基于FPGA的高精度死区补偿方法及装置

摘要

基于FPGA的高精度死区补偿方法及装置。每个IGBT逆变器设2-3个脉宽测量电路、一片FPGA、驱动电路和主控系统。测量电路有:由运放U1、C1、R2、R4、R3、R5、R6组成的电压产生电路；由C2、R1、R7组成的积分电路；比较器U2和U3；由晶体管Q1、Q2组成的初始化电路。主控系统提供给定矩形脉冲；被测实际PWM脉冲上升和下降沿积分结束时刻由测量中记录；等效矩形脉冲上升和下降沿零时刻由计算获得,最后将误差累加进行补偿。补偿原理是测出实际PWM脉冲波形进行。获得的等效脉宽更准确、补偿精度最高、测量电路电圧稳定、补偿效率高、抗干扰性更好。有效排除波形畸变导致高压变频器电机转矩脉动和对光伏逆变器供电质量的影响。

主权项

基于FPGA的高精度死区补偿方法，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(9)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FPGA(5)、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…………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U_C2,令：$\frac{R4}{R4+R2}{U}_{dc}={\mathrm{kU}}_{dc}$根据积分电路，有：$V_{ref1}={\int }_{t0}^{t1}\frac{({\mathrm{kU}}_a-U_{c2})}{{\mathrm{RC}}_2}dt$   式(B)式(B)中在满足式(A)的条件下，有：${\int }_{t0}^{t1}{U}_{a}dt\approx V_{ref1}\frac{{\mathrm{RC}}_2}{k}=U_{dc}(t_1-t_{c1})$   获得$t_{c1}=t_1-{\mathrm{RC}}_2\frac{R6}{R3+R5+R6}$5)在给定矩形脉冲U7下降沿零时刻t02时，FPGA控制晶体管Q1断开，电容C2经过R1、R7放电，此过程是对实际脉冲电压Ua下降沿积分的过程；6)当电容C2两端电压低于基准电压Vref2时，比较器U3输出低电平，FPGA捕获此下降沿，并记录下降沿积分结束时间t2。同时，FPGA控制晶体管Q2闭合，将电容C2两端电压初始化为0。7)在下降沿积分过程中，假设实际脉冲等效矩形脉冲U_X下降沿零时刻为tc₂，有：$V_{ref2}={\mathrm{kU}}_{dc}-\frac{1}{C_2}{\int }_{t02}^{t2}\frac{U_{c2}-{\mathrm{kU}}_a}{R}dt$在满足式(A)的条件下，有：${\int }_{t02}^{t2}{U}_{a}dt\approx \frac{{\mathrm{RC}}_2}{k}{V}_{ref2}-U_{dc}({\mathrm{RC}}_2-t2+t02)=U_{dc}(t_{c2}-t_{02})$由此便获得$t_{c2}={\mathrm{RC}}_2\frac{R5+R6}{R3+R5+R6}-{\mathrm{RC}}_2+t_2$最后确定出等效矩形脉冲UX宽度为：B_X＝t_c2‑t_c1＝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。