第１０卷第３５期２０１０年１２月 科学技术与工程 Ｖｏ１．１０ Ｎｏ．３５ Ｄｅｃ．２０１０ １６７ｌ一１８１５（２０１０）３５—８８０４—０４ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ⑥２０１０ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ． 机电技术 基于ＶＨＤＬ的ＳＶＰＷＭ发生器的实现 王建华付宁宁 刘卫法 （江苏科技大学电信学院，镇江２１２００３） 摘要空间矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ）技术可以提高电压型逆变器的电压利用率和电动机的动态响应性能，还可以减小电动 机的转矩脉动。所以在电机的矢量控制系统中得到了广泛的应用。结合ＦＰＧＡ数据处理速度高的特点，以ＶＨＤＬ硬件语言来 编写ＳＶＰＷＭ，通过ＱＵＡＲＴＵＳＩＩ自带仿真软件进行仿真。结果表明：该方法可以有效地控制逆变器桥臂开关。 关键词 电机控制 ＶＨＤＬ ＳＶＰＷＭ 矢量控制 中图法分类号ＴＭ３４； 文献标志码Ａ 近年来，由于ＤＳＰ具有其对于新型及复杂算法 计而不必改动硬件电路。使用ＦＰＧＡ来开发数字电 时更短的开发时间，以及能够运行多种算法的灵活 路，可以大大缩短设计时间，减少ＰＣＢ面积，提高系 性，在ＳＶＰＷＭ（空间矢量脉宽调制）控制领域得到 统的可靠性 。 了广泛应用。但使用ＤＳＰ单核心的控制方法存在 一些缺陷：它的硬件已完全固化，可开发利用的功 能只是在这个固定的硬件平台上实现其功能的最 优化，以及算法改进与优化等待，硬件实现的灵活 性很差。而且ＤＳＰ在实现ＳＶＰＷＭ触发信号时需要 较长的时钟周期；微处理器中不确定的中断响应会 导致ＰＷＭ脉冲的相位抖动¨Ｊ。 而ＦＰＧＡ的最大优势在于硬件实现以及通过并 行处理实现的效率增益。使用ＦＰＧＡ，并非进行算 法设计与优化，而是逻辑设计与时序约束等等。用 户可对ＦＰＧＡ内部的逻辑模块和Ｉ／Ｏ模块重新配 置，以实现用户的需要。ＦＰＧＡ还具有静态可重复 编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可 以像软件一样通过编程来修改，它既解决了定制电 路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限 图１ 异步电机无速度传感器矢量控制系统硬件结构 的缺点。而且ＦＰＧＡ有在线修改能力，随时修改设 结合ＦＰＧＡ数据处理速度高等的优点，本文提 出了一种在ＦＰＧＡ基础上以纯硬件方式实现交流电 ２０１０年ｌＯ月１３日收到 机ＳＶＰＷＭ调速控制的电路方案，它能有效降低系 第一作者简介：王建华（１９５４一），男，江苏丹阳人，副教授，研究方 向：电力电子技术。 统对电机速度的要求，并使软件设计大大简化。依 通信作者简介：付宁宁（１９８５一），女，河南濮阳人，硕士研究生，研 据电压空间矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ）原理，给出了 究方向：电力电子技术。 扇区判断、矢量作用时问计算、开通时间计算、开通 ３５期 王建华，等：基于ＶＨＤＬ的ＳＶＰＷＭ发生器的实现 ８８０５ 时问分配及ＰＷＭ生成等模块的设计方法，实现了 一种基于ＦＰＧＡ的无速度传感器矢量控制系统的 目的。 １无速度传感器矢量控制系统硬件结构 系统硬件电路主要是是由系统的主电路和控 制电路两大部分组成，其中主电路是有整流器，中 间储能环节和逆变器组成，控制电路包括运算电 路、检测电路、控制信号的输入和输出和驱动电路 组成。