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基于FPGA的SVPWM控制算法实现

基于FPGA的SVPWM控制算法实现
基于FPGA的SVPWM控制算法实现

毕业设计开题报告

题目:基于FPGA的SVPWM电压

空间矢量控制算法实现

学生姓名:何海彬学号: 080701101 专业:电子信息工程

指导教师:于国庆(副教授)

2012年3月5日

开题报告填写要求

1.开题报告(含“文献综述”)作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下,由学生在毕业设计(论文)工作前期内完成,经指导教师签署意见及所在专业审查后生效;

2.开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印,禁止打印在其它纸上后剪贴,完成后应及时交给指导教师签署意见;

3.“文献综述”应按论文的格式成文,并直接书写(或打印)在本开题报告第一栏目内,学生写文献综述的参考文献应不少于10篇(不包括辞典、手册);

4.有关年月日等日期的填写,应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求,一律用阿拉伯数字书写。如“2004年2月26日”或“2004-02-26”。

一、结合毕业设计课题情况,根据所查阅的文献资料,每人撰写2000字左右的文献综述:

1.引言

SVPWM 从交流电机角度出发,控制开关,形成PWM 波,使电机中产生的实际磁链矢量逼近跟踪定子磁链给定的理想圆型磁链。这样它能明显减小逆变器输出电流的谐波成分及电动机的谐波损耗、降低脉动转矩。并且其控制简单,数字化方便,电压利用率高,已经成为现在电流调速中的主流发展方向。

目前实现 SVPWM 的算法是使用电机控制专用DSP,例如TI 公司的TMS320F2812 或AD 公司的ADMC 系列,但这些控制器只能产生6 路或12 路得PWM 信号,不能满足多轴控制的需要,如果控制多轴系统需要增加DSP 的数量,是结构复杂,成本提高。

结合 FPGA 处理速度快、I/O 接口丰富的特点,本文提出了一种基于FPGA 的SVPWM 的实现方法。它大大加快了处理速度,提高了控制精度。且当需要实现多轴控制时,它可以输出多路的PWM 波,简化控制系统机构,降低控制器成本。

2. SVPWM技术概述

对于异步电机,输入三相正弦电流的目的是在空间产生圆形旋转磁场,从而产生恒定的电磁转矩。因此,可以吧逆变器和异步电机视为一体,按照跟踪圆形旋转磁场来控制PWM电压,这样的方法叫做“磁链跟踪控制”。磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的,所以又称为“电压空间矢量控制”,对应于脉冲宽度调制方法即为空间矢量脉宽调制(SVPWM)。

传统的正弦脉宽调制(SPWM)技术是从电源的角度出发的,其着眼点是如何生成一个可以调频调压的三相对称正弦波电源。常规的SPWM法已被广泛地应用于逆变器中,然而常规的SPWM不能充分利用馈电给逆变器的直流电压,逆变器最大相电压基波幅值与逆变器直流电压比值为1/2,直流利用率低,实际应用受到很大限制。并且SPWM逆变器是基于调节脉冲宽度和间隔来实现接近于正弦波的输出电流。种种调节会产生某些高次谐波分量,引起电机发热,转矩脉动过大甚至会造成系统震荡。而且,传统的高频三角波与调制波比较生成PWM的方式很适合模拟电路,不适于现代化电力电子技术数字化的发展趋势。80年代中期,德国学者H.W.Van Der Borke等在交流电机调速中提出了磁链轨迹控制的思想,在此基础上进一步发展产生了电压空间矢量脉宽调制(Space-Vector Pulse-Width Modulation,简写为SVPWM)的概念。SVPWM又称磁链追

踪型PWM法,他是从电动机的角度出发,其着眼点是如何是电机获得圆形磁场。具体地说,它是以三相对称正弦波供电下三相对称电动机定子理想磁链圆为基准,用三项逆变器不同开关模式下所形成的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆,在追踪的过程中,逆变器的开关做适当的切换,从而形成PWM波。

SVPWM可是逆变器输出线电压幅值最大达到Ud,比常规SPWM法提高了约15.47%。同时由于SVPWM有多种调制方式,所以SVPWM控制方式可以通过改变其调制方式来减少逆变器功率器件开关次数,从而降低功率器件的开关损耗。SVPWM是指是一种基于空间矢量在三相正弦波中注入了零序分量的调制波进行规则采样的一种变形SPWM,是具有更低的开关损耗的SPWM改进型方法,是一种优化的PWM方法,能明显减少逆变器输出电流的谐波成分及电机的谐波损耗,降低电机的脉动转矩,且SVPWM其无力概念清晰,控制算法简单,数字化实现非常方便,故目前有代替传统SPWM法的趋势。近些年来SVPWM 技术得到了快速发展,已经得到了广泛的应用。

3.课题研究意义

可持续发展要求我们对能源的开发、资源的利用与环境保护相互协调发展,节省能源与开发新能源,提高燃料的利用率与减少燃料燃烧产生的污染,已成为必须解决的重要课题。逆变技术作为一种高效节能技术,利用逆变器的电动机调速节能,是节能的一大重点。发展推广电动汽车,是改善大气环境的重要措施。利用燃料电池、风能、太阳能、潮汐能、地热能等绿色能源发电,可以避免火力发电带来的原重污染。将市电电源交流电能变换成直流电能储存起来,然后再重要事件再将直流电能你变成交流电能供附在使用,均与逆变技术直接相关。逆变技术提供的无功功率补偿器和电力有源滤波器,在市电电源环境和永磁环境保护方面,都起到了相当大的作用。

