基于FPGA的SVPWM算法的实现毕业论文

1、基于 FPGA的 SVPW算M 法的实现 摘 要：为了数字实现 SVPWM的算法， 文中采用了以 FPGA作为硬件基础， 给出了基于 FPGA 的 SVPWM算法的具体算法以及软件设计。文中使用Verilog HDL 编写 FPGA程序，采用语句 和图形编辑相结合的方式进行编程以达到程序结构清晰的目的。 程序采用 Mealy 型状态机的 程序结构，以达到增加硬件资源的利用率，结构清晰，便于数字设计的目的。其中，软件通 过了 Modelsim Altera 进行仿真， 给出了其相关的仿真波形图以说明其无误。 文中使用 Storm FPGA 开 发 板 对 软 件 进 行 验 证 ， 其 中 开

2、发 板 的 核 心 芯 片 为 Altera 公 司 生 产 的 EP3C10E144C8这款 FPGA芯片，使用了 RC滤波电路对 PWM信号进行滤波处理并且给出了输 出信号的示波器波形图和借助硬件电路驱动一台三相交流电机以说明其算法实现的准确性。 关键词： SVPW；M FPGA；空间矢量脉宽调制； Verilog HDL The Realization of SVPWM Algorithm Based on FPGA Abstract: To realize digital SVPWM algorithm, this paper adopted in hardware based on

3、FPGA, and gives the specific algorithm of SVPWM algorithm based on FPGA and the software design. FPGA program written in this paper, we use Verilog HDL, adopt the way of combining statements and graphics editing program in order to achieve the purpose of the program structure is clear. Program type

4、with Mealy state machine structure, increase the utilization of hardware resources, in order to achieve the structure is clear, for the purpose of digital design. Among them, the software through the Modelsim Altera simulation, its related simulation waveform graph is given to illustrate its correct

5、. In this paper, we use the Storm FPGA development threatening the software validation, in which development board of the core chip of Altera company EP3C10E144C8 the FPGA chip, using the RC filter circuit to filter the PWM signal and output signal oscilloscope waveform diagram is given to illustrat

6、e the accuracy of the algorithm.矚慫润厲 钐瘗睞枥庑赖。 Key words: Space vector pulse width modulation; SVPWM; FPGA; Verilog HDL聞創沟燴鐺險爱 氇谴净。 目录 1 绪论 (1) 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。 1.1 空间矢量控制技术 (1) 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。 1.2 现场可编程门阵列 (2) 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。 1.3 本文研究内容 (4) 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。 2 空间矢量控制 (4) 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。 2.1 空间矢量控制基本原理 (4) 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。 2.1.1

7、 空间矢量的定义 (4) 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。 2.1.2 电压与磁链空间矢量的关系 (5) 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。 2.1.3 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场 (6) 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。 2.1.4 电压空间矢量的线性组合 (8) 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。 2.2 空间矢量控制算法 (10) 2.2.1 恒压频比 (10) 2.2.2 Clark 变换 (10) 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。 2.2.3 开关矢量持续时间计算 (11) 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。 2.2.4 扇区判断 (12) 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。 2.2.5 合成参考矢量 (12) 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。 3 基于 F

8、PGA的 SVPWM算法的软件设计 (12) 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。 3.1 运算模块 (13) 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。 3.1.1 三相参考电压峰值计算模块 (13) 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。 3.1.2 三相电压矢量发生模块 (14) 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。 3.1.3 坐标变换模块 (15) 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。 3.1.4 开关导通时间计算模块 (15) 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。 3.1.5 参考矢量位置判断模块 (17) 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。 3.2 PWM信号发生模块 (19) 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。 3.3 死区模块 (19) 3.4 软件总系统 (19) 4 硬件与调试 (20

9、) 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。 5 总结与展望 (22) 致 谢 (错误！未定义书签。 ) 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。 参考文献 (23) 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。 附 录 (错误！未定义书签。 ) 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。 基于 FPGA的 SVPWM算法的实现 1 绪论 1.1 空间矢量控制技术 直流电机和交流电机在 19 世纪先后诞生，鉴于直流电机具有优越的调速性 能，高性能的可调速场合都采用直流电机，而约占所有电机总容量80%以上的不 变速拖动系统则采用了交流电机， 交流调速系统多种方案虽然已经早已问世， 并 已经投入到了实际应用当中， 但是其性能却始终无法与直流调速系统相比。 在早 期的交直交变

