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基于FPGA的调制器

基于FPGA的调制器

IPC分类号 : H02M1/12

申请号
CN201310116179.2
可选规格
  • 专利类型: 发明专利
  • 法律状态: 有权
  • 申请日: 2013-04-03
  • 公开号: CN103166438A
  • 公开日: 2013-06-19
  • 主分类号: H02M1/12
  • 专利权人: 河南理工大学

专利摘要

本发明涉及一种混合随机空间电压矢量脉宽调制方法及基于FPGA的调制器,该方法通过两个随机变量来控制基本电压矢量的作用时间和脉冲定位,其中一个随机变量通过控制两个零矢量作用时间的分配比例来控制基本电压矢量的作用时间,另一个通过控制高电平最宽的脉冲的位置来进行脉冲定位,该调制器包括一个周期寄存器、一个死区寄存器、两组跳变时刻寄存器、一个计数及初值重装载电路、一个寄存器组切换电路和一个脉冲产生电路,通过两组跳变时刻寄存器的交替比较产生非对称的控制脉冲。本发明的调制方法和调制器能够在保证基波电压、开关次数等不变的前提下,显著降低离散集簇频谱的大的峰值,及由此导致的机械振动、声频噪声、电磁辐射等。

权利要求

1.一种混合随机空间电压矢量脉宽调制方法,其特征在于,通过两个随机变量来控制基本电压矢量的作用时间和脉冲定位,具体控制方式为,其中一个随机变量通过控制两个零矢量作用时间的分配比例来控制基本电压矢量的作用时间,另一个随机变量通过控制高电平最宽的脉冲的位置来进行脉冲定位,所述两个随机变量体现为随机数R1和R2

2.根据权利要求1所述的混合随机空间电压矢量脉宽调制方法,其特征在于,当用于式(7)七段式作用方式下的电压矢量脉宽调制时,两个基本零电压矢量的作用时间与脉冲位置受到随机数R1和R2的控制,具体包括如下步骤:

U0U1U2U7U2U1U0---(7)

S1:根据控制器输出的命令电压矢量,按式(9)计算两个相邻基本电压矢量的作用时间TSV1和TSV2以及零电压矢量的作用时间TSV0

TSV1=3TsUoUDCsin(π3-θ)TSV2=3TsUoUDCsinθTSV0=Ts-TSV1-TSV2---(9)

式(2)中:Ts为载波周期,Uo为命令电压矢量的幅值,θ为命令电压矢量的相角,UDC为直流电压;

S2:根据设定的概率分布生成在区间[0,1]上的随机数R1

S3:按式(10)计算零矢量 和 的作用时间TSV00和TSV07

TSV00=R1TSV0TSV07=(1-R1)TSV0---(10)

S4:根据设定的概率分布生成在区间[K1,K2]上的随机数R2,概率分布的类型与S2中生成随机数R1所用的概率分布相互独立;

S5:按式(11)计算每段矢量的作用时间T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7

T1=R2TSV00T2=TSV1/2T3=TSV2/2T4=TSV07T5=TSV2/2T6=TSV1/2T7=(1-R2)TSV00---(11)

S6:计算6路脉冲跳变时刻,进而计算寄存器变量的值,由逻辑电路生成脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的混合随机空间电压矢量脉宽调制方法,其特征在于,所述步骤S2和S4中,随机数R1和R2的生成方式是:用伪随机数生成的公式,通过软件编程实时产生来实现;或者,将取值范围为0~1的伪随机数表存储于只读存储器中,再把伪随机数从0~1变换到所需的范围从而生成所述随机数R1和R2

4.根据权利要求2所述的混合随机空间电压矢量脉宽调制方法,其特征在于,所述步骤S4中,随机数R2所处的区间[K1,K2]根据随机数R1来确定,具体为:

K1=0R1121-12R1R1>12---(17)

K2=1R11212R1R1>12---(18)