系统硬件电路的整体框图如１所示。 ２ ＳＶＰＷＭ基本原理 把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆 形旋转磁场来控制逆变器的工作，这种控制方法称 作“磁链跟踪控制”，磁链的轨迹是交替使用不同的 电压空问矢量得到的，所以又称“电压空间矢量 ＰｗＭ（ＳＶＰＷＭ，Ｓｐａｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ ＰＷＭ）控制” 。 ＳＶＰＷＭ的主要思想在于利用逆变器空间电压 矢量的切换合成参考电压矢量。具体方法如下：在 桥式电路中，同一桥臂上两个开关的工作状态在任 意时刻都是互补的，所以可以用二值逻辑函数表示 ６个开关的工作状态： ｒ１，上桥臂开关导通，下桥臂关断 【０，上桥臂开关关断，下桥臂导通 ｋ＝（Ａ，Ｂ，Ｃ） （１） 由式（１）可见，３组开关的工作状态共有８种，不同 的开关工作状态对应着不同的三相输出电压。这８ 种丁作状态分别对应着８条基本空间电压矢量，任 意区域内的空间电压矢量都可以由２条非零矢量和 ２条零矢量合成。在进行电压矢量合成时，规定每 一次开关动作只能有一相桥臂的工作状态发生转 换，目的是为了降低电路中的谐波含量，确定基本 电压矢量的切换顺序 Ｊ。 ＳＶＰＷＭ的合成方法是先确定理想磁链圆运行 到的区域，然后判断哪几个空间矢量来合成所需的 空问电压矢量，它们分别作用的时间是多少，通过 调整使用不同的电压空间矢量合成不同的电压空 问矢量，它们作用时间的比例决定了合成电压空间 矢量的角度，它们作用时间的长短决定了电压空问 矢量旋转速度的快慢 。 ３ ＳＶＰＷＭ模块设计及其仿真结果 ＳＶＰＷＭ模块是整个设计的难点与重点，在这 里主要分为作用时间及输出状态模块、时间过调制 模块、ＰＷＭ波输出模块、同步脉冲模块，下面将分别 进行详细的说明。 前面介绍了ＳＶＰＷＭ的基本原理，采用ＶＨＤＬ 编程时，可以把对扇区的判断和作用时间长短进行 综合考虑。 在考虑每次切换时只有一个开关动作，且每个 扇区一定是从零矢量０００开始，到矢量０００结束，这 样可以得到每个扇区上桥臂的两个基本开关状态。 这里采用Ａｌｔｅｒａ公司ＦＰＧＡ的开发软件Ｑｕａｒ— ｔｕｓＩＩ编程，且在ＱｕａｒｔｕｓｌＩ自带的仿真软件上仿真， 得到扇区所需的基本作用时问及存各个时问所对 应的开关状态如图２。 当所求作用时间 ＋ ＞ 时，作用后的电压 矢量将会脱离六边形本来的轨迹，跑到它的外面， 这个时候为了保证磁链为近似圆形，需要修正作用 时间 ＋Ｔ２＜Ｔｓ，Ｔ 、Ｔ２不变，Ｔｏ＝ —Ｔ 一Ｔ２ ＋ｒｓ＝Ｔ， 、 不变，ｒｏ＝０ ＋ Ｉ一 １＋ ． ＞ ， １＝ — ——！， ： 拿 ， ：０。 根据上式条件来编写程序，仿真后结果如图３。 利用有限状态机的方法设计ＦＰＧＡ，只须控制 三相桥臂开关状态的保持时间，就可以实现ＳＶＰ— ＷＭ触发信号。这里利用状态机来实现脉冲输出。 在利用ＤＳＰ或单片机时，通常采用的是三角波作为 ＰＷＭ波的载波，然后利用计算 来的矢量作用时间 与ｊ角波载波进行比较得到需要的ＰＷＭ波的输 出。但利用ＦＰＧＡ实现这一功能时，需要输ｆ｝；的状 态已经在前面所进行的基本电压矢量作用时间计 算模块时已经确定，所以只需要保持各个状态为计 算作用时间即可。 科学技术与工程 ｌＯ卷 Ｎ蜘０ ３ ｐ； １０ ｎｓ ｉ０ ６１ ＾ ２０ 葡０ ｎｓ 一 ４０． ｎ＝ ０ ｅｌｋ ｌ ｌ 门厂］ｒ］广］ｒ］厂］ｒ］ｒ１厂１几ｆ ］几几几几几几ｎ厂］厂］ｎ ｎ厂］厂］几ｒ］几ｎ ｒ］厂１广］．ｒ］ｎ．．厂］．几几几．ｎ．．