專利名稱：Svpwm信號發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及逆變器控制系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種SVPWM信號發(fā)生器。
背景技術(shù)：
三相橋式電壓型逆變器具體是由六個開關(guān)器件構(gòu)成的三個半橋.這六個開關(guān)器 件組合起來(同一個橋臂的上下半橋的信號相反)共有8種安全的開關(guān)狀態(tài)。若在電壓空 間矢量中，采用“ 1，，表示上橋壁的導(dǎo)通，下橋臂截止；采用“0”表示上橋壁截止，下橋壁導(dǎo) 通，其中000、111 (這里是表示三個上橋臂的開關(guān)狀態(tài))這兩種開關(guān)狀態(tài)在電機(jī)驅(qū)動中都不 會產(chǎn)生有效的電流。因此稱其為零矢量。另外6種開關(guān)狀態(tài)分別是六個有效矢量。它們將 360度的電壓空間分為60度一個扇區(qū)，共六個扇區(qū)。利用這六個基本有效矢量和兩個零量。 可以合成360度內(nèi)的任何矢量。當(dāng)要合成某一矢量時先將這一矢量分解到離它最近的兩個 基本矢量，然后用這兩個基本矢量去表示。SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，即空間矢量脈寬調(diào)制)的基本原 理就是控制逆變器各個橋壁按照一定的頻率和順序依次導(dǎo)通，為了表示逆變器的不同工作 狀態(tài)，將各個橋壁的通斷狀態(tài)用一個三維空間矢量來表示。由于每一對橋壁的上橋壁、下橋 壁不能同時導(dǎo)通，因此，該三維空間矢量足以表示所有橋壁的工作狀態(tài)。三相逆變器的六個有效矢量可以形成一個開關(guān)狀態(tài)空間的六邊形。SVPWM就是依 據(jù)該開關(guān)狀態(tài)六邊形獲得一系列以一定速率變化的旋轉(zhuǎn)矢量，最終實(shí)際效果就是使逆變器 的輸出電壓空間矢量的運(yùn)行軌跡盡可能接近圓形，進(jìn)而可以使用該輸出電壓為電機(jī)提供電 源，使電機(jī)按照需要的速度平滑運(yùn)行。在國內(nèi)的電壓型逆變器控制領(lǐng)域，利用DSP (Digital Signal Processor，數(shù)字信 號處理器)或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)SVPWM已經(jīng)成為熱點(diǎn)問題。例如DSP，雖然可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時 采集和計算，但由于指令的執(zhí)行時間不能滿足某些應(yīng)用中高性能控制系統(tǒng)的要求，運(yùn)算速 度存在劣勢，對逆變器中開關(guān)的控制速度不盡如人意。更突出的是，在現(xiàn)有逆變器控制系統(tǒng) 中，依然存在著同一相橋壁的控制信號出現(xiàn)高電平，進(jìn)而發(fā)生逆變器橋壁短路的現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種SVPWM信號發(fā)生器，避免發(fā)生逆變器橋壁短路的現(xiàn) 象，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。本發(fā)明提出的SVPWM信號發(fā)生器，該SVPWM信號發(fā)生器分別與三相橋式電路、DSP 電路相連接，該SVPWM信號發(fā)生器包括脈寬調(diào)制啟動模塊，用于計時以及觸發(fā)SVPWM信號模塊開始工作；SVPWM信號模塊，用于根據(jù)輸入時間輸出相應(yīng)的SVPWM波形；過調(diào)制控制模塊，用于在所述三相橋式電路過調(diào)制時對時間參數(shù)進(jìn)行重構(gòu)處理；分頻器模塊，用于使所述過調(diào)制控制模塊和所述SVPWM信號模塊同步工作；死區(qū)延遲模塊，用于根據(jù)用戶輸入的死區(qū)延遲時間對脈沖信號進(jìn)行延遲處理；