5.根据权利要求1-4中任一项所述的混合随机空间电压矢量脉宽调制方法,其特征在于:相电流采样的时刻设定在每个调制周期的 处。

6.根据权利要求5所述的混合随机空间电压矢量脉宽调制方法,其特征在于,为了提高电流测量的精度,可以使电流采样时刻避开脉冲跳变的时刻以避免电流的测量受到脉冲跳变干扰的影响,具体方式为,电流采样时刻与脉冲跳变时刻至少有一个S间隔。根据控制系统对电流采样误差的要求,通过实验观察脉冲跳变对电流的影响,进而确定延时S。

7.根据权利要求6所述的混合随机空间电压矢量脉宽调制方法,其特征在于:随机数R2所处的区间[K1,K2]需要结合所述时间间隔S及随机数R1来重新确定,具体为:

K1=max{1-12R1+λR1,0}---(20)

K2=min{12R1-λR1,1}---(21)

式(7)和(8)中:

8.一种基于FPGA的调制器,其特征在于采用权利要求1-7中任一种调制方法,其主要包括一个周期寄存器、一个死区寄存器、两组跳变时刻寄存器、一个计数及初值重装载电路、一个寄存器组切换电路和一个脉冲产生电路,

所述周期寄存器,用来存放调制周期;

所述死区寄存器,用来设定死区时间;

两组所述跳变时刻寄存器中均存放每相上臂脉冲跳变的时刻;

所述计数及初值重装载电路包含一个计数器,该计数器接受计数脉冲并根据脉冲进行减1计数,当计数器减至0,再减1溢出时,输出溢出信号脉冲,控制从周期寄存器重新装载计数初值,开始下一周期的计数,溢出信号脉冲又送入D触发器,计数器的当前值送脉冲产生电路的比较器组;

所述寄存器组切换电路包括一个D触发器和一个多路开关,该D触发器接收来自计数器的溢出信号脉冲,以此控制两组跳变时刻寄存器交替地通过多路开关接入脉冲产生电路的比较器组;

所述脉冲产生电路包括一个比较器组和一个D触发器组,该比较器组将接收自计数器的当前值与脉冲跳变时刻的设定值进行比较,若相同,则通过D触发器组中的D触发器来实现脉冲的跳变,每相上臂比较时直接用相应跳变时刻寄存器中脉冲跳变时刻的设定值,每相下臂比较时则需要将对应跳变时刻寄存器中脉冲跳变时刻的设定值与死区寄存器中死区时间的值相加或相减之后再参与比较,以产生死区,避免开关管的打开和关断的延时导致上下臂直通,两组跳变时刻寄存器交替用于比较,若上一调制周期使用第一组跳变时刻寄存器,则本周期使用第二组跳变时刻寄存器,下周期再使用第一组跳变时刻寄存器,在当前调制周期结束时刻或下一调制周期开始时刻,两组跳变时刻寄存器状态切换,在当前调制周期参与比较的一组跳变时刻寄存器变为不比较状态,并为赋值做准备,在当前调制周期赋值的跳变时刻寄存器变为比较状态,准备参与比较,两组跳变时刻寄存器交替比较来产生控制脉冲。

9.根据权利要求8所述的基于FPGA的调制器,其特征在于:

每组跳变时刻寄存器中有6个跳变时刻寄存器,

每组中有两个跳变时刻寄存器控制A相,一个是控制前沿的脉冲前沿跳变时刻寄存器,另一个是控制后沿的后跳变时刻寄存器,

每组中有两个跳变时刻寄存器控制B相,一个是控制前沿的脉冲前沿跳变时刻寄存器,另一个是控制后沿的后跳变时刻寄存器,

每组中有两个跳变时刻寄存器控制C相,一个是控制前沿的脉冲前沿跳变时刻寄存器,另一个是控制后沿的后跳变时刻寄存器;

D触发器组(42)包含6个D触发器,分别对应6路脉冲;

比较器组中包含6个比较器,分别对应D触发器组(42)的6个D触发器,

其中3个比较器对应三相的上臂,每个有3个输入和一个输出,这3个输入分别接:计数器的当前值输出线、多路开关输出的脉冲前沿跳变时刻寄存器和多路开关输出的后跳变时刻寄存器,

