本發(fā)明公開了一種基于fpga(現(xiàn)場可編程門陣列)的五相隨機svpwm(空間矢量脈寬調制)技術實現(xiàn)方法，屬于多相調制技術領域。

背景技術：

近年來，在航空航天，艦船推進，電動汽車等低壓大功率領域，多相電機及其驅動系統(tǒng)得到了越來越多的應用。與傳統(tǒng)三相電機驅動系統(tǒng)相比，多相電機驅動系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：(1)每相繞組承擔功率減小；(2)輸出轉矩脈動?。?3)容錯能力增加；(4)控制參數(shù)多，控制策略靈活。

多相逆變器作為多相電機的驅動器，其研究也受到了廣泛關注，而調制技術是逆變器控制的基礎，因此研究多相調制技術對多相電機及其驅動系統(tǒng)的發(fā)展有著重要意義

在多相電機中，最常見的調制方式是svpwm調制技術。在傳統(tǒng)svpwm調制中，功率器件的開關頻率是固定的，因此在開關頻率及其整數(shù)倍數(shù)處，系統(tǒng)輸出的電流電壓波形會有大量高次諧波，會給系統(tǒng)帶來大量噪聲和電磁干擾，從而對系統(tǒng)正常工作造成影響。而隨機pwm(脈寬調制)的出現(xiàn)則為這一問題的解決提出了思路。隨機pwm調制技術通過改變每個開關周期的周期值使得系統(tǒng)的開關頻率在一定范圍內隨機變化，從而將傳統(tǒng)pwm調制在開關頻率處的高次諧波分散到一定范圍內，盡管諧波總量沒有發(fā)生變化，但是大大減小了高頻處的諧波幅值，從而減小了系統(tǒng)噪聲與電磁干擾。

通常調制技術在dsp(數(shù)字信號處理器)中進行實現(xiàn)，但是隨著集成電路的迅猛發(fā)展，可編程邏輯器件的產生與應用顛覆了傳統(tǒng)電子設計的方法，其速度快，體積小，容量高，功耗小，受到研究人員的廣泛使用，并且其可按照開發(fā)人員具體的設計要求進行實現(xiàn)，大大方便了系統(tǒng)的設計。可編程邏輯器件從最初的prom(可編程只讀存儲器)，pla(可編程邏輯陣列)逐步發(fā)展為pal(可編程陣列邏輯)，gal(通用陣列邏輯)，再到目前的cpld(復雜可編程邏輯器件)，fpga(現(xiàn)場可編程門陣列)，其制造工藝，邏輯功能，功耗與速度都有了極大的改善。與dsp相比，fpga依賴硬件實現(xiàn)算法，其處理速度更快，并且fpga不局限于特定功能，設計靈活，可以根據(jù)實際需求配置引腳，適用于多相系統(tǒng)相數(shù)的擴展。

目前隨機調制技術通常采用dsp實現(xiàn)，運算速度慢且不易擴展到更多相數(shù)的系統(tǒng)中去，而利用fpga則可有效避免上述問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述背景技術的不足，提出了一種基于fpga的五相隨機svpwm技術實現(xiàn)方法，利用fpga實現(xiàn)五相隨機svpwm技術，解決了傳統(tǒng)dsp實現(xiàn)運算速度慢，不易擴展到更多相數(shù)的系統(tǒng)中去的技術問題。

本發(fā)明為其技術問題采用如下技術方案：

一種基于fpga的五相隨機svpwm技術實現(xiàn)方法，包括如下步驟：

1)首先由正弦信號產生模塊產生正弦參考電壓；

2)其次由隨機信號產生模塊產生隨機周期值與零矢量作用時間；

3)接著由扇區(qū)選擇模塊判斷正弦參考電壓位于哪個扇區(qū)；

4)然后由矢量作用時間模塊計算相鄰最近四矢量作用時間；

5)接著由開關動作時間模塊計算上下開關管動作時間；

6)最后由pwm產生與死區(qū)設置模塊產生帶有死區(qū)的pwm波，從而驅動后級電路。

步驟1的具體方法為：建立查找表，將正弦值計算出，存在相應的rom中，使用時根據(jù)地址讀取相應的正弦值。

步驟2的具體方法為：采用線性同余法產生隨機信號，在fpga中，利用變量的位數(shù)進行操作，選擇隨機數(shù)的位寬為16位，當其大于16位時，高位溢出，等效于作同余計算；選用同樣的方法，不同的質數(shù)，產生兩個不同的隨機序列，采用兩狀態(tài)馬爾科夫鏈的形式產生隨機開關頻率與隨機零矢量作用時間。