所述脈寬調(diào)制啟動模塊開始計時，在計時的數(shù)值達(dá)到預(yù)定閾值時，發(fā)送觸發(fā)指令 至所述SVPWM信號模塊使該SVPWM信號模塊開始工作；同時所述過調(diào)制控制模塊開始接收 由所述DSP電路輸出的表示逆變器開關(guān)狀態(tài)保持時間的時間參數(shù)；所述分頻器模塊對所述SVPWM信號模塊的時鐘進(jìn)行分頻處理，使所述過調(diào)制控制 模塊和分頻處理后的SVPWM信號模塊工作周期相同；所述過調(diào)制控制模塊和分頻處理后的 SVPWM信號模塊根據(jù)相同的工作周期同步工作；所述過調(diào)制控制模塊在所述三相橋式電路發(fā)生過調(diào)制時對所述時間參數(shù)進(jìn)行重 構(gòu)處理，獲得重構(gòu)處理后的時間參數(shù)；所述SVPWM信號模塊根據(jù)該重構(gòu)處理后的時間參數(shù) 輸出相應(yīng)的脈沖信號；所述死區(qū)延遲模塊接收用戶輸入的死區(qū)延遲時間，根據(jù)該死區(qū)延遲時間對所述脈 沖信號進(jìn)行延遲處理。本發(fā)明在逆變器控制系統(tǒng)發(fā)生過調(diào)制時，通過過調(diào)制控制模塊對輸入的時間參數(shù) 進(jìn)行重構(gòu)處理，獲得重構(gòu)處理后的時間參數(shù)，根據(jù)時間參數(shù)將時間信號轉(zhuǎn)化成為脈沖信號， 并接收輸入的死區(qū)延遲時間對該脈沖信號進(jìn)行延遲處理，避免了同一橋壁的控制信號同時 發(fā)生高電平的短路故障，從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。


圖1為SVPWM信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是一種包含SVPWM信號發(fā)生器的逆變器控制系統(tǒng)示意圖；圖3為脈寬調(diào)制啟動模塊的波形圖；圖4為過調(diào)制控制模塊的波形示意圖；圖5為SVPWM信號模塊的波形示意圖；圖6為死區(qū)延遲模塊的波形示意圖；圖7為實(shí)施例一中SVPWM信號發(fā)生器的輸出波形示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 本發(fā)明提出的SVPWM信號發(fā)生器，是基于FPGA來實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示，包括脈寬 調(diào)制啟動模塊、SVPWM信號模塊、過調(diào)制控制模塊、分頻器模塊和死區(qū)延遲模塊。下面具體介紹各個模塊的功能脈寬調(diào)制啟動模塊，用于觸發(fā)SVPWM信號模塊開始工作。SVPWM信號模塊，用于根據(jù)輸入時間輸出相應(yīng)的SVPWM波形。過調(diào)制控制模塊，用于在過調(diào)制時進(jìn)行時間參數(shù)的重構(gòu)處理。分頻器模塊，用于使過調(diào)制控制模塊和SVPWM信號模塊同步工作。死區(qū)延遲模塊，用于根據(jù)輸入的死區(qū)延遲時間對脈沖信號進(jìn)行延遲處理。如圖2所示，圖2是一種包含SVPWM信號發(fā)生器的逆變器控制系統(tǒng)示意圖。該系 統(tǒng)包含三相橋式電路、DSP與SVPWM信號發(fā)生器。其中，A、B和C分別表示各相上、下橋壁 的中點(diǎn)，N表示三相繞組的公共接點(diǎn)；而Vde表示直流母線電壓，0為其中點(diǎn)。上述三相橋式 電路的交流側(cè)輸出電壓值至DSP，然后DSP輸出表示逆變器開關(guān)狀態(tài)保持時間的時間參數(shù)至SVPWM信號發(fā)生器，SVPWM信號發(fā)生器再輸出SVPWM觸發(fā)信號至三相橋式電路，控制橋壁 的通斷狀態(tài)。下面描述該SVPWM信號發(fā)生器的具體工作過程首先預(yù)先設(shè)定一個計數(shù)的閾值，本實(shí)施例中，使用30作為該閾值。由脈寬調(diào)制啟 動模塊內(nèi)部的計數(shù)器開始計時，如圖3所示，圖3為脈寬調(diào)制啟動模塊的波形圖。