对基于FPGA的三电平SVPWM算法的实现探讨佘峰

对基于FPGA的三电平SVPWM算法的实现探讨佘峰

佘峰

(国电南瑞科技股份有限公司江苏南京211106)

摘要：文章介绍了三电平SVPWM的拓扑结构和算法，描述了采用FPGA的实现方法仿真和试验表明：仿真与试验波形是一致的，FPGA可以提高控制器处理速度。

关键词：三电平；SVPWM；FPGA；控制器；处理速度；交流传动

1三电平SVPWM拓朴结构及算法

1.1三电平逆变器的拓扑结构

三电平逆变器的拓扑结构如图1所示，通过控制功率器件的开通和关断，每相可获得3种不同电平+、0、一E。当vl和V2导通，V3和V4关断时，输出电压为+；当V2和V3导通，v1和V4关断时，输出电压为0；当V3和V4导通，v1和V2关断时，输出电压为一，用电压状态符号P、O、N表示，如表1所示。由于三电平逆变器每个桥臂可有3种开关状态，因此整个逆变器共有33=27种不同开关组合，对应着27个基本空间电压矢量，如图2所

2FPGA实现方法

FPGA的硬件选择Xilinx公司的Spartan3系列的XC3S400—4芯片，其逻辑延时为4ns，包含16个硬件乘法器，360KB的RAM。为保证算法的控制效果，芯片的运行频率需要达到50MHz。

2.1FPGA算法实现

针对FPGA算法实现，下面需要注意以下几个地方：①定点数计算中，需要综合考虑计算速度和精度。②扇区映射需要先定义，为R0M变量，直接查表得到，缩短计算时间。③简化扇区映射流程，采用IF—ELSEIF—ELSE语句实现。④在式(3)中计算PWM时间时，根据m变量的不同，会出现需要的除以4或2的情况，此时可通过移位运算实现，既节约乘法器资源，又缩短计算时间。

2.2流水线优化

由于三电平SVPWM的计算过程较为复杂，完全采用组合逻辑的方式实现，则会由于逻辑处理的延时导致2个结果：

①为保证控制效果，FPGA芯片内部时钟以50MHz的速度运行，则会导致计算结果错误。

②为保证计算结果正确，降低FPGA芯片内部时钟的运行速度，以满足逻辑时序要求，则会导致控制性能下降。

所以编译程序时查看时序报告，得到芯片运行的最大时钟频率为11．034MHz，不能满足控制性能对50MHz处理频率的要求。为提高芯片的处理速度，需要对组合逻辑进行流水线优化。首先将三电平SVPWM的计算过程拆分为一个个较为简单的组合逻辑，再在相互连接的组合逻辑中插人流水线寄存器，保证数据的一致性。流水线优化图如图4所示，采用4级流水线，每级流水线之间的组合逻辑复杂程度相当，插人流水线寄存器，以满足时序要求。再次编译程序，查看时序报告，得到芯片运行的最大时钟频率为86．606MHz，满足控制要求。

(b)试验波形

图8高调制比下相电压输出波形

4结语

FPGA不仅能够解决三电平SVPWM算法复杂的问题，而且能够解决多相多电平拓扑SVPWM算法的问题，提升交流传动数字控制系统的性能，也能同时控制多个变流器，降低控制系统的成本。由于FPGA具有硬件可编程能力，可以提高控制器的通用性，所以FPGA在交流传动数字控制系统具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]薄保中，苏彦民．三电平逆变器的分析与控制[J]．电气传动，2003（2）：14一17．

[2]田玉超，刘勇，丛望．SVPWM控制三电平逆变器算法研究[J]．应用科技，2005(3)：34—36．