基于FPGA的死区补偿方法及装置与流程

基于FPGA的死区补偿方法及装置(一)技术领域：一种含逆变器电源的死区硬件补偿方法,用于电气传动驱动电源、供电电源等。属交流间或交直流间的变换类(H02M)。本发明提供的死区补偿方法及装置主要应用于高压变频器驱动电源和光伏逆变器供电电源。(二)

背景技术：
高压变频器作为调频电机驱动电源,光伏逆变器作为联网供电电源,两者主回路均含有IGBT逆变器,控制部分通过驱动电路调节IGBT逆变器输出,如图1、图7所示。在驱动IGBT逆变器时，为了防止上下桥臂出现直通，通常要在脉宽调制PWM波中添加死区时间。在死区时间内，上下IGBT同时关闭，此时桥臂输出电压取决于桥臂电流方向，结果是桥臂输出脉冲宽度并不等于驱动信号给定的脉冲宽度,即死区时间的存在使实际输出的电源电压、电流波形发生畸变。对高压变频器导致驱动的变频电机转矩发生脉动，且在低速或轻载时这种影响尤其严重。因此对死区的补偿问题已成为变频调速系统中必须解决的关键问题。对光伏逆变器电源并网电压,波形发生畸变,将影响供电质量和并网。高压变频器和光伏逆变器现有死区硬件补偿方法存在如下问题:1)见图4,传统脉宽测量电路设计原理是将PWM脉冲看成是一个规则化的梯形U0，然后采用比较器与Udc/2做比较得到PWM脉宽B0。但实际的PWM脉冲波形Ua并不规则(见图5),因此采用传统的脉宽测量方法得到的PWM脉宽并不准确。不能有效地解决电压、电流波形畸变。2)现有的死区硬件补偿装置不仅补偿精度低,且存在测量效率低、测量电路稳定性差等,均难以满足高压变频器和光伏逆变器死区补偿要求。(三)

技术实现要素：
：本发明提供的基于FPGA的死区补偿方法及装置，其目的就是解决现有高压变频器和光伏逆变器死区硬件补偿方法获得的PWM脉宽补偿精度低、补偿装置测量效率低、测量电路可靠性差等问题。技术方案如下:基于FPGA的死区补偿方法，包括:1)用于高压变频器的每相每个<功率单元>内的主回路、死区补偿装置；高压变频器三相变频电源中每相均串接多个<功率单元>形成高压电源,三相交流市电1经过移相变压器向各<功率单元>提供移相后三相交流电1n；每个功率单元主回路由移相后三相交流电1n、整流滤波电路2、IGBT全桥逆变器3组成；或者2)用于光伏逆变器的每相的主回路、死区补偿装置；每相主回路由光伏电池1m、电容滤波电路2m、IGBT三相逆变器3m组成；其特征是1)所述死区补偿装置包括:对应每个IGBT全桥或多桥逆变器设2-3个脉宽测量电路4、一片现场可编逻辑阵列FPGA5、一个驱动电路6；并包括外部的主控系统7；每个脉宽测量电路如下组成:①由运放U1、电容C1、电阻R2、R4、R3、R5、R6组成的基准电压产生电路；②由电容C2、电阻R1、R7组成的积分电路；③由比较器U2和U3组成比较电路,比较器U2和U3输出端S1、S2分别接FPGA两个输入I0口；④由晶体管Q1、Q2组成的初始化电路:两晶体管Q1、Q2基极分别接FPGA输出接口G；⑤设上述R2＝R1；R4＝R7；R3＝R6﹤﹤(R3+R5+R6)；C1﹥﹥C2…………式(A)将每个脉宽测量电路中电路电压Udc端、Ua端和低电位端DCN分别接IGBT全桥或多桥逆变器直流母线高电位端D、中端E和负端O。