其中3个比较器对应三相的下臂,每个有4个输入和一个输出,这四个输入分别接:计数器的当前值输出线、多路开关输出的脉冲前沿跳变时刻寄存器、多路开关输出的后跳变时刻寄存器和死区寄存器13。

10.根据权利要求8或9所述的基于FPGA的调制器,其特征在于,其是通过FPGA实现的,其运用了FPGA的并行特性。

说明书

技术领域

本发明属交流变频技术领域,具体涉及一种能够降低谐波峰值的混合随机空间电压矢量脉宽调制方法及基于FPGA的调制器。

背景技术

如图1所示的逆变器具有结构简单、实现方便等优点,被广泛应用于电动汽车驱动等变频调速的场合。采用的脉宽调制(PWM)是基于“伏-秒平衡”的原理,用占空比不断变换的电压脉冲按照时间平均来等效命令电压。调制策略的本质是用一定的算法根据命令电压计算出逆变器需要的6路开关信号高低电平跳变时刻,用逻辑电路产生6路脉冲信号,然后通过驱动电路去打开或关闭功率开关管。正弦PWM(SPWM)是一种非常成熟、非常经典的三相PWM,能够输出的基波电压幅值为直流母线电压的一半。空间电压矢量PWM(SVPWM)的本质是在SPWM的调制波上注入了三倍次谐波,因而提高了直流电压的利用率,与SPWM相比提高了约15.4%。其把电机和逆变器看作整体,以获得圆形磁链为目标,具有母线电压利用率高、谐波特性好、方便数字控制系统实现等优点,目前在变频调速数字控制系统中占据统治地位。

现有技术常用的脉宽调制方法为:

每相上下两个开关管成互补导通。不同的开关状态可以形成8个基本的电压矢量,包括6个非零基本电压矢量( )和2个零电压矢量( ),如图2所示。图中:1表示上臂导通,0表示下臂导通。

6个非零基本电压矢量为

Uk=23(uAN+αuBN+α2uCN)=23UDCej(k-1)π3(k=1,2,...,6)---(1)]]>

式中:uAN,uBN,uCN为三相电压(负载为三角形接法时相对于负载的中性点N)。

在以6个非零基本电压矢量的端点组成的六边形内接圆内的任意一个电压矢量

Us=Uoe---(2)]]>

式中:Uo为电压矢量的幅值;θ为电压矢量的相角。

可由邻近的两个基本电压矢量和零电压矢量按照“伏-秒平衡”的原则进行合成。如图2所示,以第①扇区为例, 的作用时间为Ts(载波周期,也称为调制周期、开关周期),TSV1,TSV2。由矢量合成的平行四边形法则,得

TsUs=TSV1U1+TSV2U2---(3)]]>

可得

TSV1=3TsUoUDCsin(π3-θ)TSV2=3TsUoUDCsinθ---(4)]]>

TSV1+TSV2=3TsUoUDCsin(π3+θ)---(5)]]>

式中:Uo为命令电压矢量的幅值;θ为命令电压矢量的相角;UDC为直流电压。

其他的时间需要由零电压矢量 和 来补充,其作用时间为

TSV0=Ts-TSV1-TSV2                                    (6)

只要使两个非零基本电压矢量作用时间和两个零电压矢量作用总时间满足上面的关系式,则可满足平均意义上的电压等效。空间矢量脉宽调制只规定了基本电压矢量作用的时间,并未规定其作用的顺序及分布。通常采用如图3所示的对称作用方式,即

U0U1U2U7U2U1U0---(7)]]>

两个零电压矢量 与 的作用时间分别为

TSV00=TSV07=TSV02---(8)]]>

由于脉宽调制是基于“伏-秒平衡”的基本原理,在获得需要的基波电压时,不可避免地带来谐波。谐波带来能量损耗,引起电机发热;低频谐波还能够引起转矩脉动,进而导致机械振动,引起声频噪声。虽然,提高调制频率(也称为开关频率、载波频率)可以得到改善,特别是若将调制频率提高到18kHz以上即可降低声频噪声,但是高的开关频率必然增加开关损耗。陡峭的脉冲还引发严重的电磁干扰,影响其他电子设备的正常运行。特别是固定开关频率导致了开关频率整数倍及附近的谐波具有较大的幅值;固定的两个零矢量作用时间分配方式、对称的高电平布置方式加剧了集簇谐波的峰值,会加重电磁干扰等。

