基于DSPBuilder的SVPWM算法设计及应用

朱天顺，黄植功，王国宇

(广西师范大学，桂林 541004)

基于DSPBuilder的SVPWM算法设计及应用

朱天顺，黄植功，王国宇

(广西师范大学，桂林 541004)

主要研究了空间矢量脉宽调制算法的基本原理，利用新方法—DSP Builder提供的功能模块库，搭建了SVPWM模块，并组建了恒压频比控制系统。在Simulink仿真环境下，完成算法的验证。最后将此控制系统仿真模型转换成VHDL语言，下载至FPGA中，用来控制一台永磁同步电机的低速运转。实验结果表明所设计的SVPWM功能模块正确，电机速度控制精度高，性能好，且采用DSP Builder设计系统，可以简化设计流程，加快研究速度。

SVPWM；DSP Builder；永磁同步电机；FPGA

0 引 言

空间矢量脉宽调制(以下简称SVPWM)也称为磁链跟踪控制, 通过切换逆变器的6个功率开关的开关状态，以内切多边形逼近圆的方式逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场。该方法能够消弱电机转矩脉动,提高电机运行的性能[1-2]。与传统正弦波脉宽调制技术(SPWM)相比,SVPWM更易于实现全数字化控制，能够有效抑制电压谐波，提高直流电压利用率。由于这些优点，在电机驱动控制，尤其在交流调速系统中，SVPWM技术得到了广泛应用[3-4]。

现场可编程门阵列FPGA具有设计灵活，开发费用低，设计周期短，采用并行处理机制，处理速度快，拓展性好，可靠性高等优点，因此在数字信号处理，通信等领域比DSP或MCU更具有竞争力。然后对于一些复杂算法的开发，直接使用硬件描述语言来实现难度较大，耗时较多。Altera公司推出的DSP Builder可以帮助设计者利用图形化的建模完成设计、仿真，直至下载至FPGA芯片中，省去了繁琐的代码编写过程，大大提高了开发效率[5-7]。

1 SVPWM算法原理

图1 三相电压型逆变器主电路

图2 电压空间矢量图

SVPWM线性组合的基本思想就是平均值等效原则。根据参考矢量Vref所在扇区，利用组成这个扇区的两个非零矢量和零矢量的合理切换，去逼近旋转参考矢量Vref。这里假定合成的电压矢量落在sector1，在一个采样周期内，可以由非零矢量电压矢量V1，V2以及零电压矢量V0，V7合成Vref，于是有：

(1)

式中：T0，T1，T2，T7分别是电压矢量V0，V1，V2，V7的作用时间，Ts为采样周期。

因此，可以采用两个相邻电压空间矢量的组合和调制他们的作用时间，来组合成任意形式的参考电压，从而在电机定子绕组中形成旋转磁场。

2 基于DSP Builder的SVPWM算法实现

DSP Builder 是Altera 公司推出的一个基于Simulink的工具箱。使得可以使用Simulink的图形界面进行FPGA的系统级别的开发。DSP Builder提供了一个从Simulink仿真到FPGA硬件的接口。且它的基本模块都是以算法级别的描述呈现，用户甚至不必十分了解FPGA的硬件描述语言，就可以进行系统芯片的自顶向下的设计开发。

SVPWM在DSP Builder中的实现如图3所示，SVPWM控制主要包括4个部分，扇区选择单元，矢量切换点计算单元，PWM生成单元。每个功能单元均是由DSP Builder模块库中的基本模块构建而成。

图3 DSP Builder工具搭建的SVPWM算法模块

2.1扇区选择

要合成参考电压Vref，首先就要知道Vref此时所处的扇区，将Vref分解为 ，定义如下3个变量：

(2)

根据这3个变量可以计算出相应的扇区：如果Vref1>0，则A=1，否则A=0；如果Vref2>0，则B=1，否则B=0；如果Vref3>0，则C=1，否则C=0。计算下面的表达式：

N=4C+2B+A

(3)

2.2调制时间确定

相邻两矢量的作用时间与3个变量相关，定义：

(4)

对于不同扇区相邻两矢量作用时间T1,T2，按表1取值。需要注意的是，如若出现B饱和状况，即T1+T2>Ts，则取T1=T1×Ts/(T1+T2),T2=T2×Ts/(T1+T2)。

表1 六扇区矢量作用时间分配表

2.3计算矢量切换点及SVPWM信号输出

PWM波形是通过中心对称的方式产生的，所以可以求得三路PWM波形的占空比分别为：

(5)

则在不同扇区内开关切换时刻Tcm1，Tcm2，Tcm3根据表2进行赋值。

表2 六扇区矢量切换时刻表

SVPWM脉宽调制就是用计算得到的矢量切换点Tcm1，Tcm2，Tcm3与一定频率(1/Ts)和幅值(Ts/2)的三角载波进行比较，产生三相PWM脉冲，连同反相延时后的三相共6路PWM波送到逆变器的开关管。