2)主控系统通过光纤通信传输向FPGA提供上升和下降沿零时刻t0、t02的给定矩形脉冲U7；被测实际PWM脉冲Ua的上升和下降沿零时刻为t11、t12；FPGA设的等效矩形脉冲Ux的上升和下降沿零时刻为tc1、tc2,并通过下述测量计算获得tc1、tc2。3)在给定矩形脉冲U7上升沿零时刻t0时,FPGA控制晶体管Q2断开,实际脉冲电压Ua经过R1、R7分压给C2充电；此过程是对实际脉冲电压Ua上升沿积分的过程；4)当C2两端电压高于基准电压Vref1时，比较器U2输出高电平，FPGA捕获此上升沿，并记录上升沿积分结束时间t1；同时，FPGA控制晶体管Q1闭合，将电容C2两端电压初始化为运放U1输出电压；设等效矩形脉冲UX上升沿零时刻tc1时脉冲高度为Udc，电容C2两端电压为UC2,令：根据积分电路，有：式(B)中在满足式(A)的条件下，有：获得5)在给定矩形脉冲U7下降沿零时刻t02时，FPGA控制晶体管Q1断开，电容C2经过R1、R7放电，此过程是对实际脉冲电压Ua下降沿积分的过程；6)当电容C2两端电压低于基准电压Vref2时，比较器U3输出低电平，FPGA捕获此下降沿，并记录下降沿积分结束时间t2。同时，FPGA控制晶体管Q2闭合，将电容C2两端电压初始化为0。7)在下降沿积分过程中，假设实际脉冲等效矩形脉冲UX下降沿零时刻为tc2，有：在满足式(A)的条件下，有：由此便获得最后确定出等效矩形脉冲UX宽度为：BX＝tc2-tc1＝t2-t18)FPGA由获得的脉冲宽度BX和给定的脉冲宽度B7,得到当前脉冲宽度误差△＝BX-B7；并由FPGA对脉冲误差进行累加，累加结果作为下一次脉冲脉宽的补偿值，即下一次FPGA输出脉冲宽度等于其接收到的给定脉冲宽度加上脉宽补偿值；FPGA输出脉冲经驱动电路控制IGBT全桥或多桥逆变器。上述基于FPGA的死区补偿方法所需的死区补偿装置,包括:1)用于高压变频器；高压变频器三相变频电源中每相均串接多个<功率单元>形成高压电源,三相交流市电1经过移相变压器向各<功率单元>提供移相后三相交流电1n；每个功率单元主回路由移相后三相交流电1n、整流滤波电路2、IGBT全桥逆变器3组成；或者2)用于光伏逆变器；每相主回路由光伏电池1m、电容滤波电路2m、IGBT三相逆变器3m组成；其特征是1)所述死区补偿装置包括:对应每个IGBT全桥或多桥逆变器设2-3个脉宽测量电路4、一片现场可编逻辑阵列FPGA5、一个驱动电路6；并包括外部的主控系统7；每个脉宽测量电路如下组成:①由运放U1、电容C1、电阻R2、R4、R3、R5、R6组成的基准电压产生电路；②由电容C2、电阻R1、R7组成的积分电路；③由比较器U2和U3组成比较电路,比较器U2和U3输出端S1、S2分别接FPGA两个输入IO口；④由晶体管Q1、Q2组成的初始化电路:两晶体管Q1、Q2基极分别接FPGA输出接口G；⑤设上述R2＝R1；R4＝R7；R3＝R6﹤﹤(R3+R5+R6)；C1﹥﹥C2。将每个脉宽测量电路中电路电压Udc端、Ua端和低电位端DCN分别接IGBT全桥或多桥逆变器直流母线高电位端D、中端E和负端O。2)主控系统通过光纤通信传输向FPGA提供上升和下降沿零时刻t0、t02的给定矩形脉冲U7；被测实际PWM脉冲Ua的上升和下降沿零时刻为t11、t12；FPGA设的等效矩形脉冲Ux的上升和下降沿零时刻为tc1、tc2,并通过下述测量计算获得tc1、tc2。上述FPGA可采用型号为ACTEL公司的A3PN250。