CN103956951B - 低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制软核 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制软核，可在大功率三相交流异步电机控制系统中完成在线计算多模式空间矢量脉宽调制。本发明软核主要包AD控制模块01、基于FPGA的双端口RAM02、双端口RAM控制模块03、扇区判断模块04、调制方式切换管理模块05、异步调制时间计算模块06、矢量作用角度计算模块07、时间归一化模块08、PWM信号生成模块09。本发明软核不仅兼具硬件电路速度快、可靠性高等特点，具备良好的模块复用性与可移植性，同时其稳态性能和动态性能良好，作为电机控制系统协同处理器，使核心控制器(浮点DSP)从大量正余弦计算以及对资源占用量较大的周期性事件中解放出来，更好地运行电机核心控制算法，提高控制系统性能。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通、船舶制造等领域中由三相两电平拓扑结构逆变器组成的大功率三相交流异步电机控制系统的设计与制造。
背景技术
两电平牵引逆变器驱动系统以其结构简单，性能可靠的优点被广泛应用于交直交电力机车(动车组)牵引传动系统。随着电力电子技术的不断发展和交直交电力机车(动车组)的不断普及，对牵引逆变器驱动系统的性能要求越来越高。异步调制(SVPWM)技术以其易于数字化实现，电压利用率高等优点，被广泛应用于大功率三相交流异步电机控制系统中完成逆变器的调制工作。对于大功率三相交流异步异步电机的控制而言，由于开关频率较低，随着逆变器输出频率逐渐提高，载波比减小，由异步SVPWM造成的逆变器输出电流正负半周不对称情况将不能被忽略，此时逆变器输出电流容易产生畸变，引发较大的转矩脉动，难以保证系统具有良好的控制性能。为了克服以上缺点，一种多模式空间矢量脉宽调制方法得到了广泛的应用。
随着处理器制造技术的不断发展，数字信号处理器(DSP)被广泛用于大功率三相交流异步电机的控制，针对基于单DSP的大功率三相交流异步电机控制系统而言，由于空间矢量脉宽调制算法需要周期性地完成大量的三角函数计算，大部分芯片资源被用于空间矢量脉宽调制相关计算、PWM门控信号的产生等周期性事件，导致留给核心控制算法的资源非常有限；DSP作为顺序处理器，会按照顺序逐条执行，会导致时间延迟的增加并造成控制系统性能下降。
为了克服单DSP控制系统的以上缺点，逐渐提出了基于浮点DSP和定点DSP的双DSP控制系统结构，如图1所示，此类大功率三相交流异步电机控制系统由一片浮点运算DSP和一片定点运算DSP组成，两者之间依靠一片双端口RAM进行数据交换，其特点在于利用定点计算DSP完成PWM门控信号的产生，有效地减少了芯片资源的占用、减小了系统时间延迟并提高了控制系统的性能；浮点DSP仍需要完成除核心控制算法以外的空间矢量脉宽调制相关计算任务，使得核心控制算法性能受到限制且随着调制算法的不断改进与复杂化，该结构中浮点DSP的工作量越来越大。虽然相比单DSP结构有了改进，但仍存在DSP的引脚及IO资源有限，不利于向多电平结构扩展；利用DSP完成SVPWM所产生的PWM信号不易完全同步，同时存在软硬件设计复杂，系统可靠性不足的问题。
随着现场可编程门阵列(FPGA)的不断发展，其功能越来越强大，应用也越来越广泛。在这样的背景下，为了克服双DSP结构存在的缺点，逐渐提出了一种基于DSP和FPGA的大功率三相交流异步电机控制系统结构，如图2所示，此类结构由一片浮点运算DSP和一片FPGA组成，两者之间通过双口RAM进行数据交换，其特点在于利用FPGA完成PWM门控信号的产生，不仅利于向多电平拓扑发展，能够产生更加精确的PWM门控信号，同时将AD等外部设备的控制放到FPGA中执行，进一步减轻了浮点DSP的工作任务。但该结构中浮点DSP仍需要完成空间矢量调制的相关计算工作。