10、压变频器所输出的交流波形都是六拍阶梯波或者是矩形波， 当 时，只能采用半控式的可控硅来控制其导通， 但是其不能控制关断， 由于它的不 可控性和比较低的开关频率导致了逆变器输出的波形不能近似按正弦波变化， 只 能按照阶梯波变化，从而会产生较大的谐波， 使电机输出转矩也存在脉动的分量， 影响其实际工作性能， 为了提高交流电机变压变频调速系统的性能。 在出现全控 式电力电子开关器件后，脉宽调制（ PWM）技术也相应得到了广泛的应用，对交 流电机的变压变频调速系统起到了很大的推动作用。 在20世纪 80年代出现了应 用 PWM技术的逆变器， 由于它的优良的调速性能， 如今，在国内外生产的变压变 频器都

11、已经采用了脉宽调制技术， 只有在全控器件尚未能够承受的特大容量的场 合才没有应用上脉宽调制技术 2 。鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。 脉宽调制（ PWM）控制技术的原理是在采样理论中，冲量相等而形状不同的 窄脉冲加在具有惯性环节上， 其作用效果基本相同。 其中， 冲量即指窄脉冲的面 积。而这里所说的效果基本相同， 是指环节的输出响应波形基本相同。 如果把各 输出波形采用傅里叶变换来分析，那么低频段的时候其输出波形是非常接近的， 只在高频段范围有差异。 例如图 1.1 所示的三个窄脉冲形状不同， 其中 a 为矩形 脉冲， b为三角形脉冲， c 为正弦半波脉冲，但他们的面积都相等，那么，当它 们脉冲函数为

12、 d 所示时即 （t） ，环节的响应即为该环节的脉冲过度函数。我们 称上述原理为面积等效原理，它就是 PWM控制技术的重要理论基础 1 。硕癘鄴颃诌攆 檸攜驤蔹。 28 图 1.1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 在众多的 PWM技术中，其中正弦波脉宽调制 (SPWM技) 术广泛应用于逆变器， 而经典的正弦脉宽调制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波， 并 未考虑到输出电流的波形。 然而交流电机需要输入三相对称正弦电流的最终目的 是在电机空间中形成一个圆形的旋转磁场， 从而产生恒定的电磁转矩， 才能保证 电机以良好的状态转动。 如果我们对准这一目标， 把逆变器和交流电机看成一个 整体

13、，那么按照形成圆形磁场的控制要求来控制逆变器的开关工作， 那么其效果 应该会更好。 这种控制方法叫作磁链跟踪控制， 磁链的轨迹是交替使用不同的电 压空间矢量通过矢量合成所得到的，所以又称“电压空间矢量PWM( SVPW)M控 制”2 。SVPWM控制相比于 SPWM控制主要有以下优点 7 ：阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。 (1) 直流侧电压利用率相比于 SPWM高出 15%左右； (2) 开关次数减少 1/3 左右； (3) 能获得较好的谐波抑制等特点。 其中最为主要的是第一和第二点， 因为开关次数减少和电压利用率增高就相 当于间接节能。 但是 SVPWM在算法的数字实现上较 SPWM困难，主要原因是

14、 SVPWM 在实现过程中， 需要进行一些几何变换和运算， 所以它的运算量比较大， 导致普 通单片机已经无法满足运算要求， 无法保证实时性要求， 所以这里需要一种快速 器件才能满足性能要求。 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。 1.2 现场可编程门阵列 (FPGA) 可编程逻辑器件( PLD)是20世纪 70年代发展起来的一种新型的集成器件。 PLD是大规模集成电路技术发展的产物，同时也是一种半定制的集成电路，结合 计算机软件技术( EDA技术)可以快速、方便地构建数字系统 3 。釷鹆資贏車贖孙滅獅 赘。 不论是简单的还是复杂的数字电路系统都是由基本门构成的， 如与门、或门、 非门、传输门等。其中由基本门

