姜香菊，刘二林

JIANG Xiang-ju1, LIU Er-lin2

（1.兰州交通大学 自动化与电气工程学院，兰州 730070；2.兰州交通大学 机电工程学院，兰州 730070）

0 引言

传统的交—交电力变换器存在着功率因数较低以及谐波污染较严重等方面的问题，这些问题严重的制约了交—交电力变换器在电机调速中的进一步应用。矩阵变换器正是为了弥补交—交变换器的不足而提出的一种新型变换技术，这种新型变换器技术能更好地使交流电动机调速系统的工作性能得到改善，使交流传动在工业自动化领域得到更广泛的应用[1～3]。本论文论述了利用数字信号处理器(DSP)与复杂可编程逻辑控制器件(CPLD)相结合的方式设计制作矩阵变换器样机的思路与方法，同时给出了实验结果。

1 矩阵变换器控制系统构成

三相—三相矩阵变换器样机系统原理结构图如图1所示，主要由系统主电路、核心控制计算电路和外围硬件控制电路三个大部分组成。其中，主电路主要由输入滤波器、3×3双向矩阵开关以及箝位电路构成；外围硬件电路主要由信号采样和调理电路、IGBT驱动保护电路、辅助开关电源构成；核心控制计算电路主要由数字信号处理器(DSP)与复杂可编程逻辑控制器件(CPLD)构成[4,5]。

2 矩阵变换器控制系统硬件设计

2.1 矩阵变换器控制系统主电路

矩阵变换器控制系统主电路如图2所示。矩阵变换器的开关矩阵由9个IGBT双向开关(共18个）连接组成，每个双向开关均为共集电极式结构，由控制电路控制其通断。

图1 三相-三相矩阵变换器系统结构图

图2 矩阵变换器的主电路结构图

2.1.1 输入滤波器电路

输入滤波器在矩阵变换器中所起到的作用是：最大限度地消除输入电流中由于双向开关频繁动作带来的高频谐波，并且降低电源侧的高频谐波成分，使输入功率因数得到改善和提高。因此，考虑从矩阵变换器的实际需要出发，对输入滤波器的基本技术要求是：其截止频率应低于矩阵变换器的采样频率而高于电源电压基频；为提高矩阵变换器的电压利用率，应最大限度地降低滤波器上的电压降；滤波器尽可能少的吸收网侧无功功率；最大限度地减少由该滤波器引起的滤波前后输入电流基频分量的相位差；尽量减小滤波器的体积并且减轻自身重量，达到低成本的目的[6,7]。实际的滤波器结构如图3所示。

图3 输入滤波器结构图

2.1.2 箝位电路

箝位电路其实是一种保护电路，设计如图4所示。

设计箝位电路中的参数为：两个三相整流桥：20L6P45，额定800V/20A；电容C1：由两个220μF /450V电解电容串联组成；电阻R1、R2：20Ω/5W；R3：100kΩ/2W。

图4 二极管箝位电路图

2.2 矩阵变换器控制电路设计

在矩阵变换器控制电路中，核心部分是由DSP和CPLD芯片构成的核心控制计算电路。为实现间接空间矢量调制的算法，系统选择电机常用的控制芯片TMS320LF2407定点DSP，同时还选择了包含320个逻辑宏单元的EPM9320LC84-20 CPLD芯片，来完成向开关矩阵发出18路驱动信号的工作，以实现IGBT双向开关的四步换流工作方式[8,9]。

2.2.1 控制电路设计

控制电路硬件结构框图如图5所示。实际系统应用中，由各个传感器采集到的矩阵变换器的输入以及输出侧的波形（包括电压和电流），经调理电路处理后送入DSP芯片的模/数转换接口。由光电编码器发出的包含电动机转子转速、旋转方向信息的两路方波信号分别送入DSP芯片的EVB模块中的QEP4输入口。DSP开始执行间接空间矢量调制算法，并向CPLD发出4路PWM信号、6路输入电流空间矢量扇区号信息I1～I6和6路输出电压空间矢量扇区号信息O1～O6。

图5 控制电路硬件结构图

2.2.2 CPLD开关换流控制器设计

在EPM9320LC84-20 CPLD芯片中，采用Altera硬件描述语言(AHDL)编写程序，来实现双向开关的四步换流动作。CPLD开关换流控制器的结构如图6所示。

图6 CPLD开关换流控制器结构图

开关换流控制器包括解码器、延迟器和开关序列器三部分。其中的解码器用来确定开关导通信号，延迟器和开关序列器完成四步换流方式[10,11]，并将生成的18路开关信号输出到驱动电路中。

3 矩阵变换器控制系统软件设计

矩阵变换器实现异步电机矢量控制系统的软件设计主要包括对DSP和CPLD芯片的软件设计。系统中，DSP是整个系统的控制与计算核心，主要完成对电机位置检测控制、速度的调节与计算，以及电流电压控制信号的生成等控制功能。CPLD芯片主要实现开关的四步安全换流控制[12]。

3.1 DSP软件设计

DSP软件程序主要包括系统主程序和中断程序。主程序主要完成对系统所涉及的各个变量进行初始化以及中断定义的功能，主程序流程如图7所示。中断处理程序框图如图8所示。

图7 矩阵变换器主程序流程结构图

图8 中断处理程序框图

3.2 CPLD软件设计

由DSP芯片产生的输入电流、输出电压扇区状态码以及占空比信号一并输出给CPLD，CPLD通过查表从而得到矩阵变换器的9路驱动信号，输出给端口。当遇到电路过载或者短路情况时，短路保护电路会立刻向CPLD发出报警信号，接到信号后，CPLD便马上关断所有的信号输出，将输出的9路PWM信号变为低电平。整个CPLD的程序流程图如图9所示。

4 实验结果及分析

实验系统具体参数如下：电动机：PN=2kW；nN=950r/min；额定电压：△接法，380V；IGBT：EUPIC 75A/1700V。

图9 CPLD程序流程图

图10给出了矩阵变换器供电下的异步电动机从空载开始起动到稳定转速750 r/min的过程当中，转子三相电流变化曲线、电机的电磁转矩以及转速波形。

图10 空载时系统输出波形图

5 结束语

矩阵变换器系统设计不仅能够实现传统变换器的所有功能，而且有功率开关器件相对较少、箝位电路大大简化、换流简单可靠、控制算法的复杂性降低等优点，能够实现较好的传动性能，并且可以满足日益严格的电网电能质量的要求。

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