[发明专利]基于FPGA的空间矢量脉宽调制方法

说明书

技术领域

本发明涉及交流电机控制领域，具体来说，涉及到FPGA(可编程逻辑门阵列)技术在交流电机控制领域的应用，提出了一种通用型空间矢量脉宽调制在FPGA上的实现方案。

背景技术

空间矢量脉宽调制(SVPWM)的思想在上世纪80年代首次由Van Der Broeck提出，其理论和算法在后来得到了很大发展。目前SVPWM是一种最流行的高性能交流伺服驱动系统实现技术之一。

随着FPGA技术的进步和成本的下降，为SVPWM算法的实现提供了另一可选的途径。FPGA硬件的并行处理方式保证了系统运行的高速度和高精度，其灵活丰富的外部引脚为控制多个电机提供了方便，同时FPGA硬件电路的稳定性和抗干扰性使其能够胜任一些特殊条件下的控制任务，这些优势决定了FPGA技术必将广泛的进入交流伺服控制领域。

算法的实现方法通常要根据所选实现工具的特点来进行设计，目前空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法一般是在DSP上实现，TI公司推出的2000系列DSP就是专门用来控制电机的。目前现有的空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法实现方案在计算上较为复杂，凭借DSP强大的计算能力才得以在DSP上实现，而这些复杂的计算在FPGA上实现起来比较困难。本发明提出的这种方案解决了SVPWM算法在FPGA上难以实现这一问题。

发明内容

本发明的目的是寻求一种适合在基于FPGA的空间矢量脉宽调制方法。使得在交流伺服系统中FPGA能更好的胜任控制任务。

按照本发明提供的技术方案，所述基于FPGA的空间矢量脉宽调制方法包括如下步骤：

步骤一，时序控制：时序控制模块采用大小可调的增减计数器产生的同步脉冲，输送给定标模块、状态机及后续模块，作为同步工作信号；通过检测同步脉冲的下降沿来触发电路保证各个模块的同步，同步脉冲的周期为脉宽调制器输出调制波的周期，同时又作为空间矢量脉宽调制器的输出，用于交流伺服系统中不同功能模块之间的同步；所述后续模块包括扇区判断模块、矢量选择模块、时间计算模块、过调制模块、脉宽调制器、死区调节模块；

步骤二，定标：定标模块在步骤一产生的同步脉冲控制下，将输入空间矢量脉宽调制器的参考矢量Uα、Uβ进行预处理，使参考矢量Uα、Uβ能够直接进入后续模块；

步骤三，扇区判断：扇区判断模块在步骤一产生的同步脉冲控制下，对经过步骤二处理后的参考矢量Uα、Uβ进行进一步的处理，对参考矢量Uα、Uβ所处的扇区进行判断；

步骤四，矢量选择与时间计算：矢量选择和时间计算模块根据步骤三中对扇区判断的结果，根据相关计算式得到相应扇区的作用矢量及其有效时间；

步骤五，过调制：过调制模块对步骤四中矢量选择和时间计算的结果进行判断，确定是否出现过调制，如果检测出现过调制，则进行过调制处理；

步骤六，状态机与脉宽调制器调制波输出：状态机模块根据步骤一产生的同步脉冲、步骤五中时间计算模块中的时间输出和输入量模式选择信号实现对脉宽调制器的调制信号输出进行控制；

步骤七，死区调节：死区调节模块对经过步骤六处理的调制信号加入死区，形成一个可直接用于逆变器的调制信号。

所述同步脉冲的频率大小还用于控制参考矢量Uα、Uβ的采样率。

在步骤七中，死区调节模块分别对经过步骤六处理的调制信号的下降沿和上升沿加入延迟，将上升沿延迟信号作为逆变器的上桥臂控制信号，将下降沿延迟取反后作为逆变器的下桥臂控制信号。

本发明提出了一种能充分发挥FPGA逻辑实现能力及并行处理能力的实现方案，如图1所示。从图中可以看出本次设计方案分为定标、时序控制、扇区判断、状态机、矢量选择、时间计算、过调制、PWM输出和死区调节等九个模块。其中定标模块是将图1中参考矢量在α、β轴上的投影Uα、Uβ的数值转化成统一的有效位数和小数点位置。相关参数由图1中的比例因数配置。时序控制模块用于产生系统的同步脉冲，以保证模块间时序一致，图1中PL1、PL2和PL3三块由同步脉冲的下降沿触发，从而构成三级流水线。扇区判断模块用来判断定标后的Uα、Uβ所在的扇区。状态机和矢量选择模块用来产生输出PWM波形的形状，并可以在状态机模式中选择对称和非对称两种PWM输出方式。时间计算模块用来控制该波形在某个状态下持续的时间，时间控制由计数器来完成。过调制模块用来处理过调制状态下的时间分配问题。PWM输出模块负责输出PWM波形。死区调节模块用硬件电路完成了死区处理，避免了上下桥臂直接导通的危险。