15、可构成两类数字电路：一类是组合电路；另一类 28 是时序电路，含有存储元件， 经过实践，人们发现在数字电路当中并不是所有的 基本门都是必需的， 其中，用单一的基本门与非门也可以构建成其它的基本 门；任何的组合逻辑都是可以通过“与或”这种逻辑关系来组合，即任何组合电 路都可用门 . 或门这种二级电路实现；同样，任何时序电路都可以由组合电路加 上存储元件( RAM、锁存器、触发器等)构成。由此，人们提出一种可编程电路 结构，即乘积项逻辑可编程结构，其原理结构如图 1.2 3 。怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。 “与- 或”结构组成的 PLD器件功能比较简单，此后又从 ROM的工作原理、 地址信号与输出数据间

16、的关系以及 ASIC 的们阵列法中获得启发，构造除了另一 种可编辑的逻辑结构，即 SRAM查找表的可编程逻辑构建方式。此类可编程逻辑 的逻辑函数发生是采用了 RAM“数据”查找方式，并使用多个查找表构成了一个 查找表阵列，成为可编程们阵列( PGA)，随着可编程器件的规模不断扩大，随着 发展 FPGA也就应运而生 34 。谚辞調担鈧谄动禪泻類。 现今，实现空间矢量控制主要采用的芯片是 TI 公司生产的 DSP芯片，其独 特的结构为空间矢量控制提供了一个较好的硬件平台。但是， DSP芯片实现空间 矢量控制当中仍然有它的不足之处。 FPGA与 DSP相比有以下几个特点： 嘰觐詿缧铴 嗫偽純铪锩。

17、(1) DSP只能产生固定 6路或者 12路的PWM波，FPGA只要硬件资源足够则可 产生多路 PWM； (2) DSP 需要占用 CPU资源，而 FPGA以其独特的结构特点硬件实现功能； (3) 纯硬件并行处理，可靠性高，速度快； (4) 设计灵活，可任意定制硬件。 所以，对于完成一些单一的运算过程或者功能， FPGA能够在几个时钟周期内 完成，实时控制上完全能够满足性能要求， 在一些大型系统的应用当中， 完全能 担任各种固定不变的功能， 在一些多微机相互配合使用的大型系统应用中， 使用 FPGA来完成功能还能够为其他微机节省 CPU资源，所以基于 FPGA的 SVPWM的算 28 法的实现

18、具有一定的前景。 熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。 1.3 本文研究内容 对于现今已有的多种 SVPW的M 实现算法中， 在保证完全能正常工作的前提下 选取一种运算量较小，便于数字实现，便于 FPGA实现的算法。本文所采取的算 法主要是通过了前人的验证和大量资料的搜集以确保算法可行， 其中所需要的算 法主要有恒压频比、 坐标变换、 导通持续时间计算、 扇区计算， PWM信号发生等， 其中 PWM信号发生则主要采用七段式的开关模式进行矢量合成以达到减少谐波 的目的。 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。 在 FPGA的软件编程实现过程中，在保证性能的前提下，尽可能地提高硬件 资源的利用率。由于 FPGA主要是消耗硬件资

19、源来完成各项功能，所以提高硬件 资源的利用率是必要的一个环节。在各模块的设计当中，文中主要采用 Mealy 型状态机的结构，在运算编写当中，使用移位求和的方法代替乘法、除法运算。 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。 在软件编程过程中，充分利用现有的软件资源，通过软件仿真验证等方法减 少软件开发周期。文中主要采用 Altera 公司的 Modelsim Altera 这款仿真软件 对所编写的软件进行功能仿真， 先在软件上进行软件仿真确保无误后才进行硬件 调试，提高设计效率。 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。 完成软件设计后进行有效可靠的硬件验证， 文中将输出的 PWM信号接入一个 低通 RC滤波电路，通过滤波电路滤波

20、后的波形观察间接地检验软件编写的正确 性。 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。 2 空间矢量控制 本章内容主要是叙述了 SVPW（M空间矢量）控制的基本原理和相对应的算法 其中逆变器的开关电压矢量合成参考电压空间矢量的过程将会在本章节的内容 有详细的讲解和推导。 本章中还给出了具体的几何数学关系、 公式等都将会详细 给出，有了这些公式作为我们下一章节所讲述的软件实现提供一个理论基础。 銚 銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。 2.1 空间矢量控制基本原理 2.1.1 空间矢量的定义 交流电机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化，但如果考虑到 28 它们所在绕组的空间位置， 我们建立一个空间坐标轴则可以将电压、 电