随着调制算法复杂度不断加大，对其性能要求越来越高，利用专用的软核完成SVPWM相关工作以及相关外部设备的控制，不仅兼具硬件电路速度快、可靠性高等优点，同时将核心控制器(浮点DSP)从繁重的重复性计算中解放出来，使其更好地运行核心控制程序。同时随着电子设计自动化技术(EDA)的不断发展，使得设计者能够依托可编程逻辑器件(FPGA)，在电力设计自动化(EDA)软件平台上利用硬件描述语言完成硬件电路的设计，并向用户提供完成设计后的硬件电路下载文件，即软核，极大地提高了电路设计的效率和可移植性，在硬件电路规模不断加大的同时，使得产品的小型化逐步成为一种发展趋势。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于大功率三相交流异步电机控制系统的低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制软核，用以克服控制程序开发周期长、调制算法对核心控制器资源占用量较大等技术缺点，并使之完成适用于大功率三相交流异步电机控制系统的低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制，具有良好的调制性能，稳态与动态性能良好，技术可移植性好，稳定性和抗干扰能力强的优点。
本发明为实现其发明目的，所采用的方案是：
低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制软核，可在如下的调制方式下完成同步调制：异步调制、九脉冲同步调制、七脉冲A同步调制、七脉冲B同步调制、五脉冲A同步调制、五脉冲B同步调制和三脉冲同步调制；其特征在于，所述软核中：AD控制模块01与AD转换器、双端口RAM控制模块03相连；基于FPGA的双端口RAM02与浮点DSP、双端口RAM控制模块03相连；双端口RAM控制模块03与AD控制模块01、基于FPGA的双端口RAM02、扇区判断模块04、调制切换方式管理模块05相连；扇区判断模块04与调制方式切换管理模块05、双端口RAM控制模块03相连；调制方式切换管理模块05与扇区判断模块04、双端口RAM控制模块03、异步调制时间计算模块06、矢量作用角度计算模块07相连；矢量作用角度计算模块07与调制方式切换管理模块05、时间的归一化模块08相连；时间的归一化模块08与异步调制时间计算模块06、矢量作用角度计算模块07、PWM信号生成模块09相连；PWM信号生成模块09与时间的归一化模块08相连。
为了实现低开关频率下的空间矢量脉宽调制，适应复杂的工作环境并且得到良好的稳态性能与动态响应，该软核采用了一种低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制算法，其调制方式具体包括：异步调制、九脉冲同步调制、七脉冲A同步调制、七脉冲B同步调制、五脉冲A同步调制、五脉冲B同步调制和三脉冲同步调制。
在本发明软核中：
AD控制模块01主要用于控制AD转换器，用于对逆变器、电机侧的反馈电压、电流等模拟信号进行由模拟信号到数字信号的转换，为后续计算做准备。
双端口RAM控制模块03主要用于输出双端口RAM所需的控制信号，对双端口RAM的读写操作进行控制，同时协调核心控制器与调制计算电路间的读写规则。
扇区判断模块04主要用于对参考空间电压矢量Uref位置判断，并通过简化定常数乘法器等设计降低了硬件电路的复杂程度。
调制方式切换管理模块05主要用于根据逆变器的输出频率f和参考矢量Uref的位置分别对切换时刻、切换点做出判断，并选择对应的调制方式。
异步调制时间计算模块06主要用于异步调制时参考空间电压矢量Uref所在扇区确定参考空间电压矢量Uref的合成方式，并利用参考空间电压矢量Uref沿着α、β轴的分解量Uα、Uβ、直流侧电压Udc计算出两个基本空间电压矢量与零矢量的对应作用时间。
矢量作用角度计算模块07主要用于同步调制时根据调制方式切换管理模块选择的同步调制方式和参考空间电压矢量Uref所在扇区确定参考空间电压矢量Uref的合成方式，并利用参考空间电压矢量Uref沿着α、β轴的分解量Uα、Uβ、直流侧电压Udc、逆变器输出频率f计算出主矢量、辅矢量和零矢量在对应扇区的总作用角度。
若为异步调制，则时间归一化模块08主要用于将异步调制时间计算模块计算得出的基本矢量作用时间根据7段式PWM信号产生原理转换为产生PWM信号所需的开关导通时间；若为同步调制，则的时间归一化模块08主要用于将矢量作用角度计算模块计算得出的作用角度转换为产生PWM信号所需的开关导通时间；
PWM信号生成模块09主要用于将开关导通时间转换为用于驱动IGBT的PWM信号，并对上、下桥臂的PWM信号添加死区时间。
