V變化時，采樣電路的輸出電壓U1見表2。

圖9 控制器及子模塊實物照片Fig.9 Physical photos of controllers and sub-modules

表2 電容電壓變化時光耦輸出電壓Tab.2 Output voltage of optocoupler when capacitor voltage changes

以表2 的數據對采樣電路兩端電壓進行線性擬合，所得U1與U2的函數關系如圖10 所示。

圖10 U1 與U2 的函數關系Fig.10 Function relation between U1 ＆ U2

圖11 為A/D 芯片UT1 的SPI 總線中各端口的信號波形。 其中，信號1 為時鐘信號SCLK；信號2為UT1 的片選信號CS1； 信號3 為AD 芯片控制字信號DIN； 信號4 為各通道AD 轉換結果串行輸出信號DOUT。

圖11 SPI 傳輸信號Fig.11 SPI transmission signal

圖中的輸出信號為此次測量通道的電壓信號，當前讀取結果為0b0001010100101011。 其中，前4位為通道地址0001 即通道AIN1； 后12 位為電壓值，轉換為十進制結果為data=1323。 A/D 芯片輸入參考電壓VREF=3.3 V，則當前AIN1 端口輸入電壓為（data/4096）VREF=1.066 V。信號調理電路放大倍數為0.2，則采樣電路輸出電壓為5.33 V，由圖10 線性擬合方程得當前子模塊電容電壓為157.8 V。

5 結語

設計了基于TMS320F28335 的交流傳動用MMC 電容電壓檢測系統。 選用MAX11131 型A/D芯片實現采樣信號的模數轉換， 通過SPI 總線控制2 片A/D 實現各橋臂子模塊電容電壓數據的采集。試驗結果表明，該系統可以實現各橋臂子模塊電容電壓的精確、快速測量。