21、流磁链等 定义为空间矢量 2 。如图 2.1 ： 挤貼綬电麥结鈺贖哓类。 C A 图 2.1 电压空间矢量合成图 A，B,C 分别表示在空间静止的电机定子三相绕组的轴线， 它们在空间中互差 2/3 ，三相定子正弦波相电压 UA,UB,UC分别加在三相绕组上。 可以定义三个定 子电压空间矢量 Ua，Ub,Uc 使它们的方向始终位于各相绕组的轴线上， 而其幅值 则随时间按正弦规律脉动，时间相位相互错开的角度也是 2/3 。与电机原理中 三相脉动磁动势相加后产生旋转磁动势相仿， 就可以证明， 三相定子电压空间矢 量相加的合成得空间矢量 uref 是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，其幅值是 每相电压

22、值的 3/2 倍。其中合成矢量 uref 以电源角频率 1 为电气角速度作恒速旋 转2 。用公式表示，则有 : 赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。 uref U a Ub Uc (2.1) 与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的空间矢量 I ref 和 ref 。 2.1.2 电压与磁链空间矢量的关系 当三相异步电机的三相对称定子绕组由三相平衡正弦电压供电时， 对每一相 都可以写出电压平衡方程式， 三相电压平衡方程式相加， 即得用合成空间矢量表 示定子电压方程式为 : 塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。 d ref uref Rref Irefref (2.2) dt 式中 u ref 定子三相电压合成空间

23、矢量； 式中 I ref 定子三相电流合成空间矢量； 28 式中 ref 定子三相磁链合成空间矢量 当电动机转速不是很低时，定子电阻压降很小，可忽略不计，所以定子合成 磁链空间矢量的近似关系为： d ref urefref (2.3) ref dt 当电机由三相平衡正弦电压供电时，电机定子磁链的幅值恒定，其在空间中 以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形(简称为磁链圆) 。这样定子磁链 旋转矢量可用下式表示： 裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。 refmej 1t(2.4) 其中， m是磁链 ref 的幅值， 1为其旋转角速度。 由式 2.3 和式 2.4 可得： uref d ( mej 1t) j

24、1 mej 1t = 1 me 2 (2.5) dt 当磁链幅值 m一定时， uref 的大小与1(或电压频率 f 1)成正比，其方向 则与磁链矢量 ref 正交，即磁链圆的切线方向， 如图 2.2 所示：仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。 图 2.2 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹 当磁链矢量 ref 在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向 运动了 2rad ，其轨迹与磁链圆重合。这样，我们可以看到电机旋转磁场的问 题就转化为电压矢量旋转的问题 2 。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。 2.1.3 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场 在常规的 PWM变压变频调速系统当中， 三相异步电动机由六拍阶

25、梯波逆变器 供电时，电压并不是三相正弦电压，那么，电压空间矢量如图2.3 ：骁顾燁鶚巯瀆蕪 領鲡赙。 28 u4 u554 u3 6 u 1 2 u6 2 u2 u1 1 图 2.3 六拍阶梯波逆变器供电电压矢量 可以从图中看到， 六拍的阶梯波逆变器电压矢量在空间坐标轴上所产生的磁 链增量将会形成一个封闭的正六边形， 所以在电机运行过程当中会在空间中产生 脉动的转矩。 如果我们分析其开关矢量， 如图 2.4 ，取上桥臂开关 VT1、VT3、VT5 导通时取 1，下桥臂 VT4、VT6、VT2导通时取 0可得 8种开关状态，而 8 种开关 状态形成图 2.5 中的开关矢量 2 。瑣钋濺暧惲锟缟馭

26、篩凉。 0103 0 112 VT1 VT3 VT5 B VT4 C VT6 VT6 VT2 图 2.4 三相逆变器示意图 10 10 10 uu87 图 2.5 各开关合成矢量 其中 111、000 这两种开关模式所形成的电压矢量为 0，其余开关状态形成的 矢量相互间隔隔 /3 。开关状态的合成矢量原理如图 2.6 ：鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。 开关合成矢量 图 2.6 我们以100这种开关模式为例，如图 2.4取N点为电压参考点， VT1导通， 28 VT4关断，在空间坐标系中形成 ua矢量，其幅值为 2Udc/3 ，VT3关断， VT6导通， VT5关断，VT2导通分别形成 uc，ub矢量，