因此,如何在获得所需基波电压的同时,降低离散集簇频谱的大的峰值带来的机械振动、声频噪声、电磁辐射等不良效应是一项期待解决的课题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种混合随机空间电压矢量脉宽调制方法及采用该方法的设备,以降低确定性空间电压矢量脉宽调制集簇谐波频谱峰值带来的问题,将集中于调制频率整倍及附近的集簇频谱展开进行削弱,能够在较低的开关频率下减小谐波引起的噪声等不良效应。

为了达到上述目的,本发明提供了一种混合随机空间电压矢量脉宽调制方法,通过两个随机变量来控制基本电压矢量的作用时间和脉冲定位,具体控制方式为,其中一个随机变量通过控制两个零矢量作用时间的分配比例来控制基本电压矢量的作用时间,另一个随机变量通过控制高电平最宽的脉冲的位置来进行脉冲定位,所述两个随机变量体现为随机数R1和R2

所述的混合随机空间电压矢量脉宽调制方法,当用于式(7)七段式作用方式下的电压矢量脉宽调制时,两个基本零电压矢量的作用时间与脉冲位置受到随机数R1和R2的控制,具体包括如下步骤:

S1:根据控制器输出的命令电压矢量,计算两个相邻基本电压矢量与零电压矢量的作用时间,以第①区为例,公式为

TSV1=3TsUoUDCsin(π3-θ)TSV2=3TsUoUDCsinθTSV0=Ts-TSV1-TSV2---(9)]]>

式中:Ts为载波周期(调制周期、开关周期),TSV1,TSV2为两个相邻基本电压矢量的作用时间,TSV0为零电压矢量的作用时间,Uo为命令电压矢量的幅值,θ为命令电压矢量的相角,UDC为直流电压;

S2:根据设定的概率分布生成在区间[0,1]上的随机数R1

S3:计算零电压矢量 和 的作用时间TSV00和TSV07,公式为

TSV00=R1TSV0TSV07=(1-R1)TSV0---(10);]]>

S4:根据设定的概率分布生成在区间[K1,K2]上的随机数R2,概率分布的类型与步骤S2中生成随机数R1所用的概率分布相互独立;

S5:计算如图4所示的七段式作用方式,即,

U0U1U2U7U2U1U0---(7)]]>

每段基本电压矢量的作用时间T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7分别为:

T1=R2TSV00T2=TSV1/2T3=TSV2/2T4=TSV07T5=TSV2/2T6=TSV1/2T7=(1-R2)TSV00---(11);]]>

S6:计算6路脉冲跳变时刻,进而计算寄存器变量的值,由逻辑电流生成脉冲信号。

进一步地,所述步骤S3中,随机数R2的范围需满足如下条件,以进一步确定随机数R2的范围,公式为:

T112TSV0T1+T412TSV0---(12)]]>

T712TSV0T4+T712TSV0---(13)]]>

公式(12)整理可得

R2R1TSV012TSV0R2R1TSV0+(1-R1)TSV012TSV0]]>

再整理可得

R212R1R21-12R1---(14)]]>

公式(13)整理可得

(1-R2)R1TSV012TSV0(1-R1)TSV0+(1-R2)R1TSV012TSV0]]>

再整理可得

(1-R2)R1121-R21-12R1]]>

可变换为

R21-12R1R212R1---(15)]]>

式(14)与(15)实际上是一个式子,即

1-12R1R212R1---(16)]]>

随机数R2所处的区间为[K1,K2],其中

K1=0R1121-12R1R1>12---(17)]]>

K2=1R11212R1R1>12---(18)]]>

进一步地,所述步骤S2与S4中,随机数R1和随机数R2的产生可以用伪随机数生成的公式,通过软件编程实时产生来实现;也可将取值范围为0~1的伪随机数表存储于只读存储器中,再把随机数从0~1变换到所需的范围生成随机数。

