基于FPGA的SVPWM過調(diào)制算法的設(shè)計

王水魚，肖寶峰

(西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

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基于FPGA的SVPWM過調(diào)制算法的設(shè)計

王水魚，肖寶峰

(西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

對SVPWM過調(diào)制控制原理進(jìn)行了分析，把調(diào)制區(qū)域分為兩個部分，并用相應(yīng)的控制策略來實現(xiàn)。為便于工程實現(xiàn)，對雙模式過調(diào)制方法進(jìn)行了簡化，即在過調(diào)制Ⅰ區(qū)只修改電壓矢量的幅值，不改變相位；而在過調(diào)制Ⅱ區(qū)使用相位跳變的方式來修改電壓矢量的相位。這種方法可以控制逆變器從線性調(diào)制模式平滑過渡到六拍波模式。最后，利用Verilog HDL編寫代碼、設(shè)計程序，并用Modelsim軟件進(jìn)行仿真驗證。從仿真結(jié)果可以看出，這種過調(diào)制方法是可行的。

SVPWM；過調(diào)制控制；逆變器；電壓利用率

0 引言

將SVPWM控制方法應(yīng)用在逆變器控制系統(tǒng)中，相對于常規(guī)六拍階梯波形，可以得到更好的輸出電壓波形，同時直流電壓利用率能夠提高15%左右，并且可以降低30%左右的開關(guān)損耗，動態(tài)性能更好[1]。

但是在有些場合需要輸出更高的交流電壓，當(dāng)出現(xiàn)過調(diào)制時，輸出的基波電壓與調(diào)制度不再是線性關(guān)系，輸出電壓部分受控。因此，對過調(diào)制方法的研究非常重要。在參考文獻(xiàn)[2-3]中，分別將過調(diào)制區(qū)域分為兩部分，并對其算法進(jìn)行了相應(yīng)的分析。本文研究了一種易于工程實現(xiàn)的過調(diào)制算法，并用Modelsim進(jìn)行了仿真驗證。仿真結(jié)果表明該算法是可行的。

1 SVPWM原理

圖1 空間電壓矢量

空間電壓矢量如圖1所示。逆變器開關(guān)有8個狀態(tài)，對應(yīng)8個基本電壓矢量，包括6個非零矢量分別為U1、U2、U3、U4、U5、U6和兩個零矢量U0、U7。電壓空間被這8個電壓矢量分為6個扇區(qū)。任何一個空間電壓矢量都可以由每個扇區(qū)內(nèi)相鄰的兩個非零矢量和零矢量合成[4]。

根據(jù)伏秒平衡原理，可以計算出每個扇區(qū)內(nèi)基本電壓矢量的作用時間，然后合成任意電壓矢量。為了減少諧波，通常采用七段式分配方法，即在一個周期內(nèi)零矢量均勻地分布在開頭和中間，保證每次只有一個開關(guān)動作。

2 過調(diào)制算法的原理

定義調(diào)制度為：

(1)

式(1)中分母為逆變器在六拍波狀態(tài)下輸出的相電壓幅值，分子為參考電壓幅值。根據(jù)調(diào)制度的不同，將調(diào)制區(qū)域劃分為線性調(diào)制區(qū)、過調(diào)制Ⅰ區(qū)、過調(diào)制Ⅱ區(qū)。

2.1 線性調(diào)制區(qū)

如圖1所示，當(dāng)參考電壓矢量在正六邊形內(nèi)部時，可以用8個基本電壓矢量來合成。此時，電壓矢量的軌跡為圓形。利用伏秒平衡原則計算出扇區(qū)內(nèi)相鄰兩個非零矢量的作用時間和零矢量的作用時間，然后合成電壓矢量。

當(dāng)m=0.906 9時，電壓矢量的軌跡為正六邊形的內(nèi)切圓，輸出基波電壓達(dá)到線性調(diào)制區(qū)的最大值。

2.2 過調(diào)制Ⅰ區(qū)

如圖2所示，在過調(diào)制Ⅰ區(qū)，只改變電壓矢量的幅值，而不更改電壓矢量的相位。即將超出正六邊形邊界的電壓矢量限制在六邊形邊界上，而輸出電壓矢量的相位與參考電壓矢量相同，以減少諧波。其中，外圓為期望的參考電壓矢量，內(nèi)圓為調(diào)制后輸出電壓矢量的基波分量。修改后的輸出電壓矢量為粗實線所示。

圖2 過調(diào)制Ⅰ區(qū)矢量圖

可以得到參考角度α1的計算公式為：

(2)

以第一象限為例，修改后輸出電壓幅值和輸出電壓相位的關(guān)系為：

(3)

2.3 過調(diào)制Ⅱ區(qū)

當(dāng)調(diào)制度增大到0.951 7時，輸出電壓矢量的軌跡為正六邊形的邊界，調(diào)制度再增大的話，參考電壓矢量將超出正六邊形的邊界，此時，只能通過延長基本電壓矢量的作用時間來進(jìn)行補(bǔ)償。