27、其幅值为 Udc/3 ，在空间坐标轴当中通 过矢量合成矢量 u1，u1的幅值为 Udc。 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。 我们设逆变器工作开始时定子磁链空间矢量为 1，在第一个 /3 期间，电 (2.6) 机上施加的电压空间矢量为图 2.7 ，按照式 2.3 就可以写成 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应 u1 t 1 也就是说，在 /3 所对应的时间 t 内，施加 u1 的结果是使定子磁链 1产 生一个磁链增量 1，其幅值与 |u 1|成正比，方向与 u1 一致，最后得到图所示 的新的磁链 2，而以此类推可以写成 的通式 峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。 ui t i i=1,2,3 ， 6 (2.7) i 1 i i (

28、2.8) 图 2.7 t 与间的关系 2.1.4 电压空间矢量的线性组合 可以设想，如果我们能够使磁链的增量如图 2.8 中的11、12 13 14那样变化，我们就可以得到一个轨迹逼近圆形的磁链，磁链增量越密集，磁 链轨迹就越接近圆形。 为了能合成这样的多个磁链增量， 我们可以采取使用开关 电压矢量的线性组合来完成， 如图2.9 ，采用u1矢量和 u2矢量的线性组合则能合 成新的矢量 Tu，也就相当于采用两个磁链增量在空间中矢量合成一个新的磁链 增量，当每个扇区都采取相邻的两个开关电压矢量合成新的磁链， 我们可以得到 一个逼近圆形的磁链，也就达到了我们电机旋转的要求 2 。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜

29、。 28 u4 1 2 u1 1 111213 14 4 5 O 3 6 u 12 u6 u5 u3 图 2.8 逼近圆形磁链增量轨迹 u11 图 2.9 合成矢量 而为了实现这一目的，如图 2.10 我们引入了一个旋转的人为合成的旋转矢 量 uref ，作为我们的参考的电压矢量， 我们将采用开关电压矢量矢量合成这个参考 矢量，例如使用开关电压矢量 u1，u2 合成参考矢量 510 。公式如下 : 则鯤愜韋瘓賈晖园 栋泷。 Turef T u1 T u2(2.9) u2 图 2.10 电压矢量线性组合 同样其他不同的参考矢量位置我们采取离参考矢量最近的开关电压矢量来 进行线性合成。如图 2.1

30、1 把整个空间坐标分成六个扇区，每个扇区都使用相邻 的开关矢量合成参考矢量 2 。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。 010 u3 110 u2 011u4 111 u7u8 000 u1100 u5 001 u6 101 28 图 2.11 扇区分布图 2.2 空间矢量控制算法 2.2.1 恒压频比 在异步电机的 VVVF系统当中，进行电机调速时为了保持电机每极磁通量为 额定值不变可以由以下公式得 Eg 4.44 f1NskNs m (2.10) 式中 Eg为隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值 (V) ； f1为定子频率 (Hz) ； Ns定子每相绕组串联匝数； kNs定子基波绕组系数； m 每极气隙

31、磁通量 (Wb) 。 在基频以下调速需要满足 Eg 常数 (2.11) f1 当电动势较高时， 可以忽略定子绕组的漏磁阻， 而认定相电压 Us Eg，可得下式： 常数 (2.12) 在低频时不能忽略漏磁阻抗，则将 Us抬高，在基频以上调速则 Us恒定不变 2。如下图 图 2.12 频率与电压关系图 2.2.2 Clark 变换 28 三相静止坐标系变换到两相静止坐标系在满足总功率不变的条件 29 其公式 如下 UU 1 -1 -1 -2 - 2 33 0 23 - 23 U C UA UB (2.13) 2.2.3 开关矢量持续时间计算 开关矢量持续时间我们按照公式 2.14 进行矢量的合成

32、(2.14) Turef t1u1 t2u2 U cos uref t1 u1 cos t2 u2 T 1 3 T 2 (2.15) 图 2.13 参考矢量投影到两相直角坐标 如果直接使用正弦定理来进行几何运算其运算量会较大， 而我们这里使用将 参考矢量投影到互为 90的两相坐标轴上运算 11 ，我们可以得到以下式子： 鳃躋 峽祷紉诵帮废掃減。 Y 3U 2Udc (2.18) 28 t2 U sin uref (2.16) sin u2 3 T 2 其他扇区使用同样的方法求解可得所求解出来的时间都只与三个量有关如 下，所以我们采取三个中间变量 X、Y、Z 来存放这三个量。 稟虛嬪赈维哜妝扩踴