本发明有益效果：1)本发明死区补偿方法其原理是按实际PWM脉冲波形,设计专用的脉宽测量电路和选择FPGA进行测量、计算、获得等效脉冲宽度,确定误差后进行补偿。与传统方法相比，获得的等效脉宽更准确，补偿精度最高、抗干扰性更好。2)补偿装置中选择的现场可编逻辑阵列(FPGA),运祘速度快,可满足多路专用脉宽测量电路的死区补偿测量计算需求。3)脉宽测量电路中设有运算放大器U1,用于稳定参考电压，使测量结果更准确。(四)附图说明图1实施例1:高压变频器一个功率单元主回路电路和死区补偿装置框图。图2一个脉宽测量电路4电路图及FPGA5框图。图3实施例1高压变频器系统总示意图。说明:1)图中线上三条斜短线表示3根线。线上两条斜短线表示2根线。2)图中每相画出了两个串联功率单元。图4现有补偿方法采用的规则化PWM脉冲波形U0示图。图5IGBT全桥或多桥逆变器输出的实际PWM脉冲波形Ua示图。图6对应死区补偿方法脉宽测量涉及的三个波形U7、Ua、Ux示图。说明:1)给定矩形脉冲波形U7用细实线画出。上升沿零时刻t0,下降沿零时刻t02。2)逆变桥输出的实际PWM脉冲波形Ua:图中用粗实线画出。上升沿零时刻为t11和下降沿零时刻为t12。脉宽测量中FPGA记录的t1是上升沿积分结束时刻，记录的t2是下降沿积分结束时刻。3)等效矩形脉冲波形Ux:图中用虚线画出。上升沿零时刻为tc1和下降沿零时刻为tc2。图7实施例2:光伏逆变器一相中主回路电路图及死区补偿装置框图。(五)具体实施方式实施例1:用于高压变频器基于FPGA的高压变频器死区补偿方法。现有高压变频器结构为:见图3,在三相变频电源中每相均串接多个<功率单元>而形成高压,图3中仅画出两个串联<功率单元>,见图1,通过W1、W2两端头串联。见图3,三相中每相最大电压端为变频电机10的电源端。三相交流市电1经过移相变压器9向各<功率单元>提供移相后的三相交流电1n。高压变频器可用于火电厂风机的驱动电机。见图1,一相中一个<功率单元>有:主回路电路为1n-3、死区补偿装置框图为4-7、主控系统7内含变频程序8。每相每个<功率单元>主回路包括移相后交流三相电1n、整流滤波电路2、IGBT全桥逆变器3。本实施例1基于FPGA的高压变频器死区补偿方法,包括如下步骤:1)见图1,每个功率单元内设如下死区补偿装置:由2个脉宽测量电路4、一片现场可编逻辑阵列5(FPGA)、一个驱动电路6和主控系统7组成。其中主控系统7是控制上述三相多个<功率单元>死区补偿的总控制系统。变频控制可为变频程序8设在主控制系统7内,也可独立设在<功率单元>内。见图3,高压变频器同一相串接的多个<功率单元>输入的移相后交流三相电1n相位不同。见图2每个脉宽测量电路4如下组成:①基准电压产生电路:由运放U1、电容C1、电阻R2、R4、R3、R5、R6组成，用于产生基准比较电压Vref1和Vref2。②积分电路:由电容C2、电阻R1、R7组成,用于对脉冲上升沿和下降沿进行积分。③比较电路:由比较器U2和U3组成,用于将积分电路输出与基准电压进行比较。比较器U2和U3输出端分别接FPGA输入接口S1、S2接FPGA两个输入IO口。④初始化电路:由晶体管Q1、Q2组成。两晶体管Q1、Q2基极分别接FPGA输出接口G。⑤设上述R2＝R1；R4＝R7；R3＝R6﹤﹤(R3+R5+R6)；C1﹥﹥C2…………式(A)见图1,将每个脉宽测量电路4中电路电压Uac端接IGBT全桥逆变器3输入高电位端D。