基于FPGA的SVPWM算法的实现
摘 要：为了数字实现SVPWM的算法，文中采用了以FPGA作为硬件基础，给出了基于FPGA
的SVPWM算法的具体算法以及软件设计。文中使用Verilog HDL编写FPGA程序，采用语句和图形编辑相结合的方式进行编程以达到程序结构清晰的目的。程序采用Mealy型状态机的程序结构，以达到增加硬件资源的利用率，结构清晰，便于数字设计的目的。其中，软件通过了Modelsim Altera进行仿真，给出了其相关的仿真波形图以说明其无误。文中使用Storm Ⅲ FPGA开发板对软件进行验证，其中开发板的核心芯片为Altera 公司生产的EP3C10E144C8这款FPGA芯片，使用了RC滤波电路对PWM信号进行滤波处理并且给出了输出信号的示波器波形图和借助硬件电路驱动一台三相交流电机以说明其算法实现的准确性。
关键词：SVPWM；FPGA；空间矢量脉宽调制；Verilog HDL
The Realization of SVPWM Algorithm Based on FPGA
Abstract: To realize digital SVPWM algorithm, this paper adopted in hardware based on FPGA,
and gives the specific algorithm of SVPWM algorithm based on FPGA and the software design. FPGA program written in this paper, we use Verilog HDL, adopt the way of combining statements and graphics editing program in order to achieve the purpose of the program structure is clear. Program type with Mealy state machine structure, increase the utilization of hardware resources, in order to achieve the structure is clear, for the purpose of digital design. Among them, the software through the Modelsim Altera simulation, its related simulation waveform graph is given to illustrate its correct. In this paper, we use the Storm Ⅲ FPGA development threatening the software validation, in which development board of the core chip of Altera company EP3C10E144C8 the FPGA chip, using the RC filter circuit to filter the PWM signal and output signal oscilloscope waveform diagram is given to illustrate the accuracy of the algorithm.矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。 Key words: Space vector pulse width modulation; SVPWM; FPGA; Verilog HDL聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
目 录
1 绪论............................................. (1)残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。 1.1 空间矢量控制技术............................... (1)酽锕极額閉镇桧猪訣锥。 1.2 现场可编程门阵列............................... (2)彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。 1.3 本文研究内容................................... (4)謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。 2 空间矢量控制..................................... (4)厦礴恳蹒骈時盡继價骚。 2.1 空间矢量控制基本原理........................... (4)茕桢广鳓鯡选块网羈泪。 2.1.1空间矢量的定义 ............................... (4)鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。 2.1.2电压与磁链空间矢量的关系 ..................... (5)籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。 2.1.3六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场 ....... (6)預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。 2.1.4 电压空间矢量的线性组合....................... (8)渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。 2.2 空间矢量控制算法............................................. (10) 2.2.1恒压频比 ................................................... (10) 2.2.2 Clark变换 .................................. (10)铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。 2.2.3 开关矢量持续时间计算........................ (11)擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。 2.2.4 扇区判断.................................... (12)贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。 2.2.5 合成参考矢量................................ (12)坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。 3 基于FPGA的SVPWM算法的软件设计................. (12)蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。 3.1 运算模块...................................... (13)買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。 