33、粜。 (2.17) (2.19) 3U 3U Ts 2Udc 通过整理可得每个扇区的每个矢量的导通持续时间如下表 表 2.1 各扇区开关状态时间说明表 扇区号 T1 Z Y X Z -Y -X T2 X Z Z -X -Z Y 2.2.4 扇区判断 参考矢量所在扇区位置判断有好几种，其中，比较常用的方法是先对每个扇 区进行编号，然后用 Clark 变换后的 U和 U通过计算可以算出当前参考矢量所 在扇区对应的编号 7 。由于 FPGA作运算需要耗费的硬件资源比较多，所以为了 减少运算我们这里采取直接对参考矢量旋转一周的时间进行分块的方法来判断 参考矢量的位置。如图 2.11 我们可以看到 6

34、个扇区在空间坐标轴中将坐标轴分 成了 6 块，每块所占的角度为 60，而参考电压矢量 在坐标轴中按逆时针匀速旋转时， 按顺序经过这 6 个扇区，那么我们这里将其一 个周期分成了 6 段时间，每个时间段都对应一个扇区。 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。 2.2.5 合成参考矢量 为了使矢量对称，这里主要采取七段式的开关模式进行矢量合成方式，每个 扇区的开关组合方式 6 见表 表 2.2 开关顺序表 扇区 开关模式 000 100 110 111 110 100 000 000 010 110 111 110 010 000 000 010 011 111 011 010 000 000 001 011 1

35、11 011 001 000 000 001 101 111 101 001 000 000 100 101 111 101 100 000 3 基于 FPGA的 SVPWM算法的软件设计 本章主要介绍了使用 Altera 公司的软件 Quartus II 11.0 来对上章所讲述 28的算法进行编程实现， 主要采用了 Verilog HDL编程语言和图形编辑的方式来进 行软件编程，并使用 Altera Modelsim 软件对其编程结果进行仿真验证。文中 简单介绍一些编程技巧， 例如使用 Mealy 型状态机的程序结构以增加程序的可读 性和使用移位代替乘除法运算减少硬件资源的使用。 而 SV

36、PWM算法的实现当中最 主要分成如图 3.1 运算模块、 PWM发生模块、死区模块三大模块顺序处理以完成 各种所需要的功能，其中运算模块在整个软件设计当中占核心地位。 沩氣嘮戇苌鑿鑿 槠谔應。 Clark 变换 PWM控制信号 死区生成PWM生成 图 3.1 软件结构图 3.1 运算模块 3.1.1 三相参考电压峰值计算模块 图 3.2 恒压频比模块 其中主要的运算程序如下： if(F50) Um=310;/ 超过基频 50HZ输出峰值 310 else if(F10) Um=62; / 低于频率 10HZ输出峰值 62 else Um=(F2)+(F2);/10 至 50HZ输出 Um=4.

37、4F*21/2钡嵐縣 緱虜荣产涛團蔺。 当输入频率大于基频 50HZ的时候我们就输出电压的峰值 Um为 310，当频率 低于 10HZ时，电压峰值 Um为 62，如果输入 10 至 50HZ则按公式 Um 4.4f 2 运算，程序当中主要采取了移位逼近的方式来完成。 懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。 仿真图如下： 28 图 3.3 10HZ 以下电压峰值图 图 3.4 50HZ 以上电压峰值图 如图所示输入频率满足 Um 4.4f 2 的公式运算结果， 10HZ及以下恒定电 压值恒定， 50HZ以上电压值恒定。 3.1.2 三相电压矢量发生模块 图 3.5 三相电压矢量发生模块 这一模块的功能块主要由三

38、个模块组成，ROM_CT、R COS_RO、M Serial_Paralell 三个模块组成， 三相电压矢量发生模块输入电压频率 F 和时钟 信号 CLK， ROM_CT模R 块将输入的频率通过运算转化为计数时钟脉冲的次数进行 计数，以此达到改变参考三相电压矢量的旋转角度的周期变化，并且输出端口 ADD周期输出角度。 COS_RO模M块主要是存储余弦表，其中存储的余弦值是以平 移放大的值的方式存储，当接收到上一个模块输出的角度和数值输出控制信号 EN，q 端口输出对应角度的正弦值。 Serial_Paralell 模块将所接收到的余弦值 通过运算将 ROM中的数值转化为放大 10000 倍的余