ｎ厂 ２ ２１ 固ｍ 囤ｍｂ ：０００３９ Ｘ Ｏ００３Ａ Ｘ Ｏ００３Ｂ ×０００３Ｃ ：０００３３ Ｘ ０００３４ Ｘ ０００３５ ×０００３６ 赫 ４０ 癌 ４ｌ ｓｙｎ￣ｕｌｓｅ －。。。。。。●。●－。。。。。。。。。。。。。。－一 广———］广———－＿］广———一 函心 囤ｔａ （０００００ Ｚ ＯＯＯＯｌ Ｘ ００００２ Ｘ Ｏ００Ｏ３ 镒》６ｌ 图ｔｂ （００１０１ Ｘ ００１１１ Ｘ ００１２１ Ｘ Ｏ０１３１ 露 ８０ 图ｖｘ ：０００ × ｌＯ０ Ｘ ０００ Ｘ ｏ１ｏ Ｘ １１ｏ Ｙ 交 ８４ 囝ｖｙ ： ｏｏｏ ×１００× １１０ 图２作用时间及输出状态仿真波形 Ｎ蜘ｅ ０ ｅｌｋ ｌ 『 ｌ Ｉ『 ＪＩ Ｉｆ Ｉｌ ｌＩ 『ｌ ｌＩ ｌ ｌ ＪＩ Ｉ ｌ Ｉ Ｉ『 泌ｌ ２ 团ｎ＿ｔＯ ，ｏｏｏｉ１０）。（０００００００００１ｌＯｌＯ０１１０ 面 ０ｏ０１１ｏ［ｘ ０００００００００１１００１ｌ１００ ）血０１１Ｘ ０００００００００１１００１１０１０ ２１ 囡ｎ－ｔａ ）ｏｏｏｏｏｏｏｌｏｘ ００００００００００００１００１ ｉ １ ＸＯＯＯＯ ００００００００００１０１０ ｛ ４０ 圈ｎ＿ｔｂ ００００００００１１ Ｘ ００口００００００口口叭１０００１ Ｘ ００００００００００００ｉ１００１１ ｉ 一５９ ６０ 团ｔａ ００００００００００００１０１００１ Ｘ ００００００００００００１０１０１ １ ｛７９ 团ｔｂ ００００００００００００１ １００１ １ Ｘ ０００００００００００叭ｉ０１０１ 图３ 时间过调制仿真波形 Ｈ∞ｅ 鲤 ０ ａ ｔａｔｅ ｌ Ｉ １ ｃｌｋ Ｉ １『ｌ ｌｌ ｌ Ｉ『ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ Ｉ Ｉ ｌ ｒ－］ 睁２ ｒｅｓｅｔ ３ ｓＦ￣ｃｐｕｌｓｅ ｌ１ Ｉ ４ 图ｔＯ—ｉｎ ０００００００００００１ １０１ １ １ １ Ｘ ０００００００００００１ ｌ １００００ 蓼２３ 圈ｔａ＿ｉｎ ０００００００００００１ ｌＯｌＯＯＯ Ｘ ０００００００００００１ ｉ０１００１ ４２ 团ｔｂｊｎ ０００００００００００１０１ ｌ １００ Ｘ ０００００００００００１０１ １ １０１ ６ｌ 团 ｅｃ—ｏｕｔ ０００ ｏ ＪＸ １１１ ｉｃＸ ０００ ）ｊｏ［ｘ １ｉ０）。１［ｘ ０００ ０掰１１１）４１［×ｉ００ Ｘ ０００ ６５ 团 １０１ Ｘ １１０ 釜 Ｂ９ 囹ｖｙ １１１ Ｘ ０００ 图４ ＰＷＭ脉冲输出仿真波形 ＨＶ 蛐ｅ １０ ０ ｓｙｌＩｌｓｔａｔｅ １ ｅｌｋ ２ ｊ泌３ ｒｅｓｅｔ 啦４ ｕ ｂｏｔ ５ ｕｔｏｐ ＿啦６ ｖ ｂｏｔ －国≯ ｖ＿｛ｏＤ 盼８ ｗ ｂｏｔ 够８ ｗ＿ｔｏｐ 图５ ＳＶＰＷＭ输出波形 ３５期 王建华，等：基于ＶＨＤＬ的ＳＶＰＷＭ发生器的实现 ８８０７ 为了使输出电压矢量谐波尽量较小，通常采用 七段式输出，即从状态开通顺序为０００一 一 一 效地提升了控制系统的整体性能。由于ＳＶＰＷＭ信 号发生器是用ＶＨＤＬ硬件描述语言实现的，因而可 简便地应用于逆变器控制系统中。 参考文献 １１ｌ一 一 Ｏ０。仿真波形如图４。 以ＳＶＰＷＭ输出波形为顶层文件，综合作用时 间及输出状态模块、时间过调制模块、ＰＷＭ波输出 模块、同步脉冲模块程序模型的输出，可以得到最 １ 韩宝江．基于ＦＰＧＡ的ＳＶＰＷＭ信号发生器设计．哈尔滨：哈尔 终的ＳＶＰＷＭ输出波形如图５，由此验证了设计的正 滨理工大学硕士学位论文．２００９ 确性。 ２冯垛生，曾岳南．无速度传感器矢量控制原理与实践．北京：机 械工业出版社．