Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2010 №11

Однокристальная система управления матричным преобразователем частоты на основе ПЛИС CYCLONE III

Поляков Алексей  
Сидоров Сергей  

Управление матричным преобразователем частоты (МПЧ) предполагает одновременное выполнение нескольких функций, связанных с широтной модуляцией (ШИМ) отпирающих импульсов и распределением последних по управляющим входам силовых транзисторов. Традиционная аппаратнопрограммная реализация этих функций основывается на применении, соответственно, сигнального микропроцессора (DSP) и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Введение

Однако при индивидуальном и мелкосерийном производстве подобное исполнение системы управления (СУ) может оказаться излишне затратным. Снижение издержек достигается выполнением СУ на одном кристалле по принципу System on chip [1, 2]. Реальное воплощение этого принципа стало возможным с помощью последних модификаций ПЛИС фирмы Altera семейства Cyclone [3]. Их принципиальное отличие состоит в возможности параллельного выполнения как логических, так и DSP-функций при высоком быстродействии с тактовой частотой до сотен мегагерц. К числу положительных свойств ПЛИС Cyclone III следует отнести и возможность перепрограммирования системы без изменения структуры. Это создает предпосылки для разработки универсальной СУ, способной работать при различных законах ШИМ-регулирования.

Описание системы

Для получения универсального алгоритма представим функциональную схему замещения МПЧ в виде последовательного соединения активного выпрямителя (АВ) и автономного инвертора (АИ) (рис. 1в) [4, 5]. Для каждой из двух частей схемы справедливы уравнения связи входных и выходных напряжений:

Матричный преобразователь частоты: а) управляющая часть; б) силовая часть; в) схема замещения

рис. 1. Матричный преобразователь частоты: а) управляющая часть; б) силовая часть; в) схема замещения

Коэффициентами этих уравнений служат логические переменные, определяющие состояния фиктивных ключей в составе АВ (1) и АИ (2). Подстановкой (1) в (2) получаем уравнение связи напряжений для МПЧ в целом:

В отличие от (1) и (2), коэффициенты уравнения (3) s2, ... s9 определяют состояния девяти реально существующих транзисторов МПЧ. Отсюда следует, что формирование отпирающих импульсов для МПЧ должно подчиняться матричному уравнению:

Таким образом, управление МПЧ можно рассматривать как процесс переключения вентилей в виртуально существующих схемах АВ и АИ. Эта особенность упрощает задачу синтеза МПЧ с заранее заданными свойствами. Как правило, целью синтеза служит обеспечение электромагнитной совместимости преобразователя с питающей сетью и нагрузкой. Алгоритм (4) предоставляет возможность решения обеих задач путем одновременного и направленного воздействия на форму кривых сетевого тока и выходного напряжения. Как следует из принципа действия АВ, для получения необходимой формы сетевого тока достаточно задаться той или иной комбинацией отпирающих импульсов sA, sB, ... sC в его схеме, в то время как форма выходного напряжения в большей мере определяется последовательностью отпирающих импульсов sa, sъ, ... s-c (2) в схеме АИ. Применение двунаправленных транзисторных ключей существенно расширяет арсенал указанных алгоритмов, реализация которых может происходить на основе скалярного (модульного) или векторного принципов управления. В простейшем случае фазовое регулирование АВ может осуществляться с помощью синхронизирующих импульсов, определенным образом сфазированных относительно сетевого напряжения и имеющих длительность 2π/3 (sA0, s–A0, sB0, ѕ), π/3 (s, s–AВ, sAC, ѕ) или π/6 (s <π/6 (sAB1, sAB2, sAC1, ѕ).>AB1 , sAB2, sAC1, ѕ).