39、弦真实值并且通过 COS_OUT 端口并行输出余弦值如图。 謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。 28 图 3.6 三相余弦值仿真图 3.1.3 坐标变换模块 图 3.7 坐标变换模块 坐标变换模块主要程序如下： U_alfa=(2*UA-UB-UC)2)+(2*UA-UB-UC)3)+(2*UA-UB-UC)5); 呙铉們 欤谦鸪饺竞荡赚。 /U =61/2/3 (UA-UB/2-UC/2) U_beta=(UB-UC)1+(UB-UC)3+(UB-UC)4+(UB-UC)6莹;谐龌蕲賞组靄绉嚴减。 / U =21/2/2(UB-UC) 坐标变换模块输入三相电压矢量的余弦值，通过 Clark 变换公式见

40、2.13 ， 变换出 Ualfa ，Ubeta 值输出。其中小数的乘除法运算通过移位相加的方式来逼 近结果。仿真结果如图： 麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。 图 3.8 Ualfa 、 Ubeta 仿真图 从仿真结果可以看到 Clark 变换后的三相余弦值合成两相仍然为按正弦波 变化，其中幅值是原来的 1.22 倍。 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。 3.1.4 开关导通时间计算模块 28 图 3.9 计算 T1、 T2 模块 开关时间导通时间计算模块主要由 Solve_X_Y_Z(求解中间变量) 、 Solve_T1_T2( 求解导通时间 T1、T2)、Manage_T1_T2过( 调制处理 ) 三个功能模 块

41、组成。 風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。 求解中间变量模块主要运算程序如下： 1/2 X=Ubeta*Um*28/10000;/X=3 1/2* U *Um*Tpwm/Udc; Y=(3*Ualfa+1732*Ubeta/1000)*Um*8/10000;/(3U +31/2 *U )Tpwm/2/Udc; 灭 嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。 Z=(3*Ualfa-1732*Ubeta/1000)*Um*8/10000;/(3 U -3 1/2 U *T)/2/Udc; 铹鸝 饷飾镡閌赀诨癱骝。 程序中则主要是按照公式 2.17 至2.19 来编辑，其中的小数化成了整数运算。 过调制处理模块主要程序： if(T_

42、1Tpwm)|(T_2Tpwm)|(T_1+T_2)Tpwm)/ 当 T1和 T2的时间和或 者任意一个大于调制周期 Tpwm攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。 begin T_1=T_1*9/10;/T1 按 0.9 倍减少 T_2=T_1*9/10;/ T2 按 0.9 倍减少 end 当导通的时间超过了范围则进行按比例缩减，直到满足要求，其中Tpwm为 调制周期 100us，使用的时钟频率是 50MHZ所以计数 5000 次就是 100us。趕輾雏纨 颗锊讨跃满賺。 如下图，输入坐标变换后的 Ualfa 、 Ubeta 的值，求解出中间变量 X、Y、Z 三个与导通时间相关的中间变量， 同样 X、Y、

43、Z 与输入同频的正弦波并且幅值变 小。 夹覡闾辁駁档驀迁锬減。 28 图 3.10 中间变量 X、Y、Z 仿真图 图 3.11 导通时间 T1、T2 仿真图 在每个扇区当中， 参考矢量由相邻两个开关矢量合成， 随着参考矢量的转动， 逐渐远离参考矢量的开关矢量的导通时间将越来越短， 靠近的开关矢量反之。 时 间 T0 则随着扇区周期变化。 视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。 图 3.12 导通时间 T1、 T2按比例缩减仿真图 当计算出来的时间超出了限定范围，则循环进行按比例减少直至满足要求 3.1.5 参考矢量位置判断模块 图 3.13 扇区判断模块 28 扇区判断模块主要程序： case (N_ST1)