本发明软核的工作过程和原理是：首先，由AD控制模块01经由AD转换器获得两电平牵引逆变器输出电压、电流及电机转速等反馈信号，并将反馈信号传递给双端口RAM控制模块03；双端口RAM控制模块03按照设定好的时间间隔，将从AD控制模块01获得的反馈信号写入基于FPGA的双端口RAM02供浮点DSP读取，同时将浮点DSP写入双端口RAM的参考空间电压矢量Uref沿着α、β轴分解量Uα、Uβ以及逆变器输出频率f，读出并且开始新一次的调制计算；经过扇区判断模块04利用Uα、Uβ以及逆变器输出频率f进行计算即可得到参考空间电压矢量Uref的位置信息；调制切换管理模块05根据参考空间电压矢量Uref的位置以及逆变器输出频率f选择具体的同步调制方式并向矢量角度作用模块发出调制方式选择信号state；若为异步空间矢量脉宽调制，则由异步调制时间计算模块06计算出两个非零矢量与零矢量对应的作用时间；若为同步调制，则由矢量作用角度计算模块07根据调制方式选择信号state选择不同的同步调制方式对应的主矢量、辅矢量、零矢量作用角度计算方法，计算得出主矢量、辅矢量和零矢量分别对应的作用角度；若为异步空间矢量脉宽调制，时间归一化模块08将两个非零矢量与零矢量对应作用时间根据七段式PWM信号产生原理进行分割；若为同步调制，时间归一化模块08根据特定的矢量作用序列对作用角度进行分配并将分配后的矢量作用角度信号转换为PWM信号生成模块09所需的时间信号；PWM信号生成模块09利用时间归一化模块08产生的矢量作用时间信号生成PWM信号并完成一次调制计算。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、该软核所采用的算法是一种在线计算多模式空间矢量脉宽调制算法，
能够完成实时计算，适应各类不同的外部复杂条件。
二、该软核存在调制模式切换管理模块05，通过对切换频率点以及切换时参考空间电压矢量位置的选择进行优化，使得该软核具有良好的不同调制方式间平滑切换能力。
三、该软核不仅兼具硬件电路速度快、可靠性高等特点，同时具备良好的模块复用性与可移植性，当需要改变硬件载体(FPGA)型号时，只需要在EDA软件平台上进行适当的设置即可，由此可以极大提高设计效率并且有效避免因硬件载体制造技术革新所造成的重复设计。
四、相比于双DSP结构，利用FPGA装载该软核替代定点DSP，不仅使得可供使用的IO资源更加丰富，生成的PWM信号更容易同步，同时，将AD等外部设备的控制集成到该软核中，减小了浮点DSP的工作量，提高了控制系统的控制性能。
五、相比于现有的DSP+FPGA结构，将双端口RAM集成到该软核中，有效减小了控制系统的复杂度，提高了控制系统的稳定性；同时在保证计算精度的前提下，进一步将整个调制算法集成到该软核中，不仅提高了调制算法的运算速度，减小系统延时，同时通过直接使用该软核，减轻了浮点DSP中的程序复杂度，有效缩短了控制系统的设计周期。
六、该软核作为电机控制系统协同处理器，使核心控制器(浮点DSP)从大量正余弦计算以及对资源占用量较大的周期性事件中解放出来，更好地运行电机核心控制算法，提高控制系统性能。
可见，采用以上设计方案可以方便可靠地完成该低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调直软核的设计。
下面结合附图和具体实施方式对该软核作进一步详细的说明。
附图说明
图1为现有技术双DSP结构控制系统结构示意图。
图2为现有技术DSP+FPGA结构控制系统结构示意图。
图3为本发明的模块划分结构框图。
图4a为九脉冲同步调制A相上桥臂PWM信号示意图。
图4b为七脉冲A同步调制A相上桥臂PWM信号示意图。
图4c为七脉冲B同步调制A相上桥臂PWM信号示意图。
图5a为异步空间矢量脉宽调制逆变器输出线电压uAB和相电流iA波形图。
图5b为九脉冲同步调制逆变器输出线电压uAB和相电流iA波形图。
图5c为七脉冲A同步调制逆变器输出线电压uAB和相电流iA波形图。
图5d为七脉冲B同步调制逆变器输出线电压uAB和相电流iA波形图。
图6a为异步空间矢量脉宽调制切换九脉冲同步调制逆变器输出三相电流。
图6b为九脉冲同步调制切换七脉冲A同步调制逆变器输出三相电流。
图6c为七脉冲A同步调制切换七脉冲B同步调制逆变器输出三相电流。
图6d为七脉冲B同步调制切换五脉冲A同步调制逆变器输出三相电流。
图4、图5和图6所示波形主要实验参数如下：直流侧电压Udc=1500V；电机极对数p=2；电机定子电阻Rs=0.1065Ω；电机转子电阻Rr=0.0663Ω；定子漏感Ls=1.31mH；转子漏感Lr=1.93mH；定转子互感Lm=53.6mH；死区时间为4μs。
