基于FPGA的优化SVPWM IP核

  叶文，李膺

(重庆科技学院，重庆400050)

    摘要：基于FPGA，提出r一种优化SVPWMIP核的电路实现方案，并通过r硬件测试。结果表明，借助简单的接口设计，微处理器就可凭借此IP核在0．1—800 Hz基波频率范围内，实现三相交流电机变频调速控制功能。此IP在有效降低功率器件开关损耗的同时，也大幅度降低了对处理器速度的要求，且处理器软件设计简单。

    关键词：FPGA；电压矢量脉宽调制；正弦脉宽调制；开关损耗；优化

    中囵分类号：TM34  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)01—0021—04

0引  言

    SVPWM算法因输出电流谐波含量小、数字化容易等特点在高性能系统中得到广泛应用^[1]，但其数百nS的数据处理要求，迫使系统必须采用高速的USP甚至是双DSP来满足控制要求。结合FPGA数据处理速度高的特点，本文提出了一种在FPGA基础上以纯硬件方式实现交流电机SVPWM调速控制的电路方案，它能有效降低系统对MCU／DSP速度的要求并使软件设计大大简化。采用此IP核，常用的8位MCU(如51系列)就能满足交流电机SVPwM开环变频调速的控制要求。

1 SVPWM算法

  SVPWM算法又称磁链追踪型PWM法。它是从交流电机的角度出发，以三相正弦电压驱动时电机定子形成的理想磁链圆为基准，研究如何控制逆变器的开关模式，才能使逆变器输出电压所形成的磁链更接近理想磁链圆^[1]。其中，主要涉及：

1．1参考电压矢量合成

    逆变器同一桥臂上的功率器件呈互补的开关状态，故三相逆变器6个功率器件有2³，共8种工作状态，令E桥臂器件导通为“1”，关断为“0”，则这8种工作状态可记为U0(000)、U₁(001)、U₂(010)、U₃(011)、U₄  (100)、U₅(101)、U₆(110)和U₇(111)，如图1所示。其中包括6个幅值相等相位互

差60。的非零电压矢量(U₁～U₆)和2个幅值为零的零电压矢量(U_。，U₇)，6个非零电压矢量将理想的圆形磁链等分成I～Ⅵ，共6个扇区。用以产生圆形磁链的参考电压矢量(U_ref)，可根据“面积等效”原则，用上述8个电压矢量中的一个或几个合成获得，常用的有三段矢量合成法，即由其所处扇区的两个相邻的非零电压矢量和零电

压矢量合成^[2]，如图2所示。  设U_ref位于扇区I，则有：

上式中，U_ref、U、4U₆以及T、t₄、t₆分别为参考电压矢量、扇区I的非零电压矢量及作用时间；t₀、t₇为零电压矢量(U₀，U₇)作用时间。

    以U_ref旋转方向定向，相位超前电压矢量为U_x滞后为U_y，作用时间分别为T_x、T_y，Mod为幅度调制比。由于非零电压矢量沿αβ轴对称分布，则各扇区内电压矢量作用时间的一般表达式如表l所示。

1.2电压矢量产生

    因矢量作用效果仅和其持续时间有关，为降低电机转矩脉动，通常将各矢量分二次产生。此外为降低功率器件开关损耗，采用电压矢量每次切换仅有一相功率器件的状态发生变化的方式，确定各矢量的产生顺序。依据上述原则所确定的各扇区矢量产生顺序如表2所示。图3为扇区I矢量产生情况，图中△为PwM载波，U、V、W为三相功率器件的PWM控制信号。

1．3电压空间矢量算法优化

  (1)降低谐波电流

  减小PwM信号周期T，即提高系统采样频率有助于降低输出