用fpga实现abc坐标系的三维空间矢量调制算法_h

1、南京航空航天大学学报第 !卷第 !期#$%年 %月 ;,!.!&(*?A实现 BCD坐标系的三维空间矢量调制算法吴睿陈东华谢少军E南京航空航天大学自动化学院F南京F#G$G%H摘要I研究了一种应用于三相四桥臂逆变器的基于 +J9坐标系的新的空间矢量调制算法F避免了传统的 KL$坐标变换F使开关矢量的选取和占空比的计算更简单F显著降低了调制算法的复杂性M同时详细说明了基于 +J9坐标系的空间矢量脉宽调制算法的原理F并研究了用 NOP8 来实现该空间矢量调制算法的方法M由于 NOP8 不需要顺序执行指令F可以多个进程并发执行F响应速度快F可明显提高系统性能M 仿真和实验结果证明了该空间矢量调制算法

2、的正确性和利用 NOP8实现该算法的可行性M关键词I空间矢量调制Q+J9坐标系QNOP8Q逆变器 中图分类号IRST%文献标识码I8文章编号IG$UV#%GUE#$%H$!V$!$WV$%_ab_bcdBdefcfghij kBDblbDdfmnfopaBdefcAaqfmedr_ ecBCDsffmoecBdbtBubofc?AvwxwyFz|!w#F$y|%#!&wEX,414-8(6+60*Z*10*44)0*1F.+*/0*12*034)5067-84)*+(6095: 856)*+(6095F.+*/0*1F#G$G%FX0*+HACudmBDdI8 *34,5(+943496)(,

3、+60*E);SH+,1)06 -)646)44(+54-(),410*34)64)J+54*64+J99)0*+6405434,(4F6(5+300*1646)+060*+,*+$6)+*5-)+60*F+,0*16454,4960*-645-0690*13496)5+*9+,9(,+60*-64(67979,4(94+504)F+*)4(90*1649(,4.067-64(,+60*+,1)06 J30(5,7R4()0*90(,4-64*34,);S +,1)06 0*+J99)0*+64050*6)(94R40(,44*6+60*+-04,()1)+J,41+64+)+7ENOP8H-

4、64);S +,1)06 05+,556(04R40*34)64)0(,44*64*64NOP8 +5+-+56)45(*54+*01(4)-)+*945J49+(5464 NOP8 9+*4.49(645434)+,()94554557*9)*(5,70*564+-4.49(60*10*56)(960*5564(J7564()0(,+60*+*4.(4)04*6+,)45(,6534)0-7649)496*455-64*34,);S +,1)06 +*065-4+50J0,0676 0(,44*664+,1)06 *64NOP8/b01fmouI5(+943496)(,+60*Q+J99)0

5、*+64Q-04,()1)+J,41+64+)+7Q0*34)64)源常用的控制方法M对于三相平衡负载的应用场合F空间矢量在一个平面内F空间矢量调制方法为 #维E#5H算法M 如果系统三相不平衡F空间矢量将不在一个平面内F这时必须采用 !5的空间矢量调制方法3!FT4M文献3U4提出了一种基于 +J9坐标系的三维空间矢量调制算法F避免了传统的基于 KL$坐标系方法的变换3%FY4F使开关矢量的选取和占空比的计算更简单F引言 近年来F源于交流电频传动控制的空间矢 量控制E);SH技术得到广泛的研究M 不同于传统的 )O2S法3G4和滞环电流控3#4F它根据指令电压F判断扇区F控制开关F形成 O2

6、S 波F具有较高的电压利用率F且通过对零矢量的合理控制可以 降低谐波含量或降低开关损耗F因此已成为逆变电 基金项目航I收稿日期作者简介I空支撑基金E$#XU#$WH资助项目M UVG!Q修订日期I#$UV$YV$UF男F博士研究生FGWG年 G$月生Q谢少军E联系人HF男F教授F博士生导师FZV+0,I44+9*(+4(9*M,DM南 京 航 空 航 天 大 学 学 报 第 ,(卷表 : 开关状态与空间矢量显著降低了调制算法的复杂性!空间矢量调制算法可采用数字信号处理器#$%&和可编程逻辑器件()*+来实现! 由于 #$%中指令是顺序执行的)而且最大主频受到限制)用于实现 ,#$./ 时需要占

