一种适用于三相级联h桥型变换器的简化多电平空间矢量脉宽调制方法及其调制软核的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高压大功率调速系统、高压直流输电系统、电气化铁路牵引供电系统、 大功率静止无功发生器的设计与制造领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，多电平变换器以其独特的结构特点，在高压大功率场合受到广泛关注。目 前常见的电压型多电平变换器大致可分为钳位型和单元级联型两大类。前者随着电平数的 增加，所需开关器件的数量急剧增加且不利于模块化、集成化和扩展化，使其在实际应用中 受到一定限制，而级联H桥型多电平变换器（cascaded H-bridge multilevel converter， CHMC)以其模块化结构简单、扩展性强、控制难度小、谐波含量低等优点，在各个领域中得到 广泛应用。其中，三相级联H桥型变换器在各个工业应用领域中逐渐扮演越来越重要的角 色，如高压大功率调速系统、高压直流输电系统、电气化铁路牵引供电系统、大功率静止无 功发生器等领域。
[0003] 脉冲调制技术作为直接影响多电平变换器输出性能的关键技术之一，主要包括 正弦脉宽调制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM)、空间矢量脉宽调制（space vector pulse width modulation，SVPWM)、最近电平控制（nearest level control，NLC) 等。目前，载波移相正弦脉宽调制（carrier phase-shifted sinusoidal pulse width modulation，CPS-PWM)因其易于各功率单元能量均衡分布、谐波特性好、可扩展性强、资源 占用少，在CHMC中得到了广泛应用。相比SPWM，SVPWM具有易于数字化实现、电压利用率高 等优点，具备广阔的应用前景，但作为传统两电平SVPWM在多电平变换器上的扩展应用，由 于电压空间矢量数量与输出电平数之间满足三次方关系且不具备CPS-PWM方法可扩展性 强、资源占用少等优点，传统的多电平SVPWM仅适合输出电平数较低的场合，难以在三相级 联H桥型变换器上的到广泛应用。
[0004] 随着现场可编程门阵列（FPGA)的不断发展，其功能越来越强大，应用也越来越广 泛。在这样的背景下，为了克服双DSP结构存在的缺点，逐渐提出了一种基于DSP和FPGA 的控制系统结构，如图2所示，此类结构由一片浮点运算DSP和一片FPGA组成，两者之间通 过双口 RAM进行数据交换，其特点在于利用FPGA完成PWM门控信号的产生，不仅利于向多 电平拓扑发展，能够产生更加精确的PWM门控信号，同时将AD等外部设备的控制放到FPGA 中执行，进一步减轻了浮点DSP的工作任务。但该结构中浮点DSP仍需要完成空间矢量调 制的相关计算工作。
[0005] 随着调制算法复杂度不断加大，对其性能要求越来越高，利用专用的软核完成 SVPWM相关工作以及相关外部设备的控制，不仅兼具硬件电路速度快、可靠性高等优点，同 时将核心控制器（浮点DSP)从繁重的重复性计算中解放出来，使其更好地运行核心控制程 序。同时随着电子设计自动化技术（EDA)的不断发展，使得设计者能够依托可编程逻辑器 件（FPGA、CPLD)、专用芯片等载体，在EDA软件平台上利用硬件描述语言完成硬件电路的设 计，极大地提高了电路设计的效率和可移植性，在硬件电路规模不断加大的同时，使得产品 的小型化逐步成为一种发展趋势。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种适用于大功率三相级联H桥型变换器的简化多电平 SVPWM方法，在具备传统多电平SVPWM方法直流侧电压利用率高、易于数字化实现等优点的 前提下，用以克服传统多电平SVPWM方法不易于个功率单元能量均衡分布、可扩展性不佳、 调制计算复杂度较高、调制系统芯片资源占用较大等缺点。该方法适用于大功率三相级联 H桥型变换器，具有良好的调制性能和良好的稳态与动态性能，且易于各功率单元能量均衡 分布、谐波特性好、可扩展性强、计算复杂度低、压利用率高、易于数字化实现。
[0007] 本发明为实现其发明目的，所采用的技术方案是：
[0008] -种适用于三相级联H桥型变换器的简化多电平空间矢量脉宽调制方法，三相级 联H桥型变换器拓扑结构从上至下分为三个单元，即单元1、单元2和单元3 ;在每个开关 周期1；开始时刻，按照矢量特定采样规则对参考空间电压矢量采样得到单元1、单元2 和单元3对应参考空间电压矢量tC、巧?和tC，然后利用共享计算资源分别将对应参考 空间电压矢量C、W和完成扇区判断，将对应参考空间电压矢量旋转到1扇区，得到 和，完成各单元参考空间电压矢量区域判断、矢量时间计算、开关切换时间计 算；再将计算所得开关切换时间映射到参考空间电压矢量实际扇区N，最后通过多路信号 选择对各单元对应开关切换时间进行分流并生成各单元对应PWM驱动信号，从而完成三相 级联H桥型变换器的调制；
[0009] 所述参考空间电压矢量采样规则为：
[0010] 在每个开关周期Ts开始时刻，对参考空间电压矢量采样得到如图1所示单元1 对应参考空间电压矢量tc?，然后以固定采样时间间隔T。对参考空间电压矢量CT >采样得到 后续单元2、单元3对应参考空间电压矢量t/=1和id1，然后对单元1、单元2、单元3对应参 考空间电压矢量添加标志位并传输到共享计算资源完成相关计算；
[0011] 所述多路信号选择方法为：
[0012] 根据计算得到的开关切换时间对应标志位进行判断，对各单元对应开关切换时间 进行准确判断并将串行开关切换时间转换为并行信号，分别用于根据PWM信号生成规则生 成各单元所需的PWM驱动信号。
[0013] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0014] -、本发明为三相级联H桥型变换器提供了一种扩展性较强的调制方法。该方法 通过将图1所示三相级联H桥型变换器的一个单元等效为一个三相三电平变换器，进而将 三相级联H桥型变换器等效为若干三相三电平变换器分别进行调制；通过按照特殊的规则 对空间参考电压矢量进行采样，并且利用共享的计算资源完成相关计算。当三相级联H桥 型变换器的单元数目发生改变时，只需要对矢量采样次数、开关周期T s、采样间隔T。进行 调整即可，有效避免了调制系统的重复设计，具有较强的扩展性。
[0015] 二、本发明为三相级联H桥型变换器提供了一种计算复杂度小、控制器资源消耗 少的调制方法。该方法将三相级联H桥型变换器等效为若干三相三电平变换器，从而将多 电平SVPWM简化为三电平SVPWM ;同时，利用三电平电压矢量空间内六个扇区的几何对称 性，将三电平SVPWM相关计算在1扇区内完成，进一步简化算法复杂度、减少控制器芯片资 源消耗。
[0016] 本发明的另一目的是提供一种实现以上三相级联H桥型变换器简化多电平SVPWM 方法的调制软核。
[0017] 本发明为实现其发明目的所采用的技术方案是：
[0018] -种实现如上所述方法的三相级联H桥型变换器的SVPWM调制软核，双端口 RAM 与浮点DSP、双端口 RAM控制模块相连；双端口 RAM控制模块与双端口 RAM、矢量采样模块、 扇区判断模块相连；扇区判断模块与双端口 RAM控制模块、N扇区上桥臂开关时间映射模块 相连；区域判断模块