朱天順，黃植功，王國宇

(廣西師范大學，桂林 541004)

基于DSPBuilder的SVPWM算法設計及應用

朱天順，黃植功，王國宇

(廣西師范大學，桂林 541004)

主要研究了空間矢量脈寬調(diào)制算法的基本原理，利用新方法—DSP Builder提供的功能模塊庫，搭建了SVPWM模塊，并組建了恒壓頻比控制系統(tǒng)。在Simulink仿真環(huán)境下，完成算法的驗證。最后將此控制系統(tǒng)仿真模型轉(zhuǎn)換成VHDL語言，下載至FPGA中，用來控制一臺永磁同步電機的低速運轉(zhuǎn)。實驗結(jié)果表明所設計的SVPWM功能模塊正確，電機速度控制精度高，性能好，且采用DSP Builder設計系統(tǒng)，可以簡化設計流程，加快研究速度。

SVPWM；DSP Builder；永磁同步電機；FPGA

0 引 言

空間矢量脈寬調(diào)制(以下簡稱SVPWM)也稱為磁鏈跟蹤控制, 通過切換逆變器的6個功率開關的開關狀態(tài)，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場。該方法能夠消弱電機轉(zhuǎn)矩脈動,提高電機運行的性能[1-2]。與傳統(tǒng)正弦波脈寬調(diào)制技術(SPWM)相比,SVPWM更易于實現(xiàn)全數(shù)字化控制，能夠有效抑制電壓諧波，提高直流電壓利用率。由于這些優(yōu)點，在電機驅(qū)動控制，尤其在交流調(diào)速系統(tǒng)中，SVPWM技術得到了廣泛應用[3-4]。

現(xiàn)場可編程門陣列FPGA具有設計靈活，開發(fā)費用低，設計周期短，采用并行處理機制，處理速度快，拓展性好，可靠性高等優(yōu)點，因此在數(shù)字信號處理，通信等領域比DSP或MCU更具有競爭力。然后對于一些復雜算法的開發(fā)，直接使用硬件描述語言來實現(xiàn)難度較大，耗時較多。Altera公司推出的DSP Builder可以幫助設計者利用圖形化的建模完成設計、仿真，直至下載至FPGA芯片中，省去了繁瑣的代碼編寫過程，大大提高了開發(fā)效率[5-7]。

1 SVPWM算法原理

圖1 三相電壓型逆變器主電路

圖2 電壓空間矢量圖

SVPWM線性組合的基本思想就是平均值等效原則。根據(jù)參考矢量Vref所在扇區(qū)，利用組成這個扇區(qū)的兩個非零矢量和零矢量的合理切換，去逼近旋轉(zhuǎn)參考矢量Vref。這里假定合成的電壓矢量落在sector1，在一個采樣周期內(nèi)，可以由非零矢量電壓矢量V1，V2以及零電壓矢量V0，V7合成Vref，于是有：

(1)

式中：T0，T1，T2，T7分別是電壓矢量V0，V1，V2，V7的作用時間，Ts為采樣周期。

因此，可以采用兩個相鄰電壓空間矢量的組合和調(diào)制他們的作用時間，來組合成任意形式的參考電壓，從而在電機定子繞組中形成旋轉(zhuǎn)磁場。

2 基于DSP Builder的SVPWM算法實現(xiàn)

DSP Builder 是Altera 公司推出的一個基于Simulink的工具箱。使得可以使用Simulink的圖形界面進行FPGA的系統(tǒng)級別的開發(fā)。DSP Builder提供了一個從Simulink仿真到FPGA硬件的接口。且它的基本模塊都是以算法級別的描述呈現(xiàn)，用戶甚至不必十分了解FPGA的硬件描述語言，就可以進行系統(tǒng)芯片的自頂向下的設計開發(fā)。

SVPWM在DSP Builder中的實現(xiàn)如圖3所示，SVPWM控制主要包括4個部分，扇區(qū)選擇單元，矢量切換點計算單元，PWM生成單元。每個功能單元均是由DSP Builder模塊庫中的基本模塊構建而成。

圖3 DSP Builder工具搭建的SVPWM算法模塊

2.1扇區(qū)選擇

要合成參考電壓Vref，首先就要知道Vref此時所處的扇區(qū)，將Vref分解為 ，定義如下3個變量：

(2)