7、用较多资源)影响系统性能!现场可编程门阵列0%12&具有 .3$4逻辑集成的优点和可编程器件设计灵活的长处)不需要顺序执行指令)可以多个进程并发执行)因而实时性能提高!利用 0%12 产生 $.%5/ 波形具有硬件简单6快速性好和可靠性高等优点)随着模块化要求的提高)用 0%12模块实现空间矢量控制将广泛运用在变频调速)逆变电源和有源电力滤波器等领域!本文在介绍基于 789空间矢量调制算法的基础上)研究用 0%12实现该算法! 序号 EIKE7K E8KE9KR7I R8IR9I矢量 D Z, J Y (* DM DD DZ D, DJDM M M M M M M M D D D D D DD

8、M M M M D D D D M M M M D DDM M D D M M D D M M D D M MDM D M D M D M D M D M D M DMM M M M D D D D D D D D M MMM M D D M M D D D D M M D DMM D M D M D M D D M D M D MDQD QZ Q, QJQ QYQ Q(Q* QDM QDD QDZ QD, QDJQD DYDDDDMMMQDY:C:基于 ;?AB 方法 空间矢量的定义 图 D为三相四桥臂逆变器的主电路!定义开关函数 EFG)其中 FH7)8)9)I代表 J个桥臂)GHK)L代

9、表上下管!图 Z 789坐标下的开关矢量图图 D 三相四桥臂逆变器主电路 味着线电压一定小于等于 RX9!基于 789坐标系的空间矢量调制算法就是要用图 Z所示的 DY个固定的空间矢量来合成任意参考电压!图 Z的 DZ面体可以在空间上分成 ZJ个四面体 )每个四面体由 ,个非零矢量和 Z个零矢量构成)只要确立了参考矢量落在哪个四面体中就可以用相应的空间矢量来合成!当 取 表示功率管导通 取 表示关断例D) M)EFG如 E7HK D表示 N 相O 上管导通!同相的上下管不能同时导通)即 EFKPEFLHD)可以得到电压矢量 TR7RIVTE7KEIKVR8RI H RX9 E8KEIKQ789

10、HD&URRWUEEW9I9KIK四桥臂共有 DY种开关状态)结合式D&)可以得到表 D所示的 DY个空间矢量!将 DY种开关组合对应的矢量画在 789坐标下可以得到 789坐标系下的矢量图)如图 Z所示!图 Z可以看成是由 Z个小正方体交叠而成的封闭的 DZ面体每) 个小正方体的边长是单位长度)参考电压矢量的合成 :C_定义 Y个参数 DYaD H bcdL4efR7IP D&Z H bcdL4efR8IP D& , H bcdL4efR9IP D&hgZ&代表的电压值为该面体中有 个面与坐标RX9!DZY H bcdL4efRR8IP D&R9IP D&J7I轴确定的面平行)可以用 R7H

11、 D)R8H D)R9H D来表示)表示每相与中点的电压一定小于等于直流母线电万压方数RX据9!另外 Y个面与坐标面成 J)用 R7 R8HD)R8 R9HD)R7 R9HD表示)意 H bcdL4efR8IY H bcdL4efR7IR9IP D&i式中a4efj&为取整函数kbcdLj&为符号函数!显然 FHD)l)Y&只能是 M或 D!F第 0 期吴 睿1等!用 VWXY 实现 =;坐标系的三维空间矢量调制算法 0%定义指针函数!(#$ %& *)+,-) %/-0/) %# 值与相应的 0个非零矢量的对应关系见表 ,1根据 #就可以确定出参考矢量在哪个四面体中1 从而确定出用哪 0个非

12、零矢量配合零矢量来合成参考矢量2表 3 指针函数4非零矢量与占空比的关系 # 56% 56, 5607%7,70%? B 8%0%A%(%8,0,A A% A,A(585,5,5,585,5,5,58505050585?5?5?58505050585?5?5%95%95A5A5%95%95(5(5%5%5A5A5%05%05(5(5%5%555%05%055%,5%,5%,5B5%A5%A5%A5B5%,5%,5%,5B5%A5%A5%A5B5%?5%?5%?5B5%?5%?5%?:;:;:; :=:; :=:;:;:;:;:=:=:= :;:= :; :; :;:=:; :=:=:=:=:;