圖3 過調(diào)制Ⅱ區(qū)矢量圖

電壓矢量是交替領(lǐng)先的，相位在不停地變化，控制起來比較復(fù)雜。可以通過相位跳變的方式來改變電壓矢量的相位，這樣輸出電壓諧波會稍微增大，但是可以得到算法上的簡化，利于工程實現(xiàn)。

在α2內(nèi)實際輸出電壓矢量為基本電壓矢量，相位為0。當(dāng)參考電壓矢量相位達(dá)到α2時，實際輸出電壓矢量和參考電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)，相位從α2開始，與參考電壓矢量相位相同。修改后輸出電壓矢量的軌跡為圖3中粗實線所示。以第一象限為例，實際輸出電壓矢量幅值和參考電壓矢量相位的關(guān)系為：

(4)

α2與調(diào)制度m之間的關(guān)系不是線性的，在工程實現(xiàn)中需要離線計算或者將其線性化。分段線性化之后的計算公式為：

(5)

3 算法的實現(xiàn)和驗證

算法的主流程圖如圖4所示，根據(jù)參考電壓矢量計算出調(diào)制度，然后按照調(diào)制度的大小將調(diào)制區(qū)域分為3個部分，即線性調(diào)制區(qū)、過調(diào)制Ⅰ區(qū)、過調(diào)制Ⅱ區(qū)。分別采用相應(yīng)的調(diào)制方法進(jìn)行處理。

圖4 主流程圖

在過調(diào)制Ⅰ區(qū)，由式(2)和式(3)計算出參考角度α1和輸出電壓修改后的幅值，計算出矢量的作用時間，然后按照過調(diào)制Ⅰ區(qū)的方法修改矢量的作用時間，其流程如圖5所示。

圖5 過調(diào)制1區(qū)流程圖

在過調(diào)制Ⅱ區(qū)，由式(4)和式(5)計算出α2和輸出電壓修改后的幅值，計算矢量作用時間，然后按照過調(diào)制Ⅱ區(qū)的方法修改矢量的作用時間，其流程如圖6所示。

圖6 過調(diào)制Ⅱ區(qū)流程圖

本文采用Modelsim軟件進(jìn)行編程和仿真驗證，圖7為不同調(diào)制度下的SVPWM調(diào)制波波形，每個調(diào)制度取兩個周期，調(diào)制度分別為0.904 0、0.934 3、0.959 6、1。

圖7 SVPWM相電壓調(diào)制波波形

從圖7中可以看到，調(diào)制波的波峰逐漸消失，最后為方波狀態(tài)。與此同時逆變器逐漸從線性調(diào)制區(qū)過渡到過調(diào)制Ⅰ區(qū)、過調(diào)制Ⅱ區(qū)，最后工作在六拍波狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文研究了一種SVPWM過調(diào)制方法，詳細(xì)推導(dǎo)了該算法的基本原理和實現(xiàn)步驟，并進(jìn)行了簡化，使其易于工程實現(xiàn)。針對上述過調(diào)制方法，調(diào)用Modelsim進(jìn)行仿真驗證。結(jié)果表明，該過調(diào)制算法可以實現(xiàn)從線性調(diào)制狀態(tài)到六拍波運(yùn)行狀態(tài)的過渡。

[1] 瞿文龍，黃斐梨.逆變器供電感應(yīng)電機(jī)新型空間矢量PWM控制方法[J].清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,1997,37(1):69-73.

[2] 張艷芳，林飛，馬志文，等.兩種SVPWM過調(diào)制方法的比較研究[J].北京交通大學(xué)學(xué)報，2005,4(2)：39-43.

[3] 呂敬，張建文，王晗，等.SVPWM過調(diào)制算法的理論分析與實驗應(yīng)用[J].電氣傳動,2011,41(8):7-11.

[4] 全恒立，張鋼，陳杰，等.一種SVPWM過調(diào)制算法的數(shù)字化實現(xiàn)[J].電氣傳動,2010,40(5):44-48.

[5] 宛世源.SVPWM過調(diào)制算法研究與實現(xiàn)[D]. 武漢：華中科技大學(xué), 2014.

Implementation of SVPWM over modulation algorithm based on FPGA

Wang Shuiyu，Xiao Baofeng

(College of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

The principle of SVPWM over modulation control is analyzed, and the modulation region is divided into two parts, and with the corresponding control strategy to achieve. In order to facilitate project implementation, the dual-mode over modulation method is simplified, namely in over modulation region I only modify the amplitude of the voltage vector, does not change the phase, and in over modulation zone II using the phase jump way to modify the phase of the voltage vector. This method can control the inverter from a linear modulation mode to a smooth transition to the six beat wave mode. Finally, using Verilog HDL to write code, design program, and using Modelsim software to simulate and verify. From the simulation results we can see that this method is feasible.

SVPWM；over modulation control；inverter；voltage availability

TM464

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.21.009

王水魚，肖寶峰. 基于FPGA的SVPWM過調(diào)制算法的設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(21)：30-32.

2016-07-01)

王水魚(1958-)，男，學(xué)士，副教授，主要研究方向：信號系統(tǒng)與電子測量。

肖寶峰(1986-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：信號系統(tǒng)與電子測量。E-mail：bf060217@sina.com。