3 PMSM恒压频比控制系统设计与仿真

永磁同步电机以永磁体代替交流励磁绕组，因其结构简单，输出功率大，带负载能力强，电机运行平稳等特点，使得其在交流伺服驱动方面有着比传统电机更好的优势。SVPWM算法在交流调速系统中有着广泛的应用，本文便以永磁同步电机(PMSM)为应用对象，来验证所设计的SVPWM控制算法的正确性和有效性。

3.1系统框架设计

永磁同步电机V/f开环速度控制，是通过改变频率的同时改变输出电压，使电动机的磁通保持一定，在较宽的范围内调速运转。图4是整个控制系统的结构框图，主要包括V/f曲线、三相正弦信号发生器、Clarke变换、SVPWM调制等模块。这种控制系统简单，易于实现，无需从电机端反馈速度、位置或电压、电流等闭环信号[8]。

图4 PMSM恒压频比控制系统框图

3.2仿真模型搭建

图5是根据系统设计框图在Simulink中基于DSP Builder模块库并结合SimPowerSystems 工具箱搭建的PMSM恒压频比控制系统的仿真模型。其中升降速时间设定模块采用Verilog语言编写，经HDL Import模块导入到模型中；V/f曲线采用固定调制度；三相正弦波采用DDS信号发生器产生；逆变器和PMSM为Simulink库中给定模块。

图5 PMSM恒压频比控制系统仿真模型

3.3仿真结果与分析

在仿真中，PMSM参数设为定子绕组电阻为1.8；直轴电感为10 mH；交轴电感为10 mH；转子磁链为0.182 7 Wb；极对数为4；直流电源电压为30 V。

恒压频比控制模式,设定给定频率为12 Hz,V/f曲线调制度为1.25,电机空载启动，测得相电流的波形和转速曲线如图6和图7所示。从仿真波形可以看出，该系统具有较快的响应速度，转速超调量较小，电机运行稳定，且根据设定频率为12 Hz,故电机转速n=60f/p=15f=180 r·min-1,从速度曲线看出与设定值相符合，达到了预设的效果，证明了SVPWM算法和系统设计的正确性。

图6 PMSM三相电流波形

图7 PMSM速度波形

4 实验验证

为了验证所设计的系统在实际中的应用效果，另搭建了基于Altera DE2-70开发板控制的硬件实验装置。其中永磁同步电机使用锐格电子的130ST-M001,额定转矩4.8 N·m,额定功率1 kW,额定转速2 000 r/min。可以用 Signal Compiler组件将仿真模型直接转换成 VHDL语言，经过综合适配后，下载至FPGA中，进行电机恒压频比开环控制，实际观察电机低速运行平稳，用示波器观测功率逆变器其中两上桥臂的PWM经过RC低通滤波后的波形如图8所示。从图中可以看出它们是标准的马鞍波，且相位差为120°，证明开环程序是无误的。图9是电机运行时定子侧V相，和W相的电流波形。图中显示，电流信号具有良好的正弦特性，且周期为84.00 ms，与给定频率12 Hz相符，证明了该设计方法的可行性。

图8 两路PWM低通滤波后的波形图9 PMSM定子侧两相电流波形

5 结 语

本文提出了一种基于DSP Builder的SVPWM设计方法，在MATLAB中完成仿真验证，并应用于实际的交流调速系统中。实验结果表明，此SVPWM设计方法简单有效，在交流调速控制中，电机运行平稳，接近无超调，具有良好动静态特性。且基于DSP Builder平台进行SVPWM算法的设计，可以和FPGA实现无缝连接 ，提高FPGA 设计效率，缩短了产品的开发周期，具有一定的工程应用参考价值。

[1] 于洋，张加胜.空间矢量调制原理分析及数字化实现[J].变频器世界,2012(1)：17-20.

[2] 郭宝增，武丽晓，熊晓薇，等.基于 FPGA 的 SVPWM 系统研究及 Simulink 仿真[J].电子设计工程,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] 刘敬猛,王田苗,魏洪等.基于 FPGA 的可重构交流伺服系统硬件设计[J].机床与液压,2005(4):1-4.

[5] 邵欣,刘福贵,陶银.基于DSP Builder的PMSM控制算法[J].计算机工程,2011,37(23):220-222.

[6] 戢方,雷勇,王俊.自顶向下基于DSP Builder的PID控制系统开发[J].现代电子技术,2007,30(9):127-129.

[7] 张志亮,赵刚,齐星刚.从Simulink模型自动生成VHDL代码——基于DSP Builder的FPGA设计流程[J].现代电子技术,2004,27(23): 4-6.

[8] 张兴华.空间矢量脉宽调制恒压频比控制的数字实现[J].电气传动,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

国家自然科学基金项目(51367005)

TM351；TM341

：A

：1004-7018(2016)11-0073-04

朱天顺(1970-)，男，硕士，主要研究方向为电机驱动控制。