本发明提供的混合随机空间电压矢量脉宽调制方法,打破了传统的确定性调制方法中两个零矢量作用时间分配方式及高电平脉冲对称布置的特点,削弱了确定性空间电压矢量脉宽调制方法的集簇谐波大的峰值。本发明通过两个随机数来控制基本电压矢量的作用时间及脉冲定位,一个随机数控制两个零矢量作用时间的分配比例,另一个随机数控制脉冲的定位。为了使电流偏差为零的时刻处于零电压矢量 作用的时间段内,对两个零电压矢量作用时间都限制范围。

为了解决在变频调速系统闭环控制中电机相电流采样的技术问题,所述混合随机空间电压矢量脉宽调制方法的相电流采样方法是:相电流采样的时刻设定在调制周期的中点,即每个调制周期的 处,如图5(b)中方框所标记的时刻。

进一步地,为了提高电流测量的精度,可以使电流采样时刻避开脉冲跳变的时刻以避免电流的测量受到脉冲跳变干扰的影响,电流采样时刻与脉冲跳变时刻至少有一个S间隔。根据控制系统对电流采样误差的要求,通过实验观察脉冲跳变对电流的影响,进而确定延时S。式(12)和式(13)第一个不等式右边需要减去一个延时S、第二个不等式右边需要加上一个延时S,待脉冲跳变结束后再进行电流测量,此时需根据式(12)—(15)重新计算随机数R2的取值范围。则式(16)变为

1-12R1+λR1R212R1-λR1---(19)]]>

式中:λ=STSV0.]]>

此时,随机数R2所处的区间为[K1,K2],其中

K1=max{1-12R1+λR1,0}---(20)]]>

K2=min{12R1-λR1,1}---(21)]]>

本发明中的随机化打破了脉冲的对称性,而现在普遍流行的数字控制芯片无法产生非对称波形的脉冲。因此,为了达到上述目的,本发明还提供了一种基于FPGA的调制器,其采用的是上述任一种混合随机空间电压矢量脉宽调制方法,其安装于变频调速系统的电路中,主要包括:

(1)一个寄存器区,其包括两个跳变时刻寄存器组、一个周期寄存器、一个死区寄存器。一个周期寄存器,用来存放调制周期;一个死区寄存器,用来设定死区时间。两个跳变时刻寄存器组,每组有6个寄存器,这12个寄存器中存放每相上臂脉冲跳变的时刻。下臂脉冲跳变的时刻则由上臂跳变时刻对应的寄存器与死区寄存器共同决定。每组中都有两个寄存器控制A相,一个控制前沿,另一个控制后沿;每组中都有两个寄存器控制B相,一个控制前沿,另一个控制后沿;每组中都有两个寄存器控制C相,一个控制前沿,另一个控制后沿。两组交替使用产生控制脉冲,若上一调制周期使用第一组寄存器,则本周期使用第二组,下周期使用第一组。

(2)一个计数及初值重装载电路,其中计数器接受计数脉冲并根据脉冲进行减1计数。当计数器减至0,再减1溢出时,输出溢出信号脉冲,控制从周期寄存器重新装载计数初值,开始下一周期的计数。溢出信号脉冲又送入D触发器。计数器的当前值送脉冲产生电路的比较器组。

(3)寄存器组切换电路,其包括一个D触发器和多路开关。该电路接受来自计数器的溢出信号,控制两组寄存器交替地通过多路开关,并送脉冲产生电路的比较器组。

(4)脉冲产生电路,包括一个比较器组与D触发器组。其作用是:将计数器的当前值与脉冲跳变时刻的设定值进行比较,若相同,则脉冲跳变。脉冲的跳变通过D触发器组中的D触发器来实现。每相上臂比较时直接用相应寄存器的值,下臂则需要将对应寄存器的值与死区寄存器的值相加或相减之后再参与比较,以产生死区,避免开关管的打开和关断的延时导致上下臂直通。

在基于FPGA的硬件实现方面,本发明通过使控制脉冲跳变时刻的两个寄存器组交替参与比较来实现随机脉冲的产生。目前流行的控制芯片的功能都是针对脉冲对称布置的调制方法,即脉冲前后沿参与比较的寄存器赋值一样,无法实现本发明提供的混合随机空间矢量脉宽调制方法。本发明的主要思想是:在当前周期对不参与比较的跳变时刻寄存器进行赋值;在当前周期结束(下周期开始)时刻,两组寄存器状态切换,在当前周期赋值的跳变时刻寄存器参与比较,当前周期参与比较的跳变时刻寄存器组变为不比较状态,为赋值做准备。该方法思路新颖,结构简单,运行速度快。

本发明的方法及调制器的有益效果是:

(1)本发明的方法在保证基波电压、开关次数等不变的前提能够显著降低普遍采用的确定性空间矢量脉宽调制方法集簇谐波大的峰值;

(2)对感性占主导的负载的变频调速系统,调制周期的中点时刻相电流偏差近似为零,本发明的方法通过在调制周期的中点进行采样,提高了系统的控制精度与效果;

(3)本发明的调制器可以充分利用FPGA灵活的电路定制特点,将调速系统的其他电路及算法集成在一块FPGA中;

(4)本发明的调制器利用FPGA的并行执行特性提高了控制软件执行的速度,为更加先进控制算法与调制算法的相互融合,以及其在变频调速系统中的应用提供了保障。

附图说明

图1为两电平三相逆变器与电动机连接方法示意图;

图2为基本电压矢量及合成方法示意图;

图3为普遍采用的对称式7段作用方式示意图;

图4为本发明采用的7段作用方式示意图;

图5为本发明实施例的相电压、电流偏差、采样时刻与上臂控制信号图,其中5(a)为A相电压图,5(b)为A相电流偏差与采样时刻图,5(c)为A相上臂的开关信号图,5(d)为B相上臂的开关信号图,5(e)为C相上臂的开关信号图;

图6为本发明提供的脉宽调制方法的流程图;

图7为本发明的一个应用方案示意图;

图8为本发明的调制器的逻辑电路图;

图9为本发明的6路脉冲产生方法图;

图10为普遍采用的对称式7段作用方式调制方法相电压的频谱图;

图11为本发明实施例相电压的频谱图,其中11(a)和11(b)是逆变器输出的A相电压脉冲在两个不同基波周期内采样,进行傅里叶变换得到的幅值谱图。

【主要元件符号说明】

1——寄存器区;          2——计数及初值重装载电路;

3——寄存器组切换电路;  4——脉冲产生电路;

11——寄存器组1;         12——寄存器组2;

13——周期寄存器;       14——死区寄存器

21——计数器;            22——重装载电路;

31——D触发器;          32——多路开关;

41——比较器组;         42——D触发器组;

111——寄存器1;         112——寄存器3;

113——寄存器5;         114——寄存器7;

115——寄存器9;         116——寄存器11;

121——寄存器2;         122——寄存器4;

123——寄存器6;         124——寄存器8;

125——寄存器10;        126——寄存器12。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,下面将通过实施方式对本发明作进一步地详细描述。

本发明提供了一种混合随机空间电压矢量脉宽调制方法及基于FPGA的调制器,其逆变器的结构如图1所示

基于FPGA的调制器专利购买费用说明

专利买卖交易资料

Q:办理专利转让的流程及所需资料

A:专利权人变更需要办理著录项目变更手续,有代理机构的,变更手续应当由代理机构办理。

1:专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2:按规定缴纳著录项目变更手续费。

3:同时提交相关证明文件原件。

4:专利权转移的,变更后的专利权人委托新专利代理机构的,应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A:(1)直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,(2)通过代办处缴纳,(3)通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q:专利转让变更,多久能出结果

A:著录项目变更请求书递交后,一般1-2个月左右就会收到通知,国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。

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