[发明专利]低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制软核

说明书

技术领域

本发明涉及轨道交通、船舶制造等领域中由三相两电平拓扑结构逆变器组成的大功率三相交流异步电机控制系统的设计与制造。

背景技术

两电平牵引逆变器驱动系统以其结构简单，性能可靠的优点被广泛应用于交直交电力机车(动车组)牵引传动系统。随着电力电子技术的不断发展和交直交电力机车(动车组)的不断普及，对牵引逆变器驱动系统的性能要求越来越高。异步调制(SVPWM)技术以其易于数字化实现，电压利用率高等优点，被广泛应用于大功率三相交流异步电机控制系统中完成逆变器的调制工作。对于大功率三相交流异步异步电机的控制而言，由于开关频率较低，随着逆变器输出频率逐渐提高，载波比减小，由异步SVPWM造成的逆变器输出电流正负半周不对称情况将不能被忽略，此时逆变器输出电流容易产生畸变，引发较大的转矩脉动，难以保证系统具有良好的控制性能。为了克服以上缺点，一种多模式空间矢量脉宽调制方法得到了广泛的应用。

随着处理器制造技术的不断发展，数字信号处理器(DSP)被广泛用于大功率三相交流异步电机的控制，针对基于单DSP的大功率三相交流异步电机控制系统而言，由于空间矢量脉宽调制算法需要周期性地完成大量的三角函数计算，大部分芯片资源被用于空间矢量脉宽调制相关计算、PWM门控信号的产生等周期性事件，导致留给核心控制算法的资源非常有限；DSP作为顺序处理器，会按照顺序逐条执行，会导致时间延迟的增加并造成控制系统性能下降。

为了克服单DSP控制系统的以上缺点，逐渐提出了基于浮点DSP和定点DSP的双DSP控制系统结构，如图1所示，此类大功率三相交流异步电机控制系统由一片浮点运算DSP和一片定点运算DSP组成，两者之间依靠一片双端口RAM进行数据交换，其特点在于利用定点计算DSP完成PWM门控信号的产生，有效地减少了芯片资源的占用、减小了系统时间延迟并提高了控制系统的性能；浮点DSP仍需要完成除核心控制算法以外的空间矢量脉宽调制相关计算任务，使得核心控制算法性能受到限制且随着调制算法的不断改进与复杂化，该结构中浮点DSP的工作量越来越大。虽然相比单DSP结构有了改进，但仍存在DSP的引脚及IO资源有限，不利于向多电平结构扩展；利用DSP完成SVPWM所产生的PWM信号不易完全同步，同时存在软硬件设计复杂，系统可靠性不足的问题。

随着现场可编程门阵列(FPGA)的不断发展，其功能越来越强大，应用也越来越广泛。在这样的背景下，为了克服双DSP结构存在的缺点，逐渐提出了一种基于DSP和FPGA的大功率三相交流异步电机控制系统结构，如图2所示，此类结构由一片浮点运算DSP和一片FPGA组成，两者之间通过双口RAM进行数据交换，其特点在于利用FPGA完成PWM门控信号的产生，不仅利于向多电平拓扑发展，能够产生更加精确的PWM门控信号，同时将AD等外部设备的控制放到FPGA中执行，进一步减轻了浮点DSP的工作任务。但该结构中浮点DSP仍需要完成空间矢量调制的相关计算工作。

随着调制算法复杂度不断加大，对其性能要求越来越高，利用专用的软核完成SVPWM相关工作以及相关外部设备的控制，不仅兼具硬件电路速度快、可靠性高等优点，同时将核心控制器(浮点DSP)从繁重的重复性计算中解放出来，使其更好地运行核心控制程序。同时随着电子设计自动化技术(EDA)的不断发展，使得设计者能够依托可编程逻辑器件(FPGA)，在电力设计自动化(EDA)软件平台上利用硬件描述语言完成硬件电路的设计，并向用户提供完成设计后的硬件电路下载文件，即软核，极大地提高了电路设计的效率和可移植性，在硬件电路规模不断加大的同时，使得产品的小型化逐步成为一种发展趋势。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于大功率三相交流异步电机控制系统的低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制软核，用以克服控制程序开发周期长、调制算法对核心控制器资源占用量较大等技术缺点，并使之完成适用于大功率三相交流异步电机控制系统的低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制，具有良好的调制性能，稳态与动态性能良好，技术可移植性好，稳定性和抗干扰能力强的优点。

本发明为实现其发明目的，所采用的方案是：