基于FPGA的空间矢量脉宽调制算法的设计.pdf

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1、圜经验交流基于FPGA的空间矢量脉宽调制算法的设计刘斌谢云刘燕江(广东工业大学自动化学院)摘要：在一些高性能的运动控制系统中，需采用处理速度快、处理数据量大、高可靠性和高实时性的底层信号算法。通过对空间矢量脉宽调制(SvPwM)原理和算法的分析，提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的SVPWM信号发生器的设计方案，介绍SVPWM模块的FPGA生成方法，并在FPGA上得到了具体的验证和实现。该设计利用SVPWM算法和FPGA的优点，使SVPWM算法不仅易于实现数字化和实时控制，而且直流电压利用率高、控制性能好，对设计高性能的运动控制系统有重要的应用价值。关键词：FPGA；SVP

2、WM；变频调速0引言作一个整体，以三相对称正弦波电压供电时，电动机产生的理想磁链圆作为参考标准，通过切换三相随着永磁材料、电力电子技术和微处理控制器逆变器的不同开关模式，使逆变器输出的空间电压的发展以及各种控制策略的不断提高，数字控制器矢量运行轨迹尽量近似于基准的磁链圆，进而控制在运动控制领域应用越来越广泛。空间矢量脉宽调驱动器工作达到变频调速目的。制(spacevectorpulsewidthmodulation，SVPWM)三相电压源型逆变电路如图1所示。技术是通过对三相坐标进行坐标变换，用两相静止坐标系描述交流电机的电压矢量空间，通过控制不同开关状态构成的8个空间矢量合成运

3、行轨迹逼近圆形磁场【1J。相比于SPWM调制方法，SVPWM技术具有电压谐波少、电机转矩脉动小、开关切换C频率降低、直流电压的利用率高等优点[2]，因此SVPWM广泛应用于数字变频控制系统。目前，数字信号处理器(digita1signalprocessor，DSP)广泛应用于矢量控制系统，但由于DSP是串行运算，对于复杂系统，需采用处理速度快、处理数据量大、高可靠性和高实时性的底层信号算法[引，图l三相电压源型逆变电路DSP无法满足要求。而现场可编程门阵列(field—在实际运行中，为防止上下桥臂导通发生短programmablegatearray，FPGA)具有并行处理、运算速

4、度快、可靠高等特点，能够实现复杂的底层路，损毁器件，上下桥臂的开关状态要互补。每相桥臂的开关状态分别对应、、，每相桥臂控制算法。FPGA主要用软件方法实现硬件的电路，上桥臂关断下桥臂接通用0表示，反之则为1。逆对芯片进行验证，使硬件电路设计和软件需求很好地结合统一，节省研发费用和流片的损失。变器的工作状态可以用上下桥臂的开关状态表示，其工作状态共有8种，如图2所示。8种工作状态lSVPWM的基本原理分别对应8个电压矢量[5】，其中6个基本电压矢量SVPWM[4]主要思想是把交流电机和逆变器看为(001)、(010)、(011)、(100)、36u5(101)、u6(110)和2个

5、零电压矢量为u0(000)、模块、比较值模块、三角载波模块、死区时间设置u7(111)。6个基本电压矢量在空间上依次相差模块等组成。SVPWM算法的设计框图如图3所示。f1／3)Ⅱ，每个基本电压矢量的幅值为(2／3)UDc。2软件设计在QuartusII环境下，采用VerilogHDL个零电压矢量位于中心位置，幅值为零。6个基本语言编写各个子模块。电压矢量和2个零电压矢量将电压空间矢量划分为6个扇区，任意电压矢量可以在每个扇区内，用相邻的2个基本电压矢量和零电压矢量合成。因此，如式(1)所示。9：c(++&)(1)j其中，为不同状态下逆变器输出电压空间矢量；为逆变器输出的电压值；

6、a=e；、、为每相桥臂分别对应的开关状态。图3SVPWM算法的设计框图由式(1)可知，与逆变器8种导通方式对应有8种输出电压控制矢量。2．1判断扇区模块为确定空间电压矢量ur所在的值扇区，可先求出在a、b、c所构成坐标系下的投影、、，再与0进行比较。go=Ud(100)一一一一÷t2"：一三(2)孚一圭N：4C+2B+Au．(OO1)us(101)其中，、、c为投影值、、的符号；、图2基本空间矢量分别为直轴和交轴的电压。2SVPWM控制算法的设计如果>0，则A=I，否则A=0；如果>0，则B=I，否则：0；如果>O，则C=I，否则C=0。SVPWM控制算法实现：通过锁相环产生不同

7、Ⅳ代表电压矢量所在的扇区号，Ⅳ采用Q0格式，的时钟频率，控制三相正弦波和三角载波，其中正其他参数都采用l6位Q14格式。变量J7V与扇区的弦波通过CORDIC[6]算法产生，以确定扇区和基本关系如表1所示。电压矢量的作用时间；再把三相调制波对应于三相表1变量Ⅳ与扇区的关系逆变器上桥臂的开关导通时间，用三相调制波与三Ⅳ123456角载波进行比较，产生六路触发脉冲。然而逆变器扇区IIIIIIIVIVVI在实际工作中，通常要设置死区时间(一般为3US～5us)，以防止上下桥臂之间的开关