１９９６ ３ Ｚｈｏｕ Ｚｈａｏｙｏｎｇ，Ｌｉ Ｔｉｅｅａｉ，Ｔａｋａｈａｓｈｉ Ｔ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ４结束语 ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ＰＷＭ ｃｏｎｔｏｒｌｌｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ．ＩＥＥＥ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｏｒｎｉｅｓ．Ｃｏｎｅ￣ｅｎｅｅａｎｄ Ｅｘ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ，２００４：１ ６９８—１ ７０２ 本文用ＶＨＤＬ硬件描述语言设计了一种由有 ４彭逢彪，曾岳南，郑杰然．基于ＦＰＧＡ的ＳＶＰＷＭ发生器的实现． 限状态机构成的ＳＶＰＷＭ信号发生器，该信号发生 自动化与仪器仪表，２００９；３（１）：２７—３１ ５ Ｙａｎｇ Ｇｕｉｊｉｅ，Ｓｕｎ Ｌｉ，Ｃｕｉ Ｎａｉｚｈｅｎｇ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ 器不仅成功实现了输入时间信号到ＳＶＰＷＭ触发信 ｖｅｃｔｏｒ ＰＷＭ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＣＳＥＥ，Ｃｈｉｎａ，２００１：５３—７９ 号的转换，而且具有良好的抗干扰能力。此外，其 并行处理结构可以保证三相桥臂开关同时动作，有 ＶＨＤＬ・ｂａｓｅｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ＳＶＰＷＭ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ＷＡＮＧ Ｊｉａｎ—ｈｕａ，ＦＵ Ｎｉｎｇ—ｎｉｎｇ，ＬＩＵ Ｗｅｉ—ｆａ （Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２００３，Ｐ．Ｒ Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ＰＷＭ（ＳＶＰＷＭ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｔｙｐｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｄ ｉｔ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｔｏｒｑｕｅ ｍｏｔｏｒ，ＳＯ ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｊｎ ｔｈｅ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｈｉｇｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ＶＨＤＬ ｌａｎｇｕａｇｅ ｔｏ ｗｒｉｔｅ ＳＶＰＷＭ，ｔｈｒｏｕｇｈ ＱＵＡＲＴＵＳＩＩ ｏｗｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ＳＨＯＷＳ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｂｒｉｄｇｅ ａｒｍ ｓｗｉｔｃｈ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ＶＨＤＬ ＳＶＰＷＭ
