基于“CPLD+SCM”结构的交流异步电机空间矢量控制(2)

但由于CPLD本身只能综合一些简单的加、减、乘、除等算术逻辑，且CPLD芯片的硬件资源有限，要其实现式(1.1)中函数的计算或者存放数据表都非常不经济，所以若单纯使用CPLD实现SVPWM控制，系统成本会比较高。为了克服单纯使用微处理器或单纯使用复杂可编程逻辑器件CPLD实现SVPWM控制的缺点，充分发挥两种系统的优点，文中采用“CPLD+SCM”双芯片结构来实现。设计中单片机选择Microchip公司的PIC18F452芯片，其内部集成了A/D、时钟/计数、中断控制等功能，能尽量减少整个电机控制系统的外围器件，运算速度快、功耗低、精度高。为了满足数字系统的速度快、容量大、体积小、重量轻等要求，CPLD选用Altera公司推出的MAX7000S系列EPM7128SLC84-15器件。

控制系统软件设计框图如图3所示，设计中SVPWM脉冲的产生采用数字化方法来实现。

因为载波计数值均为正整数，要与其进行比较，就要避免负数和小数。而本文的设计中又采用了双极性调制方式，所以需要将空间矢量相电压波形整体上移并扩大，而且要保证其数值不超过载波计数的最大值。根据式（1.1）用C语言编程求取离散的0～ 范围内的函数值，并根据给定的V/F曲线，每1Hz范围内分为8份求取0～100Hz的800个V/F数据，并将这些数据以表的形式存放在单片机中。为简化程序，三相数据共用一个数据表，只要使起始指针互差120度就能很好的保证三相数据的对称性。

为了简化算法，减小计算误差，采用规则采样法Ⅱ的原理，即在每个三角载波的谷底采样。CPLD通过给单片机传送中断信号，使单片机启动查表程序，查表时首先求出查表偏移量，并加上起始指针作为查表指针，当查表指针大于等于表尾指针时，将查表指针减去表尾指针并加上起始指针作为查表指针。通过改变查表步长即可实现变频控制。

因为调幅运算是对原值的运算，所以在查表后，要将上移后的函数值下移，然后再进行调幅运算，由于函数值本身进行了扩大运算，所以这里要将调幅后的结果缩小，最后再将所得的结果上移。由于死区效应的存在，需要对传输的数据进行死区补偿后再传给CPLD。由于文中选用的单片机为8位控制器，所以数据要分为低8位和高8位进行传输，由于CPLD与单片机之间存在速度差异，为了避免单片机和CPLD之间的数据传输失误，提高数据的可靠性和稳定性，设置数据传输标志进行先导控制。

在复杂可编程逻辑器件CPLD内部采用Verilog 硬件描述语言进行设计,软件设计流程图如图4所示。

三角载波主要由加减计数器交替执行的可逆计数器来生成,采用系统的时钟周期，通过改变计数幅值即可改变三角载波的周期。在CPLD中设置对应于传输标志的控制变量，并根据单片机与CPLD之间的硬件连接情况，将变量锁定在对应的引脚上，以这些变量的变化作为触发条件，将三相数据进行接收并分离。

由于CPLD本身没有寄存器，所以当数据传送到CPLD的引脚上时，是一些孤立的0、1逻辑，首先需要将它们按照其高低位对应关系，进行合并，从而得到与其等值的十六进制数，并将其存储在自定义的寄存器变量中，以便与三角载波的值进行比较从而实现SVPWM输出控制。

由于开关管存在一定的开通和关断时间，为防止同一桥臂上两个开关器件发生直通故障，互补的两路控制信号不能简单的反向，而必须加入几个微秒的死区时间。本文采用的IPM为低电平有效，所以要想保证在死区时间内同一桥臂上两个开关器件都不导通，则要保证死区时间内两路互补信号均为高电平。所以，将三相数据减去死区时间对应的计数值即可得与它们互补的另外三路数据，然后再将六路数据分别与三角载波的值进行比较，在比较时互补的两路信号其比较逻辑两两相反，从而输出两两互补的三相六路SVPWM波形。        

5. 结束语 

采用“CPLD+SCM”双芯片结构实现SVPWM变频调速控制,大大提高了系统设计的灵活性,提高了系统的可靠性和精度,同时降低了系统设计的成本,简化了电路设计，提高了整个控制系统的性能。如图4所示，为系统输出带1kW电机在空载时死区补偿前后的相电流波形，由于在低频段系统性能不稳定因素较多，因此选用测试频率为10Hz。从图中可以看出，可以看到，经过SVPWM调制的波形谐波少，具有良好的正弦性。目前，该控制系统已在大连开关厂风机变频器中投入使用。

[1] 刘和平，刘林，余红欣，郑群英. PIC 18FXXX单片机原理及接口程序设计. 北京：航空航天大学出版社，2004.

[2] 周立功，夏宇闻等.单片机与CPLD综合应用技术. 北京：航空航天出版社，2003.

[3] 张燕宾. SPWM变频调速应用技术[M]. 北京：机械工业出版社，1998.