13、 :=:;:;:;:; :;:;:;:; :=:= :; :=:=:=:=:= := :=:=:=:;:;:; :=图 0 四面体的划分:;:; :=:=:=非零空间矢量作用时间的计算非零矢量的作用时间为 F$ G7 %5HI :;:;:;:;:= :;:= :;:;:=:=:=L式中5 $:F$7!HI= :=K: MK7M;1:7,1:70L:7 1:7 1:7G7 $ (A 5?55B: :=:= :;:;%=,=0=K:7%;1:7,;1:70;M701共 ,图 0列举了几种 # 值与对应的四面体的关 零矢量的作用时间 7A$ %7% 7,系2个零矢量1为了得到最小的 NOP1每个零矢

14、量作用时间为 7AQ,2占空比计算仅仅是加4减运算1结果见表 ,1只要确定了 #1就可以根据给定的参考电压1由表 ,直接得到用来合成的空间矢量及作用时间1十分简单23空间矢量算法的 RSTU实现 如图 A所示1用 VWXY 实现 ZW 的流程主要包括计算指针4确定非零矢量及计算其作用时间4计算各个桥臂上管的作用时间4死区4载波交截及 B路 W 信号产生这几个环节2其输入为三相指令电压2=-南 京 航 空 航 天 大 学 学 报 第 =V 卷图 ! #$% 实现 &#() 的结构功能框图 计算指针 由第 -节介绍的空间矢量控制的原理.通过判断三相指令电压 /01./21./31的正负关系可以得到

15、45-6如果 /0178.则 9-:-.否则 9-:8;56如果 /2178.则 9:-.否则 96如果 /2378.则 9:-.否则 9:8;5?6如果 /0378.则 9?:-.否则 9?:8.根据式5=6可得到 AB上述功能通过逻辑判断和累加器模块来实现B*+,H-H! 以单位 -为基准.所以应该将它们扩大 V=倍以后再与三角波相交截B根据如下规律4H-6Z STUS.则 #()-:若X-: V=Y 5-.否则 #()-:8;H6Z STUS.则 #():若X: V=Y 5-.否则 #()所示B可以设 X:X- X5计数器的计数脉 冲 频 率 是 _6.其 他 X?.XJ.XV 都按上面

16、的方法来计 算B根据如下规律4若 XZ STUS.则 #(): 8.否则 #():-;若 X?Z STUS.则 #()?: 8.否则 #()?:-;若 XJZ STUS.则 #()J: 8.否则 #()J:-;若 XVZ STUS.则 #()V: 8.否则 #()V:-B则可以产生所需的 #() #()V 的波形B确定非零矢量及计算其作用时间 由表 可以发现.计算出 A 后.就可以立即确定出构成参考矢量的 =个非零矢量.并且通过三相指令电压简单的加减计算就可以得到三个非零矢量的作用时间 C-.C.C=.零 矢量作用时间- C- C.IJ.I-和 个零矢量 I-.I-?组成B查看表 -.得到这几

17、个开关 *+E矢量的开关状态依次为 8-88.8-8.-8.8888.-.对 应的作用时间分别 为C -.C.C=.C!K. C!K.因此 H- : C- L C L C= L C!KH : C L C L CK=!H= : C!KH! : C= L C!K分频变成 8)QR.定义计数器 STUS增计数从 8到 V=.再减计数=数=到据8.这就实现了 - % 相上下管驱动波形波频率B由于前面计算的各个桥臂上管的作用时间 第 I期吴 睿-等U用 LMN 实现 9:坐标系的三维空间矢量调制算法 I.I相指令电压为 ;,4567701-?. ?6 分别为 ?3为经过死区和反相后下管的控制信号2?B图

18、 * 三相四桥臂对称指令电压时 B路仿真波形 图 = 三相四桥臂不对称指令电压时 B路仿真波形 C(&(AD 的 EFGHMN 来完成 E4? 算法-并 输出调制控制信号来驱动逆变器产生交流电压2实验逆变器的输出滤波电感为 .+,)0-滤波电容为 ,7OL-直流母线电压 I774-开关频率 .,/012由于示波器通道数限制仅给出了 MN 中-当指令电压为三相对称正弦 .34567701时 ? 波形如图 B所示-P9两相电压如图 ;所示2当 9-:相指令电压为 ;,4567701-相为 .34567701时-?波形如图 .7所示-P9两相电压如图 .所示2实验结果表明-三相四桥臂逆变器采用本文的

