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基于FPGA的優化SVPWM IP核

  葉文，李膺

(重慶科技學院，重慶400050)

    摘要：基于FPGA，提出r一種優化SVPWMIP核的電路實現方案，并通過r硬件測試。結果表明，借助簡單的接口設計，微處理器就可憑借此IP核在0．1—800 Hz基波頻率范圍內，實現三相交流電機變頻調速控制功能。此IP在有效降低功率器件開關損耗的同時，也大幅度降低了對處理器速度的要求，且處理器軟件設計簡單。

    關鍵詞：FPGA；電壓矢量脈寬調制；正弦脈寬調制；開關損耗；優化

    中圇分類號：TM34  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)01—0021—04

0引  言

    SVPWM算法因輸出電流諧波含量小、數字化容易等特點在高性能系統中得到廣泛應用^[1]，但其數百nS的數據處理要求，迫使系統必須采用高速的USP甚至是雙DSP來滿足控制要求。結合FPGA數據處理速度高的特點，本文提出了一種在FPGA基礎上以純硬件方式實現交流電機SVPWM調速控制的電路方案，它能有效降低系統對MCU／DSP速度的要求并使軟件設計大大簡化。采用此IP核，常用的8位MCU(如51系列)就能滿足交流電機SVPwM開環變頻調速的控制要求。

1 SVPWM算法

  SVPWM算法又稱磁鏈追蹤型PWM法。它是從交流電機的角度出發，以三相正弦電壓驅動時電機定子形成的理想磁鏈圓為基準，研究如何控制逆變器的開關模式，才能使逆變器輸出電壓所形成的磁鏈更接近理想磁鏈圓^[1]。其中，主要涉及：

1．1參考電壓矢量合成

    逆變器同一橋臂上的功率器件呈互補的開關狀態，故三相逆變器6個功率器件有2³，共8種工作狀態，令E橋臂器件導通為“1”，關斷為“0”，則這8種工作狀態可記為U0(000)、U₁(001)、U₂(010)、U₃(011)、U₄  (100)、U₅(101)、U₆(110)和U₇(111)，如圖1所示。其中包括6個幅值相等相位互

差60。的非零電壓矢量(U₁～U₆)和2個幅值為零的零電壓矢量(U_。，U₇)，6個非零電壓矢量將理想的圓形磁鏈等分成I～Ⅵ，共6個扇區。用以產生圓形磁鏈的參考電壓矢量(U_ref)，可根據“面積等效”原則，用上述8個電壓矢量中的一個或幾個合成獲得，常用的有三段矢量合成法，即由其所處扇區的兩個相鄰的非零電壓矢量和零電

壓矢量合成^[2]，如圖2所示。  設U_ref位于扇區I，則有：

上式中，U_ref、U、4U₆以及T、t₄、t₆分別為參考電壓矢量、扇區I的非零電壓矢量及作用時間；t₀、t₇為零電壓矢量(U₀，U₇)作用時間。

    以U_ref旋轉方向定向，相位超前電壓矢量為U_x滯后為U_y，作用時間分別為T_x、T_y，Mod為幅度調制比。由于非零電壓矢量沿αβ軸對稱分布，則各扇區內電壓矢量作用時間的一般表達式如表l所示。

1.2電壓矢量產生

    因矢量作用效果僅和其持續時間有關，為降低電機轉矩脈動，通常將各矢量分二次產生。此外為降低功率器件開關損耗，采用電壓矢量每次切換僅有一相功率器件的狀態發生變化的方式，確定各矢量的產生順序。依據上述原則所確定的各扇區矢量產生順序如表2所示。圖3為扇區I矢量產生情況，圖中△為PwM載波，U、V、W為三相功率器件的PWM控制信號。

1．3電壓空間矢量算法優化

  (1)降低諧波電流

  減小PwM信號周期T，即提高系統采樣頻率有助于降低輸出