根據(jù)這3個變量可以計算出相應的扇區(qū)：如果Vref1>0，則A=1，否則A=0；如果Vref2>0，則B=1，否則B=0；如果Vref3>0，則C=1，否則C=0。計算下面的表達式：

N=4C+2B+A

(3)

2.2調(diào)制時間確定

相鄰兩矢量的作用時間與3個變量相關，定義：

(4)

對于不同扇區(qū)相鄰兩矢量作用時間T1,T2，按表1取值。需要注意的是，如若出現(xiàn)B飽和狀況，即T1+T2>Ts，則取T1=T1×Ts/(T1+T2),T2=T2×Ts/(T1+T2)。

表1 六扇區(qū)矢量作用時間分配表

2.3計算矢量切換點及SVPWM信號輸出

PWM波形是通過中心對稱的方式產(chǎn)生的，所以可以求得三路PWM波形的占空比分別為：

(5)

則在不同扇區(qū)內(nèi)開關切換時刻Tcm1，Tcm2，Tcm3根據(jù)表2進行賦值。

表2 六扇區(qū)矢量切換時刻表

SVPWM脈寬調(diào)制就是用計算得到的矢量切換點Tcm1，Tcm2，Tcm3與一定頻率(1/Ts)和幅值(Ts/2)的三角載波進行比較，產(chǎn)生三相PWM脈沖，連同反相延時后的三相共6路PWM波送到逆變器的開關管。

3 PMSM恒壓頻比控制系統(tǒng)設計與仿真

永磁同步電機以永磁體代替交流勵磁繞組，因其結(jié)構簡單，輸出功率大，帶負載能力強，電機運行平穩(wěn)等特點，使得其在交流伺服驅(qū)動方面有著比傳統(tǒng)電機更好的優(yōu)勢。SVPWM算法在交流調(diào)速系統(tǒng)中有著廣泛的應用，本文便以永磁同步電機(PMSM)為應用對象，來驗證所設計的SVPWM控制算法的正確性和有效性。

3.1系統(tǒng)框架設計

永磁同步電機V/f開環(huán)速度控制，是通過改變頻率的同時改變輸出電壓，使電動機的磁通保持一定，在較寬的范圍內(nèi)調(diào)速運轉(zhuǎn)。圖4是整個控制系統(tǒng)的結(jié)構框圖，主要包括V/f曲線、三相正弦信號發(fā)生器、Clarke變換、SVPWM調(diào)制等模塊。這種控制系統(tǒng)簡單，易于實現(xiàn)，無需從電機端反饋速度、位置或電壓、電流等閉環(huán)信號[8]。

圖4 PMSM恒壓頻比控制系統(tǒng)框圖

3.2仿真模型搭建

圖5是根據(jù)系統(tǒng)設計框圖在Simulink中基于DSP Builder模塊庫并結(jié)合SimPowerSystems 工具箱搭建的PMSM恒壓頻比控制系統(tǒng)的仿真模型。其中升降速時間設定模塊采用Verilog語言編寫，經(jīng)HDL Import模塊導入到模型中；V/f曲線采用固定調(diào)制度；三相正弦波采用DDS信號發(fā)生器產(chǎn)生；逆變器和PMSM為Simulink庫中給定模塊。

圖5 PMSM恒壓頻比控制系統(tǒng)仿真模型

3.3仿真結(jié)果與分析

在仿真中，PMSM參數(shù)設為定子繞組電阻為1.8；直軸電感為10 mH；交軸電感為10 mH；轉(zhuǎn)子磁鏈為0.182 7 Wb；極對數(shù)為4；直流電源電壓為30 V。

恒壓頻比控制模式,設定給定頻率為12 Hz,V/f曲線調(diào)制度為1.25,電機空載啟動，測得相電流的波形和轉(zhuǎn)速曲線如圖6和圖7所示。從仿真波形可以看出，該系統(tǒng)具有較快的響應速度，轉(zhuǎn)速超調(diào)量較小，電機運行穩(wěn)定，且根據(jù)設定頻率為12 Hz,故電機轉(zhuǎn)速n=60f/p=15f=180 r·min-1,從速度曲線看出與設定值相符合，達到了預設的效果，證明了SVPWM算法和系統(tǒng)設計的正確性。

