一种基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速系统 (一)技术领域：
本发明涉及一种变频调速系统，特别是一种基于移相式SVPWM(空间矢量脉宽调制；Space Vector Pulse Width Method)调制方法的级联多电平变频调速系统。
(二)背景技术：
电能是当前人类文明发展的动力，也是当前衡量一个国家发展与人民生活的一个重要指标。我国的电能生产与发展已经名列世界前茅，但仍不能满足工业生产和人民生活提高的需要，其中一个主要原因就是电能的浪费现象很严重，因此变频调速电路以其优异的节电性能越来越受到人们的重视。变频调速是一种比较理想的调速方法，其调速性能优良、效率高，是交流调速电路的主要发展方向。自20世纪90年代以来，多电平技术在高压大功率方面的应用越来越广泛，而级联多电平技术以其开关损耗小、谐波含量低、效率及功率因数高等优点，得到了更加良好的发展前景。SVPWM技术将变频器和交流电机视为一个整体，把数学模型建立在电机统一理论和坐标变换理论基础上，具有电压利用率高、谐波特性好等优点，在交流调速系统中得到广泛应用，将SVPWM调制技术应用于级联型变频器，能大大提高点击的运行特性和工作效率。但是传统的SVPWN调制方法中存在的电压矢量选择困难和计算复杂的问题，传统的载波移向PWM调制方法中存在的电压利用率较低的缺点。
(三)发明内容：
本发明的目的在于提供一种基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速系统，它把三电平SVPWM调制和移相技术结合应用于级联多电平变频调速系统，能够解决现有技术的不足，是一种结构简单、操作方便、运行速度精度高的变频调速系统。
本发明的技术方案：一种基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速系统，包括工频电源、异步电机，其特征在于它主要由变频器主电路、控制电路和采样电路构成；其中，所说的变频器主电路和控制电路由工频电源为其供电，所说的变频器主电路的输入端还与控制电路的输出端连接，其输出端与采样电路的输入端、异步电机的输入端连接；所说的控制电路的输入端与采样电路的输出端连接，输入采样信号，并将得到的PWM控制信号输送给变频器主电路。
上述所说的变频器主电路由3N个功率单元组成，每个功率单元均是一个单相输出的AC/DC/AC变频器，相邻的N个功率单元的输出端级联组成一相，三相以星形结构连接；所说的每个功率单元的输入端分别连接控制电路输出端。
上述所说的控制电路包括DSP主控板和FPGA板，其中所说的DSP主控板的输出端与FPGA板的输入端连接，采用DSP与FPGA联合控制，DSP采用TI公司的TMS320LF2812芯片，FPGA采用Altera公司的Cyclone芯片。
上述所说的采样电路由采集电压信号的A/D转换模块、采集电流信号的A/D转换模块和采集频率信号的A/D转换模块构成，且A/D转换模块采用AD7684型号，其连接为常规连接。
一种上述基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)采样电路在变频器主电路输出端检测电压、电流和频率信号，并把这些信号送入到以DSP为核心的控制电路中；
(2)DSP主控板实现电压前馈解耦型矢量控制，并计算出一个三电平变频单元的矢量，并输出PWM信号；
(3)FPGA板接收DSP主控板的PWM信号并对其移相，实现移相式SVPWM输出，从而控制功率开关器件的触发角和关断角，使各个功率单元输出相位相差π/N、幅值完全相同的电压；
(4)变频调速系统主电路的各功率单元接收控制电路输出的SVPWM信号进行动作，各个功率单元输出的电压经过叠加形成不同频率和幅值地正弦电压，直接输出供给电动机，从而实现变频调速功能。
