一种基于FPGA的简化SVPWM算法的实现方法技术

一种基于FPGA的简化SVPWM算法的实现方法，涉及逆变器控制技术领域。本发明专利技术为了解决采用传统SVPWM算法利用FPGA实现时存在运算过程计算量较大、占用大量逻辑单元、运算速度较低的问题。定义两电平三相电压源逆变器电路逆变电路，简化SVPWM算法扇区判断条件，简化SVPWM算法相邻矢量作用时间。本发明专利技术方法运算过程计算量较小，不会占用大量逻辑单元，运算速度较高。使用简化SVPWM算法，直接用三相电压进行扇区判断，并计算相邻矢量作用时间。本发明专利技术通过modelsim仿真验证了其可行性。

Implementation of a simplified SVPWM algorithm based on FPGA

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的简化SVPWM算法的实现方法
本专利技术涉及一种简化SVPWM算法的实现方法，涉及逆变器控制

技术介绍
随着电力电子技术不断革新，永磁同步电机(PMSM)因其体积小、性能好、结构简单、可靠性高、输出转矩大等特点，在电动汽车、船舶、机器人、航空航天等对电机性能、控制精度要求较高的产业受到广泛关注。在PMSM调速系统当中，逆变器技术是系统稳定运行的重要因素，逆变器效率会直接影响调速系统的稳定。PMSM逆变器有两种主要的调制方法：正弦脉宽调制(SPWM)、空间矢量脉宽调制(SVPWM)。SVPWM的控制思想，主要是采用了逆变器空间电压矢量切换技术，从而得到圆形旋转磁场，在不高的开关频率条件之下，使电机得到的控制性能要比传统的SPWM算法更好。如今PMSM控制方案改进的核心是控制态片处理数据的快速性、准确性、系统的可扩展性等方面。由于FPGA(现场可编辑门阵列)强大的数据并行处理能力，大量的输入/输出端口，开发的便利性，以及程序的更高的可移植性，因此，以FPGA为控制芯片的电机控制技术开始成为研究热点。如果要用FPGA实现上述传统SVPWM算法，算法中需要进行大量的三角函数运算来求出合成电压矢量角度θ，运算过程计算量较大，会占用大量逻辑单元，降低运算速度。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：本专利技术为了解决采用传统SVPWM算法利用FPGA实现时存在运算过程计算量较大、占用大量逻辑单元、运算速度较低的问题，进而提供了一种基于FPGA的简化SVPWM算法的实现方法。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于FPGA的简化SVPWM算法的实现方法，所述方法的具体过程为：步骤一、定义两电平三相电压源逆变器电路逆变电路定义6个开关量Sa、Sb、Sc、Sa′、Sb′、Sc′，表示逆变器中六个功率开关器件的开断；前三个参数是上桥臂开关量，代表0或1，0代表关断，1代表开启；后三个参数是下桥臂开关量，代表0或1，0代表关断，1代表开启；当上桥臂的开关器件导通时，Sa、Sb、Sc为1，其下桥臂的开关器件关断，即Sa′、Sb′、Sc′为0；反之，当Sa、Sb、Sc为0时，下桥臂的开关器件开通，即Sa′、Sb′、Sc′为1；逆变器同一桥臂中的开关器件不会发生同时开通或关断的情况，逆变器一共就拥有8种开关状态组合；交流侧相电压与开关函数之间关系为：式中：Udc表示直流母线电压；sa、sb、sc表示三个上桥臂开关量；VAN、VBN、VCN表示交流侧相电压(三个参数都表示交流侧相电压，物理含义是一样的，只不过需要三个量区分开来)；对于不同的开关状态组合可得到8个基本电压空间矢量，逆变器的8种开关模式就对应8个电压空间矢量，各矢量为：将(2)式进行简化，如(3)式：将逆变器每个开关状态所对应的输出相电压代人(3)式，则电压源型逆变器能够输出的电压空间矢量共有8个，分别命名为V0(000)，V1(001)，V2(010)，V3(011)，V4(100)，V5(101)，V6(110)，V7(111)；其中V0(000)、V7(111)所对应的输出电压为零，称其为零矢量；其余6个所对应的输出电压不为零，称其为有效矢量；有效矢量的幅值均为2Udc/3；j代表虚部；6个有效矢量相互之间的夹角为60°，将整个平面分成6个扇区；SVPWM通过这八个空间矢量去等效参考电压空间矢量Uout，进而在电动机空间形成圆形旋转磁场；步骤二、简化SVPWM算法扇区判断条件为方便计算简化(3)式得：由欧拉公式对(6)式进行变换为:由式(7)可知步骤三、简化SVPWM算法相邻矢量作用时间。在步骤一中，当扇区Ⅰ为(0-60度)时，为了使相邻两矢量V4、V6合成电压矢量等效于Uout，根据平均值等原则，可得到下式：V4T4+V6T6＝VoutTs(4)其中，Ts为采样周期，T4为空间电压矢量V4的作用时间，T6为空间电压矢量V6的作用时间，SVPWM的关键在于扇区的判断和相邻矢量作用时间的求取。在步骤二中，设Uout处于第一扇区，有Uα、Uβ数学关系式为：整理可得：UA-UB>0；UB-UC>0同理可得其他五个扇区的三相电压差大小关系，并且定义三个变量A、B、C，通过上述分析得出如下结果：若UA-UB>0，则有A＝1，否则A＝0；若UB-UC>0，则有B＝1，否则B＝0；若UC-UA>0，则有C＝1，否则C＝0；定义N＝A+2B+4C，利用上述判断方法得到扇区判断条件，如表1所示，通过表1中扇区判断条件，可得到Uout所在扇区。