3.1.1 三相参考电压峰值计算模块.................... (13)綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。 3.1.2 三相电压矢量发生模块........................ (14)驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。 3.1.3 坐标变换模块................................ (15)猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。 3.1.4 开关导通时间计算模块........................ (15)锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。 3.1.5 参考矢量位置判断模块........................ (17)構氽頑黉碩饨荠龈话骛。 3.2 PWM信号发生模块 .............................. (19)輒峄陽檉簖疖網儂號泶。 3.3 死区模块..................................................... (19) 3.4 软件总系统................................................... (19)
4 硬件与调试...................................... (20)尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。 5 总结与展望..................................................... (22) 致 谢............................ (错误！未定义书签。)识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。 参考文献.......................................... (23)凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。 附 录............................ (错误！未定义书签。)恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
基于FPGA的SVPWM算法的实现
1 绪论
1.1 空间矢量控制技术
直流电机和交流电机在19世纪先后诞生，鉴于直流电机具有优越的调速性能，高性能的可调速场合都采用直流电机，而约占所有电机总容量80%以上的不变速拖动系统则采用了交流电机，交流调速系统多种方案虽然已经早已问世，并已经投入到了实际应用当中，但是其性能却始终无法与直流调速系统相比。在早期的交—直—交变压变频器所输出的交流波形都是六拍阶梯波或者是矩形波，当时，只能采用半控式的可控硅来控制其导通，但是其不能控制关断，由于它的不可控性和比较低的开关频率导致了逆变器输出的波形不能近似按正弦波变化，只能按照阶梯波变化，从而会产生较大的谐波，使电机输出转矩也存在脉动的分量，影响其实际工作性能，为了提高交流电机变压变频调速系统的性能。在出现全控式电力电子开关器件后，脉宽调制（PWM）技术也相应得到了广泛的应用，对交流电机的变压变频调速系统起到了很大的推动作用。在20世纪80年代出现了应用PWM技术的逆变器，由于它的优良的调速性能，如今，在国内外生产的变压变频器都已经采用了脉宽调制技术，只有在全控器件尚未能够承受的特大容量的场合才没有应用上脉宽调制技术[2]。鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。 脉宽调制（PWM）控制技术的原理是在采样理论中，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上，其作用效果基本相同。其中，冲量即指窄脉冲的面积。而这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形采用傅里叶变换来分析，那么低频段的时候其输出波形是非常接近的，只在高频段范围有差异。例如图1.1所示的三个窄脉冲形状不同，其中a为矩形脉冲，b为三角形脉冲，c为正弦半波脉冲，但他们的面积都相等，那么，当它们脉冲函数为d所示时即δ(t)，环节的响应即为该环节的脉冲过度函数。我们称上述原理为面积等效原理，它就是PWM控制技术的重要理论基础[1]。硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。 2 8
?(t)?(t)?(t)?(t)δ(t)Oa)tOb)tOc)tOd)t图1.1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
在众多的PWM技术中，其中正弦波脉宽调制(SPWM)技术广泛应用于逆变器，而经典的正弦脉宽调制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未考虑到输出电流的波形。然而交流电机需要输入三相对称正弦电流的最终目的是在电机空间中形成一个圆形的旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩，才能保证电机以良好的状态转动。如果我们对准这一目标，把逆变器和交流电机看成一个整体，那么按照形成圆形磁场的控制要求来控制逆变器的开关工作，那么其效果应该会更好。这种控制方法叫作磁链跟踪控制，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量通过矢量合成所得到的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM）控制”[2]。SVPWM控制相比于SPWM控制主要有以下优点[7]：阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。 (1)直流侧电压利用率相比于SPWM高出15%左右； (2)开关次数减少1/3左右； (3)能获得较好的谐波抑制等特点。
其中最为主要的是第一和第二点，因为开关次数减少和电压利用率增高就相
当于间接节能。但是SVPWM在算法的数字实现上较SPWM困难，主要原因是SVPWM在实现过程中，需要进行一些几何变换和运算，所以它的运算量比较大，导致普通单片机已经无法满足运算要求，无法保证实时性要求，所以这里需要一种快速器件才能满足性能要求。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。 1.2 现场可编程门阵列(FPGA)
可编程逻辑器件（PLD）是20世纪70年代发展起来的一种新型的集成器件。
PLD是大规模集成电路技术发展的产物，同时也是一种半定制的集成电路，结合计算机软件技术（EDA技术）可以快速、方便地构建数字系统[3]。釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。 不论是简单的还是复杂的数字电路系统都是由基本门构成的，如与门、或门、
非门、传输门等。其中由基本门可构成两类数字电路：一类是组合电路；另一类
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