Поэтапная разработка управляющей системы на базе ПЛИС предполагает: определение параллельно выполняемых логических и DSP-функций, каждая из которых представлена на общей схеме (рис. 2) в виде отдельного блока; описание работы устройства с помощью языка VHDL; компиляцию и отладку проекта в среде Quartus II с последующей записью программы в так называемое конфигурационное ПЗУ. Полагается, что ШИМ-регулирование ведется на основе известного принципа сравнения управляющих и опорного сигналов. При этом формирование управляющих сигналов (sin(e), sin(b), sin(c)) происходит на выходе блока 1 в виде проекций задающего вектора на оси 3-фазной системы координат. С целью упрощения программы в блоке 1 использован стандартный генератор гармонических функций (IP-модуль NCO) с параметрами: тактовая частота — 1 МГц, разрядность — 16, способ организации — Small ROM. В раскрытом виде схема IP-модуля приведена на рис. 3а.

Схемный файл проекта (top-level schematic file) в программной среде Quartus II

рис. 2. Схемный файл проекта (top-level schematic file) в программной среде Quartus II

Схемный файл блока 1; б) окно параметризации IP-модуля NCO

рис. 3. а) Схемный файл блока 1; б) окно параметризации IP-модуля NCO

Показаны входы (Ipm constant 0, 1, 2) для кодового задания сдвига фаз управляющих сигналов (0, 2730, 1365). Изменение этих сигналов по уровню осуществляется с помощью масштабирующих звеньев (Ipm multO). Один из примеров получения гармонического сигнала в одной из фаз на выходе блока 1 приведен на рис. 3б.

Формирование опорного сигнала (saw) в блоке 2 осуществляется в режиме DSP-функций, выполняемых в обычных системах, как уже отмечалось, с помощью микропроцессора. Программа блока 2 приведена в листинге 1. В этом же режиме происходит работа блока 3 (comparator), осуществляющего сравнение указанных сигналов и выработку широтно-модулированных импульсов (fa, fb, fc). Необходимые для управления АВ синхронизирующие импульсы вырабатываются на выходах блока 4. В отличие от упомянутого блока 1 работа этой части схемы происходит на логической основе. При анализе программы (листинг 2) видно, что первичной информацией для выработки синхроимпульсов служат сигнатурные функции знака фазных (sg(eA), sg(eB), ...) и линейных (sg(eAB), sg(eAC), ...) напряжений сети. Основу системы управления составляет логический блок 5, предназначенный для выработки отпирающих импульсов U [9...1] в соответствии с уравнением (4). Структурно блок состоит из девяти (по числу силовых транзисторов) одинаково выполненных модулей, каждый из которых, согласно (4), реализует логическую функцию «2И-ИЛИ». Пример исполнения модуля показан на рис. 4а, а его программа приведена в листинге 3.

ѕ
if clock'event and clock='1' then
incr:=freq*256+1;
if (saw>1100000000 and sign='0')
then sign:=not sign;
z1:=not z1; z<=z1;
end if;
if (saw<-1100000000 and sign='1')
then sign:=not sign;
end if;
if sign='0'
then saw:=saw+incr;
else saw:=saw-incr;
end if;
saw_out<=saw;
end if;
ѕ
листинг 1. VHDL-программа блока 2
ѕ
if clock'event and clock='1' then
v:=sg(eAB)&sg(eBC)&sg(eCA)&sg(eA)&sg(eB)&sg(eC);
case v is
when "101001"=>sCA2<='1'; sCB1<='0'; sCB<='1'; sCA<='0';
when "101101"=>sAB1<='1'; sCA2<='0'; sCB<='1'; sCA<='0';
ѕ
when "001001"=>sCB1<='1'; sBA2<='0'; sCA<='1'; sBA<='0';
when others=>null;
end case;
end if;
ѕ
листинг 2. VHDL-программа блока 4
ѕ
if (((((sAB='1' or sAC='1') and z='1') or
((sAB1='1' or sAB2='1' or sAC1='1'
or sAC2='1')and z='0'))and fa='1')
or ((((sBA='1' or sCA='1') and z='1') or
((sBA1='1' or sBA2='1' or sCA1='1'
or sCA2='1')and z='0'))and fa='0'))
then u(1)<='1'; else u(1)<='0'; end if;
ѕ
листинг 3. VHDL-программа блока 5

Логический модуль в составе блока 5; б) окно временного анализатора (Classic Timing Analizer) в среде Quartus II

рис. 4. а) Логический модуль в составе блока 5; б) окно временного анализатора (Classic Timing Analizer) в среде Quartus II

Далее приводится описание работы системы в нескольких характерных для скалярного управления режимах.