圖6 PMSM三相電流波形

圖7 PMSM速度波形

4 實驗驗證

為了驗證所設計的系統(tǒng)在實際中的應用效果，另搭建了基于Altera DE2-70開發(fā)板控制的硬件實驗裝置。其中永磁同步電機使用銳格電子的130ST-M001,額定轉(zhuǎn)矩4.8 N·m,額定功率1 kW,額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min?？梢杂?Signal Compiler組件將仿真模型直接轉(zhuǎn)換成 VHDL語言，經(jīng)過綜合適配后，下載至FPGA中，進行電機恒壓頻比開環(huán)控制，實際觀察電機低速運行平穩(wěn)，用示波器觀測功率逆變器其中兩上橋臂的PWM經(jīng)過RC低通濾波后的波形如圖8所示。從圖中可以看出它們是標準的馬鞍波，且相位差為120°，證明開環(huán)程序是無誤的。圖9是電機運行時定子側(cè)V相，和W相的電流波形。圖中顯示，電流信號具有良好的正弦特性，且周期為84.00 ms，與給定頻率12 Hz相符，證明了該設計方法的可行性。

圖8 兩路PWM低通濾波后的波形圖9 PMSM定子側(cè)兩相電流波形

5 結(jié) 語

本文提出了一種基于DSP Builder的SVPWM設計方法，在MATLAB中完成仿真驗證，并應用于實際的交流調(diào)速系統(tǒng)中。實驗結(jié)果表明，此SVPWM設計方法簡單有效，在交流調(diào)速控制中，電機運行平穩(wěn)，接近無超調(diào)，具有良好動靜態(tài)特性。且基于DSP Builder平臺進行SVPWM算法的設計，可以和FPGA實現(xiàn)無縫連接 ，提高FPGA 設計效率，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，具有一定的工程應用參考價值。

[1] 于洋，張加勝.空間矢量調(diào)制原理分析及數(shù)字化實現(xiàn)[J].變頻器世界,2012(1)：17-20.

[2] 郭寶增，武麗曉，熊曉薇，等.基于 FPGA 的 SVPWM 系統(tǒng)研究及 Simulink 仿真[J].電子設計工程,2013,21(24):7-9.

[3] TZOU Y Y，HSU H J.FPGA realization of space-vector PWM control IC for three-phase PWM inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1997,12(6)：953-963.

[4] 劉敬猛,王田苗,魏洪等.基于 FPGA 的可重構交流伺服系統(tǒng)硬件設計[J].機床與液壓,2005(4):1-4.

[5] 邵欣,劉福貴,陶銀.基于DSP Builder的PMSM控制算法[J].計算機工程,2011,37(23):220-222.

[6] 戢方,雷勇,王俊.自頂向下基于DSP Builder的PID控制系統(tǒng)開發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術,2007,30(9):127-129.

[7] 張志亮,趙剛,齊星剛.從Simulink模型自動生成VHDL代碼——基于DSP Builder的FPGA設計流程[J].現(xiàn)代電子技術,2004,27(23): 4-6.

[8] 張興華.空間矢量脈寬調(diào)制恒壓頻比控制的數(shù)字實現(xiàn)[J].電氣傳動,2004,27(2):12-16.

DesignandApplicationofSVPWMAlgorithmBasedonDSPBuilder

ZHUTian-shun,HUANGZhi-gong,WANGGuo-yu

(Guangxi Normal University,Guilin 541004,China)

The working principle of space vector pulse width modulation was mainly studied. The SVPWM algorithm module was generated by DSP Builder, and then a constant proportion of voltage to frequency control system was constructed. It uses the application of MATLAB/Simulink to simulate and verify the correctness of SVPWM algorithm. Finally ,this simulation system was converted to VHDL language and download to one-chip FPGA. The method was applied to control one permanent magnet synchronous motor running at low speed. The experimental results show that the design is valid and can get excellent operating performance. Furthermore, the method of DSP Builder can simplifies the design process and accelerated the speed of research．

SVPWM; DSP Builder; PMSM; FPGA

2016-05-08

國家自然科學基金項目(51367005)

TM351；TM341

：A

：1004-7018(2016)11-0073-04

朱天順(1970-)，男，碩士，主要研究方向為電機驅(qū)動控制。