具体实施方式
图1示出，现有技术双DSP结构电机控制系统结构组成，此类结构的系统主要由一片浮点DSP、一片定点DSP和一片双端口RAM组成，其各部分主要工作为：浮点DSP主要运行电机核心控制程序、调制计算程序；双端口RAM用于浮点DSP与定点DSP之间的数据交换；定点DSP用于PWM门控信号的产生。
图2示出，目前现有DSP+FPGA结构电机控制系统结构组成，此类结构控制系统主要由一片浮点DSP、一片FPGA和一片双端口RAM组成，其各部分主要工作为：浮点DSP主要运行电机核心控制程序、调制计算程序；双端口RAM用于浮点DSP与定点DSP之间的数据交换；FPGA用于PWM门控信号的产生以及AD等外部设备的控制和反馈信号的采集。
图3示出，低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制软核，该软核主要包括AD控制模块01、基于FPGA的双端口RAM02、双端口RAM控制模块03、扇区判断模块04、调制方式切换管理模块05、异步调制时间计算模块06、矢量作用角度计算模块07、时间归一化模块08、PWM信号生成模块09，其结构特点是：AD控制模块01与AD转换器、双端口RAM控制模块03相连；基于FPGA的双端口RAM02与浮点DSP、双端口RAM控制模块03相连；双端口RAM控制模块03与AD控制模块01、基于FPGA的双端口RAM02、扇区判断模块04、调制切换方式管理模块05相连；扇区判断模块04与调制方式切换管理模块05、双端口RAM控制模块03相连；调制方式切换管理模块05与扇区判断模块04、双端口RAM控制模块03、异步调制时间计算模块06、矢量作用角度计算模块07相连；矢量作用角度计算模块07与调制方式切换管理模块05、时间的归一化模块08相连；时间的归一化模块08与异步调制时间计算模块06、矢量作用角度计算模块07、PWM信号生成模块09相连；PWM信号生成模块09与时间的归一化模块08相连。
图4示出，以该低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制软核中三种不同的同步调制方式为例，给出其在稳定工作状态下对应的A相上桥臂PWM信号波形。图4a、图4b、图4c分为为九脉冲同步调制A相上桥臂PWM信号、七脉冲A同步调制A相上桥臂PWM信号、七脉冲B同步调制A相上桥臂PWM信号。根据相关的理论可知，将A上桥臂PWM信号分别滞后、超前120°即可得到对应的B相、C相上桥臂PWM信号。又图4可以看出，在一个调制波周期内，本发明中不同的调制方式均具有良好的对称性。
图5示出，以该低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制软核中四种不同的调制方式为例，给出其在稳定工作状态下对应A、B两相间的线电压uAB波形及对应的A相相电流iA波形。图5a、图5b、图5c和图5d分别为异步制线电压uAB波形及对应的A相相电流iA波形、九脉冲同步调制线电压uAB波形及对应的A相相电流iA波形、七脉冲A同步调制线电压uAB波形及对应的A相相电流iA波形、七脉冲B同步调制线电压uAB波形及对应的A相相电流iA波形。从图5可以看出，无论是线电压波形还是相电流波形，均证明该软核工作在几种不同调制方式下输出电压、电流波形具有良好的三相对称性(3PS)、半波对称性(HWS)和四分之一对称性(QWS)。
图6示出，以该低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制软核中四种不同的调制方式为例，给出其在不同调制方式间平滑切换时对应逆变器输出三相相相电流波形。图6a、图6b、图6c和图6d分别为异步调制切换九脉冲同步调制对应逆变器输出三相相相电流波形、九脉冲同步调制切换七脉冲A同步调制对应逆变器输出三相相相电流波形、七脉冲A同步调制切换七脉冲B同步调制对应逆变器输出三相相相电流波形、七脉冲B同步调制切换五脉冲A同步调制对应逆变器输出三相相相电流波形。从图6可以看出，该软核具有良好的切换性能，且切换时刻前后对应逆变器输出三相相电流波形具有良好的三相对称性(3PS)、半波对称性(HWS)和四分之一对称性(QWS)。