若該計數(shù) 器計時的數(shù)值未達(dá)到30，則繼續(xù)計數(shù)，同時過調(diào)制控制模塊也不接收數(shù)據(jù)，系統(tǒng)也不進(jìn)入工 作狀態(tài)。在計時的數(shù)值達(dá)到30時，脈寬調(diào)制啟動模塊發(fā)送控制指令至SVPWM信號模塊使該 SVPWM信號模塊開始工作；同時過調(diào)制控制模塊開始接收表示逆變器開關(guān)狀態(tài)保持時間的 時間參數(shù)。對SVPWM信號模塊來說，輸入的數(shù)據(jù)是在系統(tǒng)開始的第一個時鐘脈沖就被讀入該 模塊的內(nèi)部存儲器。此處SVPWM信號模塊達(dá)到閾值再啟動，能夠?qū)VPWM信號模塊延遲過 調(diào)制控制模塊一個工作周期，避免過調(diào)制控制模塊的時間參數(shù)還沒有被輸入，而SVPWM信 號模塊的內(nèi)部計數(shù)器已經(jīng)開始計時，造成控制信號在一個周期內(nèi)的不對稱故障的結(jié)果。SVPWM信號模塊和過調(diào)制控制模塊都有自己的工作周期，但是兩個模塊的工作周 期都不相同。然而SVPWM信號模塊輸出的逆變器控制信號的波形取決于過調(diào)制控制模塊輸 出的時間參數(shù)。如果兩個模塊的工作周期不同，SVPWM信號發(fā)生模塊將無法輸出正確的逆變器橋 臂控制信號。原因在于如果過調(diào)制控制模塊在兩個連續(xù)的工作周期內(nèi)輸出不同的時間參 數(shù)，但是其工作周期小于SVPWM信號模塊的工作周期，SVPWM信號模塊會丟掉過調(diào)制控制模 塊輸出的第二組時間參數(shù)，因此SVPWM信號模塊在第二個工作周期內(nèi)產(chǎn)生的逆變器橋臂控 制信號即為錯誤的信號。然后再通過分頻器模塊實(shí)現(xiàn)過調(diào)制控制模塊和SVPWM信號模塊同步工作。令 SVPWM信號發(fā)生模塊使用系統(tǒng)基準(zhǔn)時鐘，令過調(diào)制控制模塊使用將系統(tǒng)基準(zhǔn)時鐘頻率適當(dāng) 降低的次級時鐘。因此需要設(shè)計一個降低系統(tǒng)時鐘頻率的分頻器模塊。分頻器模塊的電路 設(shè)計可以利用內(nèi)部計數(shù)器和反相器實(shí)現(xiàn)，每到計數(shù)器當(dāng)前值計到分頻設(shè)定值時，就使輸出 時鐘脈沖反相，同時計數(shù)器清零，便得到了分頻的次級時鐘。分頻器模塊是通過對SVPWM信 號發(fā)生模塊的時鐘做分頻處理，使得過調(diào)制控制模塊的工作周期等于SVPWM信號發(fā)生模塊 的工作周期，以此來實(shí)現(xiàn)兩個模塊的同步工作。如圖4和圖5所示，圖4為過調(diào)制控制模塊 的波形示意圖，圖5為SVPWM信號模塊的波形示意圖。然后檢測當(dāng)前橋壁控制信號是否發(fā)生上升沿變化，若未發(fā)生變化則是正常狀態(tài)； 若發(fā)生變化則是非正常狀態(tài)，表示可能同一相橋壁的控制信號同時出現(xiàn)高電平，需要按照 過調(diào)制狀態(tài)進(jìn)行處理。過調(diào)制控制模塊在發(fā)生過調(diào)制時對時間參數(shù)進(jìn)行重構(gòu)處理，獲得新 的時間參數(shù)；SVPWM信號模塊根據(jù)該新的時間參數(shù)輸出相應(yīng)的脈沖信號。對過調(diào)制控制模塊來說，它的作用是先計算零矢量的時間，然后根據(jù)零矢量的正 負(fù)判斷是否發(fā)生過調(diào)制。若沒有發(fā)生過調(diào)制則保持原輸入時間不變，若發(fā)生過調(diào)制則需要 修改兩個非零基本矢量的作用時間。先將矢量作用時間轉(zhuǎn)換為高低電平作用時間，然后再 根據(jù)輸入扇區(qū)號的不同，將高低電平作用時間按照SVPWM原理分配給輸出開關(guān)動作的六個 端□。其中，對各時間參數(shù)進(jìn)行重構(gòu)處理的過程是通過校正進(jìn)入過調(diào)制區(qū)的給定電壓矢量實(shí)現(xiàn)的。因此，如果發(fā)生過調(diào)制，為了保持調(diào)整后的電壓矢量相位不發(fā)生變化，可以把兩 個非零基本電壓矢量的作用時間等比例縮短。其具體關(guān)系式如下 在上述公式中，后面的括號表示相應(yīng)的條件，不同的條件重構(gòu)的過程不同。用??；表 示PWM周期，用T1表示合成給定電壓矢量V時基本矢量V1作用的時間，用T2表示合成給定 電壓矢量V時基本矢量V2作用的時間，用T1表示合成校正后的電壓矢量時基本矢量V1的時 間，用T2表示合成校正后的電壓矢量時基本矢量V2的時間。由上式可以得到校正后的基本 電壓矢量的作用時間，但是此算法僅適用于Ti、T2之和大于Ts、而1\、T2都小于Ts的情況。當(dāng)1\、T2中的一個大于Ts時，需要采取其它方法重新分配非零基本矢量的作用時 間，采用的關(guān)系式如下 所以，對各時間參數(shù)進(jìn)行重構(gòu)處理的過程可以歸納為以下的公式 由于FPGA的運(yùn)行速度較快，所以本實(shí)施例采用FPGA來實(shí)現(xiàn)，能夠提高開關(guān)的控制 速度。在橋壁控制信號發(fā)生上升沿變化后，死區(qū)延遲模塊接收用戶輸入的死區(qū)延遲時間，根 據(jù)該死區(qū)延遲時間對脈沖信號進(jìn)行延遲處理，即將控制信號的上升沿延時一個死區(qū)，而其 它狀態(tài)的控制信號則保持不變。由于逆變器開關(guān)器件存在不同的實(shí)際情況，所以需要根據(jù) 實(shí)際情況由用戶手動輸入死區(qū)延遲時間，然后死去延遲模塊接收輸入的死去延遲時間進(jìn)行 進(jìn)一步的處理。這樣，在根據(jù)輸入的死區(qū)延遲時間對脈沖信號進(jìn)行延遲處理后，可以避免同 一相橋壁的控制信號同時出現(xiàn)高電平的短路故障。如圖6所示，圖6為死區(qū)延遲模塊的波 形示意圖。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，過調(diào)制控制模塊和SVPWM信號模塊是SVPWM信號發(fā)生器 的核心模塊，分別實(shí)現(xiàn)了時間數(shù)據(jù)的重構(gòu)和時間信號向脈沖控制信號的轉(zhuǎn)化。為了方便控 制，過調(diào)制控制模塊包括依次連接的輸入時間鎖存單元、比較器單元、乘法器單元、除法器 單元、零矢量和輸入扇區(qū)號鎖存單元、矢量分配單元、時間轉(zhuǎn)換單元和時間重構(gòu)單元，本實(shí) 施例中的過調(diào)制控制模塊可以按此方式實(shí)現(xiàn)。在過調(diào)制控制模塊內(nèi)部的乘法器和除法器的設(shè)計上，采用時序電路代替純組合邏輯電路的方法，雖然運(yùn)算速度受到一定限制，但是在不 影響工程實(shí)際需要的前提下，更加易于實(shí)現(xiàn)流水線控制。其中，乘法器單元可以為8位硬件 乘法器，除法器單元可以為16/9位硬件除法器，串聯(lián)的8位硬件乘法器和16/9位硬件除法 器是過調(diào)制控制模塊的核心，其作用是在發(fā)生過調(diào)制時實(shí)現(xiàn)對給定空間電壓矢量的校正。 其它單元主要是起輔助作用，共同實(shí)現(xiàn)過調(diào)制控制模塊的其它主要功能。如圖7所示，圖7 為本實(shí)施例SVPWM信號發(fā)生器的輸出波形示意圖。本發(fā)明在過調(diào)制時先通過時間數(shù)據(jù)的重構(gòu)，再將時間信號轉(zhuǎn)化成為脈沖控制信號 并對脈沖信號進(jìn)行延遲處理，從而有效地防止逆變器橋臂短路事故的發(fā)生。而且本發(fā)明是 基于FPGA實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品，在FPGA運(yùn)行速度比DSP快的情況下，可以進(jìn)一步提高開關(guān)的控制速 度，并獲得比常規(guī)六階梯波形更好的輸出電壓波形。