44、 S0:begin 擋緬铹鈞錠。 S1:begin 龋轿级镗挢廟。 S2:begin 钶銘侥张礫阵轸蔼。 S3:begin 剎貯狱颢幗騮。 S4:begin 启婭澗骆讕瀘。 S5:begin 壟该槛鲻垲赛。 V=1; if(X=170) V=2; if(X=341) V=3; if(X=511) V=4; if(X=682) V=5; if(X=853) V=6; if(X=1023) N_ST1=S1; else X=X+1; N_ST1=S2; else X=X+1; N_ST1=S3; else X=X+1; N_ST1=S4; else X=X+1; N_ST1=S5; else X=

45、X+1; N_ST1=S0; else X=X+1; end/扇区 偽澀锟攢鴛 end/扇区 緦徑 铫膾 end/扇区騅憑 end/扇区 疠骐 錾农 end/扇区 镞锊 过润 end/扇区 榿贰轲誊 default：N_ST1=N_ST1； endcase ROM_CT模R 块包含了两种功能：一种是通过电源频率值的输入，将频率转化 为斜坡信号然后每一个调制周期都将控制下一个模块运作一次， 另外一种则是扇 区判断，这里使用了计数器从 0 计数到 1023这个过程所使用的时间来表示一个 周期，而将这个周期分为 6个时间段，即计数值 1023分为 6段来一一对应每一 个扇区见程序，扇区分布见图 3.

46、14 。如图 3.15 ，参考电压矢量按 这样的扇区顺序旋转输出的扇区号同样按这样的顺序呈现周期的阶 梯信号。 邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。 u3u2 uref u5u6 图 3.14 扇区分布图 28 图 3.15 扇区判断模块仿真图 3.2 PWM信号发生模块 图 3.16 PWM 信号发生模块 PWM信号发生模块输入开关导通时间 T1、T2，并通过参考矢量所在的扇区号 使用计数器的方法输出相应的 PWM六路脉冲信号。 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。 图 3.17 PWM 信号仿真图 仿真六路 PWM如图 3.17 ，在每一个调制周期内六个开关电路都要导通一段时 间参与矢量合成，并且在每一个调制周期内导

47、通时间对称。 该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。 3.3 死区模块 图 3.18 死区模块 在 SVPWM信号投入实际运用当中， 逆变器中的开关电路的开关器件并不是理 想的器件， 所以开通和关断都会有一定的延时， 所以必须增加一个死区环节， 以 防止器件在导通后原本应该关断的器件可靠地关断。 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。 28 图 3.19 死区模块仿真图 如图 3.19 ，死区模块的作用是当开关导通的时候延时一段时间再发出导通信 号，而关断的时候则立即发出关断信号，以确保开关电路的可靠工作。 臠龍讹驄桠 业變墊罗蘄。 3.4 软件总系统 通过将本章所提的所有模块输入输出口连接，得到软件总图见附录，对整个 程序

48、进行仿真得到图 3.20 中的仿真波形，呈现马鞍波，即我们所需要的波形。 当电源频率上升到一定的时候， 开关矢量就无法通过线性组合的方式来合成参考 矢量，在程序中的反映是两个开关矢量的持续时间之和超出了调制周期的时间， 那么在这里， 当它超出了调制周期的时间， 我们则按比例缩减到时间的允许范围 内。图 3.21 为过调制时的仿真波形。 鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。 图 3.21 过调制波形仿真图 4 硬件与调试 本文通过 Storm FPGAV 1.2 开发板进行硬件验证使用的硬件图片见附录 3、 284，其中开发板的核心 FPGA芯片为 Altera 公司的 EP3C10E144C这8 一款芯片，

49、 其逻辑宏单元个数 10320，内存容量 42 万位左右，完全满足所编写程序所需要 的硬件条件。 穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。 其中，将输出的 PWM信号接入 RC滤波电路后则在不过调制的情况下，用示 波器观察可呈现出马鞍波。其中滤波电路要满足以下公式 12 隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。 RC 1 2f (4.1) 其中电阻与电容的乘积略小即可，本文以 R=20 ，C=1F 来搭建硬件测试 电路，其示波器测得波形如图： 图 4.1 15HZ 波形图 图 4.2 30HZ 波形图 图 4.1 与 4.2 中分别为 15HZ和 30HZ时的输出波形图，电源频率由 15HZ 变 化到 30HZ，其周期越来越短的同时，幅值也跟着上升，就满足三相异步电机的 在基频以下调速需要保持电压的有效值