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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；SVPWM；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个空间矢量合成运行轨迹逼 近圆形磁场 1【J。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— programmablegatearray，FPGA)具有并行处理、 在实际运行中，为防止上下桥臂导通发生短 运算速度快、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 控制算法。FPGA主要用软件方法实现硬件的电路， 桥臂的开关状态分别对应 、 、 ，每相桥臂 对芯片进行验证，使硬件电路设计和软件需求很好 上桥臂关断下桥臂接通用0表示，反之则为 1。逆 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 l SVPWM 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 SVPWM4[]主要思想是把交流电机和逆变器看 为 (001)、 (010)、 (011)、 (100)、 36 u5(101)、u6(110)和2个零电压矢量为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