步驟3的具體方法為：扇區(qū)選擇模塊將平面分為十個扇區(qū)，根據(jù)參考電壓在α-β平面的位置判斷該正弦電壓矢量位于哪個扇區(qū)。

步驟4的具體方法為：矢量作用時間模塊采用移位的方式將無理數(shù)成比例擴大1024倍后取整，再同比例縮小，以此計算矢量作用時間。

步驟5的具體方法為：開關動作時間模塊根據(jù)矢量作用時間，按照五相svpwm原理計算出各開關管的動作時間。

步驟6的具體方法為：pwm產生與死區(qū)設置模塊首先根據(jù)αβ平面的參考電壓值進行扇區(qū)選擇，隨后根據(jù)計算出的開關動作時間設置開關信號0,1值；配置死區(qū)時，以上管開通關斷時刻作為基準，下管相應的提早關斷與延時導通，死區(qū)設置為1μs。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1、fpga是基于硬件實現(xiàn)算法，相比于傳統(tǒng)dsp實現(xiàn)，運算速度快。

2、采用線性同余法產生隨機數(shù)，實現(xiàn)方便且不占用空間，加入兩狀態(tài)馬爾科夫鏈后，可優(yōu)化隨機數(shù)的分布情況，并且馬爾科夫鏈實現(xiàn)過程與線性同余法類似，縮短開發(fā)時間。

3、fpga擁有引腳管理模塊，可靈活地配置引腳，使最終輸出的十路pwm滿足用戶的需求，在此基礎上，可方便地增加引腳將五相調制技術擴展到更多相數(shù)中去，利于今后進一步研究。

附圖說明

圖1為五相隨機svpwm總體設計模塊圖。

圖2為正弦信號產生模塊示意圖。

圖3為隨機信號產生模塊示意圖。

圖4為pwm產生及死區(qū)設置示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對發(fā)明創(chuàng)造做進一步詳細說明。

五相隨機svpwm設計流程圖如圖1所示，整個設計流程包括正弦信號產生模塊，隨機信號產生模塊，矢量作用時間模塊，開關動作時間模塊，扇區(qū)選擇模塊，pwm產生及死區(qū)設置模塊。首先由正弦信號產生模塊產生參考電壓值，隨機信號產生模塊產生隨機周期值，接著矢量作用時間模塊根據(jù)這些量計算矢量作用時間，開關動作時間模塊根據(jù)矢量作用時間計算開關動作時間，最后pwm產生及死區(qū)設置模塊產生pwm波并設置死區(qū)，從而驅動后級電路。

正弦信號產生模塊如圖2所示。五相svpwm調制的輸入量為α-β坐標軸下的電壓量，為使最終逆變器輸出為正弦，因此調制時的輸入量選用正弦值。在fpga中，通常采用查找表的方式輸出正弦量。查找表方法是將正弦值計算出，存在相應的rom或ram中，使用時根據(jù)地址讀取相應的正弦值。根據(jù)正弦波的對稱性，只需知道周期內的正弦值便可推算出整個周期內的正弦值，并且這樣做還節(jié)約了大量資源。在實際操作過程中，首先采用matlab生成周期的正弦值，共50個值，考慮到fpga無法運算小數(shù)，則將正弦值擴大2¹²倍后取整，生成可供romip核讀入的后綴為.coe文件。在fpga開發(fā)環(huán)境中，生成一個位寬13位，深度50的rom存儲器，根據(jù)時鐘的上升沿及地址便可取出相應的正弦值。

基于兩狀態(tài)馬爾科夫鏈的隨機信號產生模塊如圖3所示。實驗中采用線性同余法產生偽隨機數(shù)。線性同余法的遞推公式是：

nj+1≡(a×nj+b)(同余m)(j＝0,1,2....)

其中nj為j時刻值，nj+1為j+1時刻值，a，b，m是設計者自行選擇的參數(shù)，要求滿足下列條件：

1.a，b是正整數(shù)；

2.b，m互質；

3.若m是4的倍數(shù)，則a-1也是；

4.m的所有質因子的積能整除a-1；

5.a，b，n0(nj，j＝0)都比m小。

根據(jù)以上理論計算出的序列nj就是偽隨機序列。

在fpga中，同余計算需要消耗大量資源，因此可以利用變量的位數(shù)進行操作，選擇隨機數(shù)的位寬為16位，當其大于16位時，高位溢出，等效于作同余計算。一個隨機數(shù)的產生只需進行一次乘法運算與一次加法運算。

采用兩狀態(tài)馬爾科夫鏈時需要產生兩個隨機數(shù)，均是通過線性同余法產生，只是在選擇互質的質數(shù)時不同。加入馬爾科夫鏈后，原理如圖3所示。隨機數(shù)1用來產生轉移概率，首先將隨機數(shù)2與數(shù)學期望相比，再根據(jù)轉移概率判斷下一時刻的隨機數(shù)2大于還是小于數(shù)學期望，并作相應處理，利用此方法產生的隨機數(shù)能更均勻地分布在數(shù)學期望的兩側，使得最終實現(xiàn)效果更好。

pwm產生及死區(qū)設置模塊如圖4所示。五相逆變器需要十路pwm驅動，圖4以a相為例，介紹pwm及死區(qū)模塊。首先根據(jù)αβ平面的參考電壓值進行扇區(qū)選擇，隨后根據(jù)計算出的開關動作時間設置開關信號0,1值。配置死區(qū)時，以上管開通關斷時刻作為基準，下管相應的提早關斷與延時導通，死區(qū)設置為1μs。