电路电压Ua端接IGBT全桥逆变器中端E；电路低电位端DCN接IGBT全桥逆变器接地端O。2)见图6,主控系统7提供给定矩形脉冲U7,上升沿零时刻t0,下降沿零时刻t02。见图1,给定矩形脉冲U7由主控系统7通过光纤通信传输给FPGA5。被测实际PWM脉冲Ua的上升和下降沿零时刻为t11、t12。FPGA设的等效矩形脉冲Ux的上升和下降沿零时刻为tc1、tc2,并通过下述测量计算获得tc1、tc2。3)见图6,在给定矩形脉冲波形U7上升沿零时刻t0时,见图2,FPGA控制晶体管Q2断开,实际脉冲电压Ua经过R1、R7分压给C2充电。此充电过程即是对实际脉冲Ua上升沿积分的过程。4)见图2,当C2两端电压高于基准电压Vref1时，比较器U2输出高电平，FPGA捕获此上升沿，并记录上升沿积分结束时间t1(见图6)。同时，FPGA控制晶体管Q1闭合，将电容C2两端电压初始化为运放U1输出电压。见图6中,在等效矩形脉冲UX上升沿零时刻为tc1时，假定此时在等效矩形脉冲UX上脉冲高度为Udc，电容C2两端电压为UC2,令：根据积分电路，有：式(B),式(B)中在满足式(A)的条件下，有：由上达获得5)见图6,在给定脉冲U7下降沿零时刻t02，见图2,FPGA控制晶体管Q1断开，电容C2经过R1、R7放电，此过程即是对实际脉冲Ua下降沿积分的过程。6)见图2,当电容C2两端电压低于基准电压Vref2时，比较器U3输出低电平，FPGA捕获此下降沿，并记录下降沿积分结束时间t2。同时，FPGA控制晶体管Q2闭合，将电容C2两端电压初始化为0。7)见图6,在下降沿积分过程中，假设等效矩形脉冲UX下降沿零时刻为tc2，有：在满足式(A)的条件下，有：计算出最后确定出等效矩形脉冲UX宽度BX为：BX＝tc2-tc1＝t2-t18)FPGA由获得的脉冲宽度BX＝t2-t1和给定的脉冲宽度B7＝t02-t0得到当前脉冲宽度误差△＝BX-B7(见图6)。见图1,由FPGA对脉冲误差△进行累加，累加结果作为下一次脉冲脉宽的补偿值，即下一次FPGA输出脉冲宽度等于其接收到的给定脉冲宽度加上脉宽补偿值。FPGA输出脉冲经驱动电路6控制IGBT全桥逆变器。本实施例1基于FPGA的高压变频器死区补偿装置见上述死区补偿方法1)条和2)条,上面己描述,这里不再重复。上述FPGA5采用型号为:ACTEL公司的A3PN250。实施例2:用于光伏逆变器见图7,基于FPGA的光伏逆变器死区补偿方法和装置。除以下特征外,其于与实施例1完全相同:1)见图7,光伏逆变器的每相的主回路由光伏电池板1m，电容滤波电路2m，IGBT三相逆变桥3m组成。而在实施例1中的高压变频器对应的每相的主回路见图3和图1。见图3,三相变频电源中每相均串接多个<功率单元>而形成高压电源,三相交流市电1经过移相变压器9向各<功率单元>提供移相后三相交流电1n；见图1,每个功率单元主回路由移相后三相交流电1n、整流滤波电路2、IGBT全桥逆变器3组成。也就是本实施例2光伏逆变器每相主回路由图7主回路替代实施例1中图3和图1主回路。2)见图7,光伏逆变器三相逆变桥3m是3个桥臂，而实施例1图1中高压变频器IGBT全桥逆变器3为两个桥臂。3)见图7,光伏逆变器主控系统7m中没有变频程序8,而图1实施例1中高压变频器主控系统7中有变频程序8。