本发明的工作原理：(1)由三电平变频器扩展开去，对于N单元级联变频电路，每个单元仍可看成一个三电平变频器，故单元级联电路可以采用基本的三电平SVPWM调制方法。为得到多电平的输出效果，借鉴移相式SPWM的调制思路，每相N单元的各矢量作用顺序一致，但各级连单元电压矢量作用时间有相位差，即矢量存在相移。设空间矢量的采样时间为Ts，采用上述调制方法，N单元级联变频电路各单元矢量作用时间的差值为Ts/N；(2)主控板DSP矢量控制采用汇编语言编程，包括主程序和中断子程序。主程序负责有关相关的初始化；中断子程序是程序的核心，包括电流采样环节、转速测试环节、坐标变换环节、转子磁链位置估算环节和PI调节环节等。PWM分配板FPGA芯片采用原理图法和VHDL语言的混合编程实现PWM脉冲的移相多路输出；(3)DSP只负责一个三电平变频单元的矢量计算，其他(N-1)单元的矢量控制信号采用FPGA进行移相得出，并在其中加入死区时间(见图4)。
本发明的优越性在于：(1)利用高性能数字信号处理芯片(DSP与FPGA)及级联多电平技术实现级联多电平变频调速电路，在很大程度上提高了变频器输出电压的电能质量，提高了电动机的响应速度和精度；(2)减少了输出电压的谐波含量和du/dt值，逆变器的开关管工作在低压低频(或工频)状态，开关损耗及EMI较小，效率较高；(3)把三电平SVPWM调制和移相技术结合应用于级联多电平变频调速系统，能够解决基传统的SVPWN调制方法中存在的电压矢量选择困难和计算复杂的问题，还能解决传统的载波移向PWM调制方法中存在的电压利用率较低的缺点。
(四)附图说明：
图1为本发明所涉一种基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速系统的系统结构框图。
图2为本发明所涉一种基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速系统中变频器主电路的电路拓扑图。
图3为本发明所涉一种基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速系统中控制电路的结构框图。
图4为本发明所涉一种基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速系统的DSP中断服务子程序流程图。
(五)具体实施方式：
实施例：一种基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速系统(见图1)，包括工频电源、异步电机，其特征在于它主要由变频器主电路、控制电路和采样电路构成；其中，所说的变频器主电路和控制电路由工频电源为其供电，所说的变频器主电路的输入端还与控制电路的输出端连接，其输出端与采样电路的输入端、异步电机的输入端连接；所说的控制电路的输入端与采样电路的输出端连接，输入采样信号，并将得到的PWM控制信号输送给变频器主电路。
上述所说的变频器主电路(见图2)由3N个功率单元组成，每个功率单元均是一个单相输出的AC/DC/AC变频器，相邻的N个功率单元的输出端级联组成一相，三相以星形结构连接；所说的每个功率单元的输入端分别连接控制电路输出端。
上述所说的控制电路(见图3)包括DSP主控板和FPGA板，其中所说的DSP主控板的输出端与FPGA板的输入端连接，采用DSP与FPGA联合控制，DSP采用TI公司的TMS320LF2812芯片，FPGA采用Altera公司的Cyclone芯片。
上述所说的采样电路由采集电压信号的A/D转换模块、采集电流信号的A/D转换模块和采集频率信号的A/D转换模块构成，且A/D转换模块采用AD7684型号，其连接为常规连接。
一种上述基于移相式SVPWM调制方法的级联多电平变频调速系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)采样电路在变频器主电路输出端检测电压、电流和频率信号，并把这些信号送入到以DSP为核心的控制电路中；
(2)DSP主控板实现电压前馈解耦型矢量控制，并计算出一个三电平变频单元的矢量，并输出PWM信号；
(3)FPGA板接收DSP主控板的PWM信号并对其移相，实现移相式SVPWM输出，从而控制功率开关器件的触发角和关断角，使各个功率单元输出相位相差π/N、幅值完全相同的电压；
(4)变频调速系统主电路的各功率单元接收控制电路输出的SVPWM信号进行动作，各个功率单元输出的电压经过叠加形成不同频率和幅值的正弦电压，直接输出供给电动机，从而实现变频调速功能。