19、空间矢量调制方法能根据参考指令电压输出所需 的对称或不万对方称数波据形2实验与仿真结果一致2图 B 三相指令对称时 -9桥臂上管实验波形结论QR.S本文结合三相四桥臂逆变器分析了一种基于 9:坐标系的 IT空间矢量调制方法-该方法避免了繁琐的坐标变换-占空比的计算简便24%T南 京 航 空 航天 大 学 学 报 第 4X 卷用 *+,- 来实现空间矢量算法/一方面可以提高计算实现的实时性 /另 一方面可以大幅度减轻0+123+)的运算工作量.4)设计了 *+,-/仿真和实验证明了用 *+,- 实现基于 $6坐标系的 42378 算法的可行性.参考文献9:%; ?/3ADHIJF KJC HIC

20、DDLIEDKJC5ADM NJAHMDEJC6D6JONDCHDC:P;B QRRRSCOEJO+R/(&T/%!%)9UU5VWB孙迟张/ 国安魏/ 光辉B一种新颖的三相四桥臂逆变器 电 流调节方案研究:P;B电机控制学报/(&T/X()9%UW5%U!BYIOM Z/JCJDN=6I 2B SICDD5F=DOE=JOAEL6D ND6HJCJFAH=JO KJCKJC5ADM NJAHMDEJC6D6JO5 NDCHDCE:P;BQRRR SCOEJO +R/(&(/%V4)94%T5 44(B孙迟毕/ 增军魏/ 光辉B一种新颖的三相四桥臂逆变器 解耦控制的建模与仿真 :P;B中 国电

21、机工程学报/ (&T/(T%)9%(T5%4&B+CHE8 8/*CODAJ,BSICDD5F=DOE=JOAEL6D ND6HJC JFAH=JO =O $6 6JJCF=OHDE KJC KJC5ADM NJAHMDEJC6D6JONDCHDCE:P;BQRRR SCOEJO +RDHHDCE/(&4/%T)9%&T5%&!B YIOMZ/JCJDN=6I2/+CEF7 ?B- HICDD5LIED=ONDCHDC_=HIODHCAADM_=HIEL6DND6HJCJFA5 H=JO:0;-+R0a!V0JOKDCDO6DLCJ6DF=OME/-HAOH9 QRRR/%!V9XW%5XU4

22、B陈新龚/ 春英B应用于三相变换器的三维空间矢量调 制 :P;B南 京航空航天大学学报 /(&(/4T()9%TX5%W4B程善美/孙文焕B基于 *+,- 的全数字化交流变频调速系统:P;B电工技术杂志/(&%/4T)9%W5%VB*DCCD=CP/8CH=OEP*B378 NJAHMD6JOHCJA=LAD5DOHH=JOE=OMAJ_ 6JEHCD6JOK=MC$AD*+,- EE5HD:0;R+R5+R80/Z=M9-S7Q-/(&T/%)9 4WX54U(B图 !三相指令对称时 #$两相电压实验波形 :(;:4;:T;:W;图 %&三相指令不对称时 #$桥臂上管实验波形:U;:V;:X

23、;:!;图 % 三相指令不对称时 #$两相电压实验波形()详细说明了如何用 *+,- 来实现该算法.用FPGA实现abc坐标系的三维空间矢量调制算法 作者： 作者单位：刊名： 吴睿， 陈东华， 谢少军， Wu Rui， Chen Donghua， Xie Shaojun南京航空航天大学自动化学院,南京,210016南京航空航天大学学报英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：JOURNAL OF NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS & ASTRONAUTICS2006，38(3)0次 参考文献(9条) 1.Kim H.Sul K A carrier based P

24、WM method for three phase four-leg voltage source converter2004(01) 2.孙迟.张国安.魏光辉 一种新颖的三相四桥臂逆变器电流调节方案研究期刊论文-电机与控制学报2004(02)3.Zhang R.Boroyevich D Three-dimensional space vector modulation for four-leg voltage sourceconverters 2002(03)4.孙迟.毕增军.魏光辉 一种新颖的三相四桥臂逆变器解耦控制的建模与仿真期刊论文-中国电机工程学报2004(01)5.Prats M

25、M.Franquelo L G Three-dimensional space vector modulation in abc coordinates for four-leg voltage source converters 2003(04)6.Zhang R.Boroyevich D.Prasad V H A three-phase inverter with a neutral leg with space vectormodulation 19977.陈新.龚春英 应用于三相变换器的三维空间矢量调制期刊论文-南京航空航天大学学报 2002(02)8.程善美.孙文焕 基于FPGA的全