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制软核，可在大功率三相交流异步电机控制系统中完成如下的调制方式：异步调制、九脉冲同步调制、七脉冲A同步调制、七脉冲B同步调制、五脉冲A同步调制、五脉冲B同步调制和三脉冲同步调制；其特征在于，所述软核中：AD控制模块(01)与AD转换器、双端口RAM控制模块(03)相连；基于FPGA的双端口RAM(02)与浮点DSP、双端口RAM控制模块(03)相连；双端口RAM控制模块(03)与AD控制模块(01)、基于FPGA的双端口RAM(02)、扇区判断模块(04)、调制切换方式管理模块(05)相连；扇区判断模块(04)与调制方式切换管理模块(05)、双端口RAM控制模块(03)相连；调制方式切换管理模块(05)与扇区判断模块(04)、双端口RAM控制模块(03)、异步调制时间计算模块(06)、矢量作用角度计算模块(07)相连；矢量作用角度计算模块(07)与调制方式切换管理模块(05)、时间的归一化模块(08)相连；时间的归一化模块(08)与异步调制时间计算模块(06)、矢量作用角度计算模块(07)、PWM信号生成模块(09)相连；PWM信号生成模块(09)与时间的归一化模块(08)相连。
2.根据权利要求1所述的低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制软核，其特征在于：所述的AD控制模块(01)主要用于控制AD转换器，用于对逆变器、电机侧的反馈电压、电流模拟信号进行由模拟信号到数字信号的转换，为后续计算做准备。
3.根据权利要求1所述的低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制软核，其特征在于：所述的双端口RAM控制模块(03)主要用于输出双端口RAM所需的控制信号，对双端口RAM的读写操作进行控制，同时协调核心控制器与调制计算电路间的读写规则。
4.根据权利要求1所述的低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制软核，其特征在于：所述的扇区判断模块(04)主要用于对参考空间电压矢量Uref位置判断，并通过简化定常数乘法器设计降低了硬件电路的复杂程度。
5.根据权利要求1所述的低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制软核，其特征在于：所述的调制方式切换管理模块(05)主要用于根据逆变器的输出频率f和参考矢量Uref的位置分别对切频率点、参考空间电压矢量Uref切换位置点做出判断，并选择对应的调制方式。
6.根据权利要求1所述的低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制软核，其特征在于：所述的异步调制时间计算模块（06）主要用于异步调制时参考空间电压矢量Uref所在扇区确定参考空间电压矢量Uref的合成方式，并利用参考空间电压矢量Uref沿着α、β轴的分解量Uα、Uβ、直流侧电压Udc计算出两个基本空间电压矢量与零矢量的对应作用时间。
7.根据权利要求1所述的低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制软核，其特征在于：所述的矢量作用角度计算模块（07）主要用于同步调制时根据调制方式切换管理模块选择的同步调制方式和参考空间电压矢量Uref所在扇区确定参考空间电压矢量Uref的合成方式，并利用参考空间电压矢量Uref沿着α、β轴的分解量Uα、Uβ、直流侧电压Udc、逆变器输出频率f计算出主矢量、辅矢量和零矢量在对应扇区的总作用角度。
8.根据权利要求1所述的低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制软核，其特征在于：若为异步调制，则所述的时间归一化模块（08）主要用于将异步调制时间计算模块计算得出的基本矢量作用时间根据7段式PWM信号产生原理转换为产生PWM信号所需的开关导通时间；若为同步调制，则所述的时间归一化模块（08）主要用于将矢量作用角度计算模块计算得出的作用角度转换为产生PWM信号所需的开关导通时间。
9.根据权利要求1所述的低载波比在线计算多模式空间矢量脉宽调制软核，其特征在于：所述的PWM信号生成模块（09）主要用于将开关导通时间转换为用于驱动IGBT的PWM信号，并对上、下桥臂的PWM信号添加死区时间。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |