基于FPGA的中频逆变器SVPWM算法和仿真

彭景然

（西南交通大学 四川省成都市 611756）

两电平逆变技术作为变频技术的一种[1]，两电平逆变器已经应用到工业生产中。作为实现两电平逆变器功能的控制核心——控制策略，在近些年发展过程中，产生了多种多样的控制方式。现有控制策略主要有三种控制方式：载波调制控制法、特定谐波消除法以及空间矢量调制法。载波调制法控制方式简单，但对开关器件的要求较高，且输出谐波含量较高；特定谐波消除法尽管可以消除特定次谐波，但在求取开关管开关角时需要求解非线性方程，工程适用性较差；空间矢量调制法是将逆变器和电机作为一个整体研究，其原理是控制逆变器产生的三相电压逼近电机正常运行时产生圆形磁场的电压，在工程应用能很好的考虑到带电机负载的情况。

本文主要研究以两电平逆变器的拓扑结构为基础，应用脉宽调制技术（PWM）控制方法中的SVPWM，利用FPGA 芯片实现两电平逆变器功率开关管的驱动功能，在半实物仿真平台上实现输出特定频率的三相正弦交流电。

1 两电平逆变器的工作原理

两电平电压型逆变器[2]主电路如图1 所示，两电平逆变器的工作方式是任何时刻都有不同相的三只主管导通，每次换相都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，同相中上下两桥臂中的两只开关管成为互补管（即控制脉冲是互反的），它们交替导通。在换流瞬间，为了防止同一相上下两桥臂的开关管同时导通而引起直流电源的短路，通常采用“先断后通”的方法，即先给应关断的主管关断信号，待其关断后留一定时间裕量，然后再给应导通的主管开通信号，两者之间留一个短暂的死区时间。

图1 中S1～S6是功率开关管，D1～D6是续流二极管。

2 两电平逆变器SVPWM算法研究

2.1 两电平逆变器空间矢量图生成

引入逆变器三相电压输出状态变量UAN、UBN、UCN，可得两电平逆变器输出电压空间矢量公式：

根据两电平逆变器任一相输出电压的状态，式中UAN、UBN、UCN分别取Udc/2、-Udc/2 两种状态，则两电平逆变器有23=8 种状态空间矢量，根据公式（1）求得各个矢量。各矢量代表了幅值和相位各不同的8 种基本空间电压矢量，分别对应8 种两电平逆变器开关状态，这些矢量被称为两电平逆变器的基本空间矢量。

2.2 目标矢量所在区域判定和合成矢量的确定

其中：

两电平空间矢量划分为6 个区域，要判定目标矢量所在的区域，可通过区域之间的边界线进行判定，若此时目标矢量所在第Ⅰ区域，则可通过矢量V1和V2所在的直线进行限定，即：

图1：两电平逆变器

目标矢量满足式（3）即可判定目标矢量在第Ⅰ区域。当目标矢量在任何区域时都可以通过此种方式进行判定，目标所在三角形区域的三个顶点即为合成目标矢量的三个空间矢量。

2.3 三个合成矢量作用时间的计算

在判定了目标矢量所在区域之后，确定了三个合成的空间矢量，根据最近三矢量法合成原则和伏秒平衡原理，可求得三个矢量的作用时间[3]。

假设目标矢量V*落在第Ⅰ区域，此时的伏秒平衡原理为：

解方程组（4）可得各矢量作用时间：

2.4 6路开关管触发脉冲的生成

采用中心对称的七段式SVPWM 波形生成方式，将原有的目标空间矢量对称分成七段，选用零矢量作为作用时间开始时的起始矢量，根据空间矢量和两电平逆变器开关状态的对应关系，输出两电平逆变器6 路开关管触发脉冲序列。

当目标矢量在空间矢量坐标系中逆时针旋转时，6 路开关管的触发脉冲周期性变化，从而控制两电平逆变器输出三相正弦电压。

3 FPGA程序实现两电平SVPWM算法

选用Quartus II 为FPGA 芯片的开发环境，其支持两种硬件描述语言：Verilog HDL 和VHDL。选用Verilog HDL 语言来实现改进的SVPWM 算法，RTL（实时逻辑）级建模情况如图2 所示。

图2：SVPWM 算法RTL 级建模图

图3：目标矢量作用时间内空间矢量状态机

图4：仿真波形

其中每个模块都加入了CLK 和RSTn 信号，CLK 信号为时钟输入，其保证每个模块的时钟同步；RSTn 信号为复位信号，每个模块都有初始状态，当它作用时每个模块都能恢复到初始状态。

U1 模块为目标矢量和目标矢量作用时间生成模块，通过时钟上升沿计数，在一定的计数范围内（目标矢量作用时间），通过查表法将cos sin 值(cos sin 值表选用24 个点)传给V_Rel、V_Img，对应目标矢量V*的Uɑ、Uβ，这样就生成了目标空间矢量。

U2 模块对U1 模块的V_Rel、V_Img 数值进行处理。

U3 模块进行SVPWM 算法的大区判定步骤，通过此模块判断出目标矢量所在大区位置。

U4 模块将通过U3 模块判定大区位置的矢量，按照其所在大区通过运算旋转到第一大区，使所有目标空间矢量都在第一大区进行作用时间计算。

U5 模块以两电平逆变器的SVPWM 算法为基础，根据最近三矢量合成原则和伏秒平衡原理，计算目标空间矢量的所用的两电平三个合成矢量的作用时间。

U6 模块将U5 模块所得的两电平逆变器的三矢量作用时间，采用七段式触发脉冲方式，将三矢量的作用时间划分为7 段，根据所在空间矢量的区域，为每段时间分配相应的两电平逆变器的矢量。

U7 模块将7 段作用时间和所对应的两电平逆变器的空间矢量，通过状态机输出控制每个时钟周期功率开关管状态的脉冲信号。如图3 所示。

4 半实物仿真平台的搭建及两电平SVPWM算法仿真验证

利用PLECS 仿真软件搭建两电平逆变器的仿真拓扑结构，并加入LC 滤波电路，使两电平逆变器输出的线电压PWM 脉冲波转换为正弦波。将FPGA 开发板与PLECS 的RT-BOX 相连接，搭建以FPGA 开发板为两电平逆变器开关管驱动器的实物载体，以PLECS 搭建的两电平逆变器的拓扑结构为计算机仿真模型，构成半实物仿真系统，对两电平逆变器SVPWM 算法进行半实物仿真验证。

选取直流侧电压Udc=600V，调节滤波LC 环节的电阻、电容及电感的配置，在FPGA 程序中设置逆变电压的频率为400Hz，分别观察未滤波之前线电压UAB的波形和三相正弦电压波形，如图4 所示。

5 结语

两电平逆变器因其结构简单，其在工业生产中应用较为成熟。本文以两电平逆变器作为研究对象，以PWM 调制方式中的SVPWM 控制策略作为逆变器的控制策略，对SVPWM 进行研究。通过详细分析两电平逆变器的运行机理，并根据SVPWM 调制方式的原理对实现逆变器功能的SVPWM 进行理论分析。将FPGA 开发板、PLECS 仿真软件和RT-BOX 仿真器搭建半实物仿真平台，在FPGA 开发板上实现两电平SVPWM 算法，在PLECS 上搭建两电平逆变器的拓扑结构，半实物仿真实现了两电平SVPWM 算法。