26、数字化交流变频调速系统期刊论文-电工技术学报 2001(04)9.FerreiraJ.MartJ F SVM voltage control implementation using low cost reconfigurable FPGAsystem 2004相似文献(6条) 1.期刊论文 吴睿.谢少军.Wu Rui Xie.Shaojun 基于abc坐标系空间矢量控制的三相四桥臂电压源型逆变器研究 -电工技术学报2005,20(12)将一种新的空间矢量调制方法应用于三相四桥臂逆变器,采用基于abc坐标系的空间矢量调制方法,避免了传统的坐标变换,使开关矢量的选取和占空比的计算更简单,显著降低

27、了调制算法的复杂性.通过采样三相负载电流和直流母线电压来实时计算给定的参考电压,使得本逆变器可适应不同的负载.基于电压有效值调节稳定系统输出电压,本文详细说明了基于abc坐标系的空间矢量脉宽调制算法和参考电压的获取方法.该逆变器直流电压利用率高,并能带任意线性、不对称的时变负载,仿真和实验结果证明了该方案的可行性. 2.流，适用于UPS，航空电源等带不对称负载的场合。 三相四桥臂的控制策略主要有SPWM控制，滞环电流控制，空间矢量控制等。SPWM控制波形质量好，功率管开关频率低但直流电压利用率低。滞环电流控制的硬件电路设计简单，但存在开关频率不固定，输出滤波器设计困难，输出波形质量差，空间矢量

28、控制（SVM）技术具有较高的电压利用率，且通过对零矢量的合理控制可以降低谐波含量或降低开关损耗，因此是一种较好的控制方法。本文重点研究基于空间矢量控制算法的四桥臂逆变器。 论文首先介绍了SVM控制四桥臂逆变器的基本原理，逆变器的控制部分主要包括指令电压的计算和SVM算法。本文采用了一种基于abc坐标系的三维空间矢量调制算法,避免了传统的 坐标变换，使开关矢量的选取和占空比的计算更简单，显著降低了调制算法的复杂性，论文对基于abc坐标系的SVM原理进行了详细介绍。逆变器的指令电压的生成有离线型和在线计算型两种方法。 离线型控制是指在已知负载的情况下，计算出控制用的指令电压，存在数据表中，每次读取

29、表中的数据，当输入母线电压变化时通过PI调节调整指令电压来控制输出电压。由于计算量不大，用单片DSP就可以实现指令电压的计算和SVM算法，主要用于负载情况已知且固定的场合。本文针对这种离线型控制方案设计了原理样机，并进行了仿真和实验研究，结果表明该方案具有良好的动静态调节特性，输出稳定可靠。 在线计算型控制是通过实时采样负载电流和直流母线电压来计算出控制用的指令电压从而来控制输出电压，因此可以用于负载情况不明确或变化的场合。由于计算量较大，采用DSP和FPGA来共同控制，DSP负责采样和计算指令电压，计算出指令电压后把指令传给FPGA，SVM算法在FPGA内完成。本文针对这种在线计算型控制方案

30、设计了原理样机，并进行了仿真和实验研究，结果表明该方案是正确可行的。 论文表明离线型和在线型控制方案都是正确可行的，可以根据实际情况选用。 3.会议论文 吴睿.陈东华.谢少FPGA实现基于abc坐标系的三维空间矢量调制算法本文研究了一种应用于三相四桥臂逆变器的基于abc坐标系的新的空间矢量调制算法,避免了传统的0坐标变换,使开关矢量的选取和占空比的计算更简单,显著降低了调制算法的复杂性。文章详细说明了基于abc坐标系的空间矢量脉宽调制算法的原理,并研究了用FPGA来实现该空间矢量 调制算法的方法。4.期刊论文 陈东华.吴睿.谢少军.周波.CHEN Dong-hua.WU Rui.XIE Shao-jun.ZHOU Bo 基于FPGA的三相四线有源滤波器的电流控制方案 -电力系统自动化2006,30(3)电流控制器作为有源电力滤波器的核心部分,直接影响着有源电力滤波器的补偿性能.为了实现电流的快速跟踪,文中将电流跟踪问题转化为变换器的电压控制进行分析,并采用一种简单的abc坐标系下的3维空间矢量调制算法,避免了繁琐的坐标变换,减小了计算复杂程度,提高了计算速度 .应用一片现场可编程门阵列(FPGA)完成了固定开关频率的电流控制功能设计,并进行了编程仿真.最后给出了三相四线有源滤波器的电流控制波形的实验结果,证明了该电流控制方案的可行性和正确性. 5.期刊论文 李泰.王奔.郭