近年来,随着FPGA技术的发展,计算功能的增强,存储容量的增加,运算速度的大幅提升,具有控制简单,易于数字化实现的SVPWM控制必将有更加广阔的发展。正是由于SVPWM控制自身的这些优点,本课题的研究具有很好的现实意义。

4.基本思路方案

近年来, 由于DSP具有其对于新型及复杂算法时更短的开发时间, 以及能够运行多种算法的灵活性, 在SVPWM (空间矢量脉宽调制)控制领域得到了广泛应用。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, 硬件实现的灵活性

较强。但是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。

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的缺点。而且FPGA 有在线修改能力, 随时修改设计而不必改动硬件电路。使用FPGA来开发数字电路, 可以大大缩短设计时间, 减少PCB面积, 提高系统的可靠性。

综合FPGA的各项优点,经过系统的研究调查,Altera公司的Cyclone系列FPGA

芯片是一种低成本经济型器件,所以本课题初步确定采用Altera公司的FPGA芯片实现SVPWM算法的FPGA实现,使用QuartusⅡ软件并用超高速硬件描述语言VHDL完成算法的软件编程;然后在QuartusⅡ软件上完成仿真并观察输出波形;最后使用EDA试验箱驱动模拟三相电机电路完成调试及结果验证工作。

参考文献

1. 吴晨光.SVPWM 信号发生器的VHDL 实现.IC 设计,2006,5(6):68-71

2. 李明峰.CPLD 实现快速低开关损耗的优化SVPWM算法.电力电子技术,2002,36(6):61-63

3. 陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社,2005.176-182

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5.叶剑利.基于CPLD 电压空间矢量调制的逆变电源.通信电源技术,

2003,6:10-13

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7. 杨晖, 张凤言. 大规模可编程逻辑器件与数字系统的设计. 北京:北京航空航天大学出版社

8. 詹长江, 陈坚, 康勇, 段善旭.基于空间矢量PWM 算法的全数字化调速系统.

电力电子技术, 1997 (4): 30-33

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11.雷伏荣, 李俊,尹霞. EDA技术与VHDL程序开发基础教程. 北京:清华大学出版社

12. Vander Broek H W. Skudely H C. Stranke G V. Analysis and Realization of a Pulse Width Modulator Based on VoltageSpace Vecto r. IEEE Trans. on IA , 1988, 24 (1): 142-150

13.MONDALSK.P, INTOJOP.BOSEBK. A Neural-network-Based Space-vector PWM Controller for a Three-level Voltage-fed Inverter Induction Motor Drive,2002(03)

二.本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径:

1.解决的问题:

该系统完成电压空间矢量控制算法(SVPWM )的FPGA 实现。实现三相电机控制电路的SVPWM 波形输出,并且实现按键输入控制数字变频和数字电压调节。并实现数码管频率及电压显示。

2.系统的主要构成及方案选择

2.1系统硬件设计方案

采用Altera 公司的FPGA 芯片实现SVPWM 算法的FPGA 实现,使用Quartus Ⅱ软件并用VHDL 语言完成算法的软件编程;然后在Quartus Ⅱ软件上完成仿真并观察输出波形;最后使用EDA 试验箱(EP1K100QC208-3)驱动模拟三相电机电路完成调试及结果验证工作。

本设计考虑到实际问题并不采用超过安全电压的实际三相电机硬件,而是采用了低压5V 电源驱动小功率模拟三相电机电路。基于对系统的研究得出系统的框图如图1所示:

图1 整体硬件设计框图 按键接口

块 8位数码管显示

FPGA 电平转换 模拟三相电机

三相桥 时钟输入 3.3V 驱动电路

UART

通信

接口

AD 转换

VCC 1.5V

Jtag 接口

配置芯片

2. FPGA 设计整体思路

Quartus II 是Altera 公司的综合性PLD 开发软件,支持原理图、VHDL 、VerilogHDL 以及AHDL (Altera Hardware Description Language )等多种设计输入形式,内嵌自有的综合器以及仿真器,可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD 设计流程。Quartus II 可以在XP 、Linux 以及Unix 上使用,除了可以使用Tcl 脚本完成设计流程外,提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快,界面统一,功能集中,易学易用等特点。

Altera 的Quartus II 可编程逻辑软件属于第四代PLD/FPGA 开发平台。支持MAX7000/MAX3000等乘积项器件。

这里采用A ltera 公司FPGA 的开发软件QuartusII 编程, 且在QuartusII 自带的仿真软件上仿真, 采用超高速硬件描述语言VHDL 完成软件程序的编写工作。

图2 FPGA 控制模块软件编程部分的整体思路 SVPWM 信号发生器

按键输入接口 频率控制字 基

时钟

可调时钟 电压控制字

分频器 脉宽调制

20kHz 合成

器 输出接口 8位数码管动态扫描显示

1kHz 分频器 20M

3.具体研究手段及途径:

①深入学习VHDL语言编程;

②了解SVPWM算法;

③深入了解FPGA芯片的内部结构Cyclone系列FPGA的可用硬件资源;

④使用Altium Designer 完成FPGA开发板的电路原理图绘制及版图设计。

⑤使用QuartusⅡ软件完成VHDL编程;

⑥使用Quartus Ⅱ自带的simulator软仿真平台进行仿真观察;

⑦使用classic timing analysis时序分析进行优化;

⑧使用jtag接口下载VHDL程序到实验板中,完成SVPWM控制模拟三相电机的调

试。

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