表1扇区判断条件在步骤三中，简化SVPWM算法相邻矢量作用时间的具体过程为：设Uout处于第一扇区，此时N为3，可得出：式中|U4|与|U6|代表相邻矢量基本电压的大小。通过简单计算，式(10)可变为将式(8)代入式(11)中，得如下公式由上式可知，每一扇区相邻矢量作用时间只与三相电压差、开关周期和直流母线电压有关，用此种方法可以同理求得其他五个扇区的相邻矢量作用时间表达式，作用时间如表2所示，表2相邻矢量作用时间本专利技术具有以下有益技术效果：本专利技术采用了一种较为简单的过程，直接用三相电压差值的大小来进行扇区判断和相邻矢量的作用时间计算，从而实现了基于FPGA的简化SVPWM算法。如果要用FPGA实现上述传统SVPWM算法，算法中需要进行大量的三角函数运算来求出合成电压矢量角度θ，运算过程计算量较大，会占用大量逻辑单元，降低运算速度。而本专利技术方法运算过程计算量较小，不会占用大量逻辑单元，运算速度较高。针对PMSM的空间矢量脉宽调制(SVPWM)模块利用上述所说简化算法进行modelsim软件仿真，证明了该算法(简化SVPWM算法)在FPGA上实现的可行性。PMSM(永磁同步电机)的传统SVPWM(空间矢量脉宽调制)算法中因为其中存在大量三角函数变换，所以用FPGA实现起来比较困难，因此使用简化SVPWM算法，直接用三相电压进行扇区判断，并计算相邻矢量作用时间。本专利技术通过modelsim仿真验证了其可行性。附图说明图1为两电平三相电压源逆变器的原理图，图2为SVPWM基本电压空间矢量及扇区图(图2展示了这八个电压空间矢量在电动机定子三相绕组的轴线所组成的三相静止坐标系中的分布情况)，图3为SVPWM结构框图，图4为简化SVPWM算法各个模块框图(图的逻辑结构是本专利技术提出的，而代码是依据逻辑结构进行编写的)，图5为扇区判断状态转换图，图6为X、Y、Z作用时间状态转换图，图7为作用时间选择状态转换图，图8为过调制状态转换图，图9为PWM波形S_A、S_a状态转换图，图10为PWM本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的简化SVPWM算法的实现方法，其特征在于：所述方法的具体过程为：/n步骤一、定义两电平三相电压源逆变器电路逆变电路/n定义6个开关量Sa、Sb、Sc、Sa′、Sb′、Sc′，表示逆变器中六个功率开关器件的开断；前三个参数是上桥臂开关量，代表0或1，0代表关断，1代表开启；后三个参数是下桥臂开关量，代表0或1，0代表关断，1代表开启；/n当上桥臂的开关器件导通时，Sa、Sb、Sc为1，其下桥臂的开关器件关断，即Sa′、Sb′、Sc′为0；反之，当Sa、Sb、Sc为0时，下桥臂的开关器件开通，即Sa′、Sb′、Sc′为1；逆变器同一桥臂中的开关器件不会发生同时开通或关断的情况，逆变器一共就拥有8种开关状态组合；/n交流侧相电压与开关函数之间关系为：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的简化SVPWM算法的实现方法，其特征在于：所述方法的具体过程为：
步骤一、定义两电平三相电压源逆变器电路逆变电路
定义6个开关量Sa、Sb、Sc、Sa′、Sb′、Sc′，表示逆变器中六个功率开关器件的开断；前三个参数是上桥臂开关量，代表0或1，0代表关断，1代表开启；后三个参数是下桥臂开关量，代表0或1，0代表关断，1代表开启；
当上桥臂的开关器件导通时，Sa、Sb、Sc为1，其下桥臂的开关器件关断，即Sa′、Sb′、Sc′为0；反之，当Sa、Sb、Sc为0时，下桥臂的开关器件开通，即Sa′、Sb′、Sc′为1；逆变器同一桥臂中的开关器件不会发生同时开通或关断的情况，逆变器一共就拥有8种开关状态组合；
交流侧相电压与开关函数之间关系为：



式中：Udc表示直流母线电压；sa、sb、sc表示三个上桥臂开关量；VAN、VBN、VCN表示交流侧相电压；
对于不同的开关状态组合可得到8个基本电压空间矢量，逆变器的8种开关模式就对应8个电压空间矢量，各矢量为：



将(2)式进行简化，如(3)式：



将逆变器每个开关状态所对应的输出相电压代人(3)式，则电压源型逆变器能够输出的电压空间矢量共有8个，分别命名为V0(000)，V1(001)，V2(010)，V3(011)，V4(100)，V5(101)，V6(110)，V7(111)；其中V0(000)、V7(111)所对应的输出电压为零，称其为零矢量；其余6个所对应的输出电压不为零，称其为有效矢量；有效矢量的幅值均为2Udc/3；j代表虚部；
6个有效矢量相互之间的夹角为60°，将整个平面分成6个扇区；SVPWM通过这八个空间矢量去等效参考电压空间矢量Uout，进而在电动机空间形成圆形旋转磁场；
步骤二、简化SVPWM算法扇区判断条件
为方便计算简化(3)式得：



由欧拉公式对(6)式进行变换为:



由式(7)可知

【专利技术属性】
技术研发人员：勾金雷，田晓华，王建民，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23