Работа СУ на основе синусоидальной ШиМ с длительностью проводящего состояния ключей в схеме Ав λ = 2π/3

Данный случай наиболее прост в реализации, так как соответствует работе виртуального АВ в режиме неуправляемого выпрямителя. Это означает, что роль управляющих импульсов в схеме АВ могут выполнять синхронизирующие импульсы длительностью λ = 2π/3, в связи с чем в универсальном уравнении (4) принимаем: sA = sA0, sB = sB0, ѕ s–C = s–C0 (рис. 5б).

Диаграммы работы МПЧ при λ = 2π/3: а) напряжение eA(t) и ток iA(t) сетевой фазы А; напряжение в контурепротекания тока еАф(t); б) синхронизирующие импульсы

рис. 5. Диаграммы работы МПЧ при λ = 2π/3: а) напряжение eA(t) и ток iA(t) сетевой фазы А; напряжение в контурепротекания тока еАф(t); б) синхронизирующие импульсы

Полагается, что исходной формой задания управляющего воздействия на входе виртуального АИ служит вектор:

где a = exp(j2π/3) — угловой оператор 3-фазной системы; Ю[ — круговая частота управляющего сигнала. Переход к скалярной форме задания в виде проекций вектора ха, хь, хс на координатные оси и последующее их сравнение с опорным сигналом хоn приведет к появлению на выходе блока широтно-модулированных импульсов управления ключами АИ:

Дальнейшее поступление указанных импульсов на входы логического блока 5 будет сопровождаться формированием отпирающих импульсов s1 = «[1]; S2 = и[2], ... s9 = и[9] (рис. 4б) и, соответственно, появлением в цепях нагрузки преобразователя 3-фазного выходного напряжения:

Полученные компьютерным моделированием кривые фазных напряжений и токов нагрузки приведены на рис. 6. Диаграммы иллюстрируют работу МПЧ в пусковом режиме на активно-индуктивную нагрузку с постоянной времени 0,065 с при частоте управляющего воздействия 150 Гц. Видно, что основные функции, связанные с регулированием напряжения и частоты, выполняет звено АИ, в то время как функции АВ сводятся к получению заданных значений напряжения питания на его выходе и коэффициента сдвига тока на сетевом входе [6]. На рис. 5, 6 видны достоинства и недостатки данного способа модуляции. Если к первым следует отнести высокое качество электроэнергии в выходной цепи преобразователя, то ко вторым — существенно несинусоидальную форму потребляемого из сети тока. Причина этого недостатка вытекает из ограниченной на уровне λ = 2π/3 длительности проводящего состояния ключей в схеме АВ. Как известно, это приводит к появлению в кривой тока на сетевом входе мостовой схемы выпрямления нежелательных нулевых пауз длительностью π/3 (рис. 5а).

Рабочие диаграммы МПЧ в режиме синусоидальной ШИМ

рис. 6. Рабочие диаграммы МПЧ в режиме синусоидальной ШИМ

Работа СУ на основе модифицированной ШИМ с длительностью проводящего состояния ключей в схеме Ав λ = π

Улучшить форму сетевого тока МПЧ в условиях скалярного управления позволяет алгоритм модифицированной синусоидальной ШИМ. Отличительный признак предлагаемой модификации состоит в чередующемся с тактовой частотой подключении выходной цепи АВ к двум соседним, сдвинутым на π/3 сетевым фазам [7]. Данный процесс может происходить при постоянной (режим ШИР) или меняющейся (режим ШИМ) длительности подключений. В последнем случае отыскание моментов переключений в схеме АВ может происходить аналогично тому, как это осуществляется в АИ, с той разницей, что управляющие сигналы хА, хВ, хС должны изменяться синхронно с напряжениями сетевых фаз и иметь форму, при которой в работе в каждый момент будут находиться лишь два ключа в мостовой схеме АВ (рис. 7б). Благодаря этим мерам работа ключей будет происходить при λ = π, в результате чего упомянутая нулевая пауза в кривой сетевого тока устраняется. В рассматриваемой системе переход к модифицированной синусоидальной ШИМ осуществляется изменением коэффициентов в логическом уравнении (4) по следующему закону:

где z = 0(1) — признак четности (нечетности) такта. Остальные коэффициенты в уравнении (4) следует приравнять к нулю. Необходимый для реализации уравнения (8) порядок выработки синхронизирующих импульсов sAB, sAB1, sAB2, ... для ключей АВ показан на рис. 7а. Для иллюстрации получаемого эффекта на рис. 7в-д приведены расчетные кривые ЭДС e, e, e в цепях протекания сетевых токов, а также сами токи iA, iB, iC, в виде реакции активно-индуктивной цепи на указанную форму ЭДС. Для упрощения расчеты проведены при постоянной скважности управляющих импульсов. Видно, что, благодаря устранению нулевых пауз, кривые фазных токов приближаются к форме сетевых фазных напряжений, причем степень приближения возрастает по мере увеличения тактовой частоты переключений.

Диаграммы работы МПЧ в режиме модифицированной ШИМ при λ = π: а) напряжение ed(t) и ток id(t) на выходе звена АВ; б) синхронизирующие импульсы, а также кривые управляющих и опорного сигналов АВ; в–д) кривые 3-фазных напряжений и токов сетевого входа

рис. 7. Диаграммы работы МПЧ в режиме модифицированной ШИМ при λ = π: а) напряжение ed(t) и ток id(t) на выходе звена АВ; б) синхронизирующие импульсы, а также кривые управляющих и опорного сигналов АВ; в–д) кривые 3-фазных напряжений и токов сетевого входа

Заключение

Полученный в ходе данной работы опыт разработки матричного преобразователя частоты подтверждает техническую осуществимость и экономическую целесообразность однокристального исполнения управляющей системы МПЧ на основе ПЛИС последних поколений. Результаты показывают, что в наиболее простом скалярном исполнении без учета требований нагрузки данная система выполняется на основе 1500-2000 элементарных логических ячеек (ЭЛЯ), каждая из которых реализует логическую операцию «И-ИЛИ с памятью», в то время как ресурс популярной микросхемы ЕР3С5Е144 семейства Cyclone III составляет 5000 подобных ячеек при цене микросхемы $15-17 за штуку. Решающим фактором минимизации необходимого числа ЭЛЯ служит функциональная совместимость указанных ячеек с основным логическим уравнением (4). Эта особенность позволяет рассматривать указанную микросхему в качестве наиболее дешевого специализированного компонента управляющей части МПЧ в режиме скалярного управления.

Литература

  1. Карташев Е., Колпаков А. Базовые принципы проектирования матричных конверторов // Силовая электроника. 2009. № 5.
  2. Потехин Д. С., Тарасов И. Е. Разработка систем цифровой обработки информации на базе ПЛИС. М.: Горячая линия - Телеком, 2007.
  3. Cyclone-3. Device Handbook, Altera. San Jose. 2010. (Техническое описание.)
  4. Alesina A., Venturini M. Analisys and Design of Optimum-Amplitude Nine-Switch Direct AC-AC Converters // IEE Transactions on Power Electronics. 1989, Vol. 4. Januare, № 1.
  5. Huber L., Borojevic D. Analisys, Design and Implementation of Space Vector Modulator for Forced Commulated Cycloconverter // IEE proceedings-B. 1992, Vol. 139, № 2.
  6. Сидоров С. Матричный преобразователь частоты — объект скалярного управления // Силовая электроника. 2009. № 3.
  7. Пат. РФ № 2395891. Способ скалярного управления матричным преобразователем частоты / Сидоров С. Н. // Опубл. в БИ. 2010. № 21.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке