基于compactRIO三相PWM整流控制器的设计

2015-10-14徐朋曾启帆向东孟光伟江潇

船电技术 2015年1期

徐朋，曾启帆，向东，孟光伟，江潇

徐朋1，曾启帆1，向东1，孟光伟1，江潇2

（1.海军工程大学，武汉 430033；2. 92724部队，山东青岛266109）

使用NI公司的LabVIEW2012和cRIO9081软、硬件平台成功搭建一套三相两电平PWM整流控制器。控制器采用电压、电流双闭环控制结构和空间矢量调制算法，其核心算法全部在compactRIO的FPGA中完成，具实时性高，运算并行，时序稳定等特点。实验和仿真结果验证了该设计的正确性与有效性。

compactRIO FPGA PWM整流双闭环控制

0 引言

三相电压型PWM整流能实现能量双向流动、输入功率因数为1、低输入电流谐波含量、输出电压可控[1]。它还可以有效地抑制电网谐波和进行电网的无功补偿，弥补了传统整流的不足。迄今为止，国内外学者提出了多种PWM整流的控制方法。其中电压电流双闭环控制、直接功率控制和基于现代控制理论的新策略等由于效果较理想，成为研究的热点[2]。直接动率控制开关频率不固定，对算法要求高，实现难度大。电压电流双闭环控制实现相对简单，控制算法比较成熟，被大多设计者采用。PWM调制策略的研究中，SVPWM电压利用率高，谐波畸变率小，取代了SPWM成为最受欢迎的调制策略[3]。

国内的整流控制器一般由微处理器（MCU和DSP）或专用控制芯片（ASIC）承担。然而，DSP本身存在固有的缺陷，其串行时序的运算方式在高速环境下很容易出现时序问题，导致程序失控；此外，微处理器中不确定的中断响应也会导致PWM脉冲的相位抖动[4]。现场可编程门阵列（FPGA）并行运算能力强大，能同时输出多路信号，真正做到同步输出。而且，FPGA的编程语言是硬件描述语言，十分便于实时控制。但是FPGA内部资源有限，要实现复杂算法则需要外接其他芯片。compactRIO内部是典型的FPGA+通用CPU的结构，程序可灵活地规划到FPGA或CPU中。compactRIO通过LabVIEW的软件平台开发，借助LabVIEW强大的虚拟界面，能在线进行数据观测和参数修改。

1 主电路拓扑和控制器结构

1.1主电路拓扑

1.2 控制结构

本文采用的是电压电流双闭环PI控制，根据文献［5］的方法，本文的控制结构如图2所示。

2 控制器设计

2.1硬件结构

NI公司的CompactRIO是可重复配置的控制与采集系统，采用开放式嵌入式体系结构，配置小尺寸、高坚固性和可热插拔工业I/O模块，与传统的总线系统相比，具有体积紧凑、可靠性高等优点[6-7]。

本设计采用的CompactRIO控制器由CPU模块cRIO-9081、模拟量输入模块NI9220、高速数字I/O模块NI9041等组成。cRIO-9081模块包括1.06 GHz双核CPU，主频40 MHz的LX75可重置FPGA和实时软件操作系统LabVIEW。I/O模块NI9220，NI9041等由FPGA直接控制。硬件组成结构如图3所示。

本系统的核心算法全部在CompactRIO上的FPGA内完成，波形监测与分析程序在CompactRIO上的实时CPU上完成。FPGA与CPU之间通过高速度总线PCI Bus传递数据，而开发计算机通过网线与CompactRIO联接，完成程序开发和实时参数修改及显示。

NI9220是16通道16位模拟输入模块，电压、电流信号通过此模块采集，经A/D转换后传递给CompactRIO。它的最大采样频率可达100 kS/s（周期10 μs），可以快速无差地采集系统的电流和电压，精度可达微秒级别。NI9041是8通道的高速双向数字I/O模块，控制器中产生的六路PWM调制信号通过此模块经驱动电路放大后输出给IGBT整流桥。

2.2软件设计

与基于事件触发的C语言等编程语言不同，LabVIEW采用的数据流结构，这与FPGA的并行运算特性能很好的兼容。根据LabVIEW设计特点，程序被分为三个循环，每个循环为程序的一个模块：数据采集模块、主控制模块、PWM处理和输出模块。不同循环间通过局部变量传递数据。

1）数据采集模块

数据采集模块对NI9220采集的电压、电流信号进行数据处理，校正放大倍数，设置采样频率。本数据采集循环的周期设置为50 μs，即信号采样频率为20 kS/s。

2）主控制模块

此模块为软件程序的核心，电压、电流信号被输送给主控制模块后，进行坐标系变换，PI双闭环控制和SVPWM计算，最后输出SVPWM的三相调制波。主控制模块结构如图4所示。

3）PWM处理和输出模块

此模块将SVPWM调制波与周期固定的载波比较转变成PWM脉冲，再经过毛刺处理和死区处理，得到六路PWM脉冲信号并送给NI9041。PWM处理和输出模块采用定时循环结构，循环频率固定为FPGA的主频—40 MHz，保证了输出PWM波形的精度和时序。

2.3 FPGA程序的优化

LabVIEW FPGA程序设计是基于循环结构的。一般来说，循环周期越短，有利于提高程序的动态响应；循环周期越稳定，又有利于保证程序间严格的时序关系。

为了保证控制的精确性，主控制模块的循环周期应小于PWM载波周期的一半。当控制程序运行时间超过循环周期时，必须进行程序设计优化。

1）让循环内部的一些代码嵌套在单周期定时循环（SCTL）中，并使此循环只运行一次，目的并不是使程序循环，而是强制限定编译器让程序必须在一个很短的定时周期内完成[8]。

2）如果程序无法在一个定时周期内完成，可把程序用反馈节点分成几份，反馈节点作用类似寄存器，程序相当于被流水线化，多线程同步运行。

因为本设计的开关频率固定为10 kHz，需保证其载波频率固定。载波生成模块被放在PWM处理和输出模块所在的定时循环中，用计数程序生成。此定时循环频率为40 MHz，所以误差在25 ns之内。

3 仿真与实验分析

为了验证上述方案的可行性和有效性，本文分别搭建了仿真平台和实验平台。表1给出了该三相电压型PWM整流器的参数。

图5(a)为在matlab/simulink仿真环境下的交流侧A相电源电压E和电流波形I。

图5(b)为直流侧电压U的波形。为了便于观测，matlab仿真中的电流在数值上都放大了10倍。从仿真结果可以看出，EI功率因数基本为1，U经过一段时间后达到指定值。

实验样机的整流桥型号为TOSHIBA公司的MG180V2YS40，实验的电流波形由LT208-S7传感器采集，电压波形由LV28-P传感器采集。死区时间设置为5 μs。

图6为实验中的电压电流波形，右图为U由不控整流到PWM整流的动态变化，可以看出，实验结果和仿真结果基本一致，证明了方案的可行性和正确性。

4 结语

本文以compactRIO控制器为核心，提出了一种三相PWM整流器的实现方案，整流器的控制算法全部都在FPGA中实现，并进行了优化，使控制器的执行速度有很大的提升。仿真和实验结果验证了设计方案的可行性和正确性，为PWM整流器的实现提供了一种新的思路。

[1] Singh B，Singh B N，Chandra A，et a1．A review of three-phase improved power quality AC-DC converters[J]．IEEE Transaction on Industrial ElectroniCS，2004，51(3)：641-660.

[2] 王恩德, 黄声华. 三相电压型PWM整流的新型双闭环控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2012, (15):24-30.

[3] 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制［M］.北京：机械工业出版社，2005.

[4] 冒建亮, 叶桦, 张舒哲. 基于FPGA的变频控制系统的实现[J]. 东南大学学报(自然科学版). 2012,(S1)：25-30.

[5] 胡开埂,杨贵杰. 基于DSP的三相PWM可控整流系统的设计[J]. 电气应用, 2007,(10)：51-54.

[6] Pican E, Omerdic E, Toal D, et al. Direct interconnectionof offshore electricity generators[J]. Energy, 2011, 36(3):1543-1553.

[7] 黄晓燕, 冯西安, 高天德. 基于CompactRIO 的多通道阵列数据采集系统实现[J]. 测控技术, 2009, 28(12):17-19.

[8] 陈树学，刘萱. LabVIEW宝典［M］. 北京：电子工业出版社，2011.

Design of Three-phase Two-level PWM Rectifier Controller Based on CompactRIO

Xu Peng1, Zeng Qifan1, Xiang Dong1, Meng Guangwei1, Jiang Xiao2

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. No.92724 Unit of PLA, Qingdao 266109, Shandong, China)

TM461

1003-4862（2015）01-0009-04