以上所述的本發(fā)明實(shí)施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何在本發(fā)明 的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范 圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種SVPWM信號發(fā)生器，該SVPWM信號發(fā)生器分別與三相橋式電路、DSP電路相連接，其特征在于，該SVPWM信號發(fā)生器包括脈寬調(diào)制啟動模塊，用于計時以及觸發(fā)SVPWM信號模塊開始工作；SVPWM信號模塊，用于根據(jù)輸入時間輸出相應(yīng)的SVPWM波形；過調(diào)制控制模塊，用于在所述三相橋式電路過調(diào)制時對時間參數(shù)進(jìn)行重構(gòu)處理；分頻器模塊，用于使所述過調(diào)制控制模塊和所述SVPWM信號模塊同步工作；死區(qū)延遲模塊，用于根據(jù)用戶輸入的死區(qū)延遲時間對脈沖信號進(jìn)行延遲處理；所述脈寬調(diào)制啟動模塊開始計時，在計時的數(shù)值達(dá)到預(yù)定閾值時，發(fā)送觸發(fā)指令至所述SVPWM信號模塊使該SVPWM信號模塊開始工作；同時所述過調(diào)制控制模塊開始接收由所述DSP電路輸出的表示逆變器開關(guān)狀態(tài)保持時間的時間參數(shù)；所述分頻器模塊對所述SVPWM信號模塊的時鐘進(jìn)行分頻處理，使所述過調(diào)制控制模塊和分頻處理后的SVPWM信號模塊工作周期相同；所述過調(diào)制控制模塊和分頻處理后的SVPWM信號模塊根據(jù)相同的工作周期同步工作；所述過調(diào)制控制模塊在所述三相橋式電路發(fā)生過調(diào)制時對所述時間參數(shù)進(jìn)行重構(gòu)處理，獲得重構(gòu)處理后的時間參數(shù)；所述SVPWM信號模塊根據(jù)該重構(gòu)處理后的時間參數(shù)輸出相應(yīng)的脈沖信號；所述死區(qū)延遲模塊接收用戶輸入的死區(qū)延遲時間，根據(jù)該死區(qū)延遲時間對所述脈沖信號進(jìn)行延遲處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述SVPWM信號發(fā)生器，其特征在于，所述過調(diào)制控制模塊包括依次 連接的輸入時間鎖存單元、比較器單元、乘法器單元、除法器單元、零矢量和輸入扇區(qū)號鎖 存單元、矢量分配單元、時間轉(zhuǎn)換單元和時間重構(gòu)單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述SVPWM信號發(fā)生器，其特征在于，所述乘法器單元為8位硬件乘 法器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述SVPWM信號發(fā)生器，其特征在于，所述除法器單元為16/9 位硬件除法器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述SVPWM信號發(fā)生器，其特征在于，所述分頻器模塊包括計數(shù)器和 反相器。
全文摘要
本發(fā)明涉及逆變器控制系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種SVPWM信號發(fā)生器，包括脈寬調(diào)制啟動模塊、SVPWM信號模塊、過調(diào)制控制模塊、分頻器模塊和死區(qū)延遲模塊。本發(fā)明在過調(diào)制時先通過時間數(shù)據(jù)的重構(gòu)，再將時間信號轉(zhuǎn)化成脈沖控制信號并對脈沖信號進(jìn)行延遲處理，有效地防止逆變器橋臂短路事故的發(fā)生。而且本發(fā)明是基于FPGA實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品，在FPGA運(yùn)行速度比DSP快的情況下，可以進(jìn)一步提高開關(guān)的控制速度，并獲得比常規(guī)六階梯波形更好的輸出電壓波形。
文檔編號H02M7/5387GK101895224SQ20101018954
公開日2010年11月24日 申請日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者吳晨光, 張凌云, 彭安金, 李中華, 王奔 申請人:廣州廣日電氣設(shè)備有限公司;王奔