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基于六相永磁同步电机SVPWM算法的ASIC设计

庞仁江  
【摘要】:近年来,由于六相永磁同步电机具有低压大功率输出、脉动成分小等优势,在各种领域中应用越来越广泛,尤其是在混合动力汽车行业。而电机驱动系统作为汽车的主要驱动力,其控制性能直接影响汽车的表现,故对六相电机驱动控制研究具有实际工程意义。文中以六相永磁同步电机为研究对象,建立六相电机的空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)算法模型并验证,然后对算法模型进行数字化实现,最终完成六相电机SVPWM算法的ASIC设计。首先,针对六相电机复杂的数学模型,根据坐标变换原理,将空间电压矢量分解到α-β、z1-Z2和x-y三个相互垂直的子空间平面。由于传统SVPWM算法没有对z1-z2子空间电压矢量进行控制,输出含有较大的谐波分量,本文采用最大四矢量合成技术,在α-β平面选择相邻最大四矢量和零矢量合成目标电压矢量,使其在z1-z2平面投影幅值为零,具有更小的输出谐波,更低的定子铜损。此外,摒弃传统SVPWM算法中iPark变换,引入Cordic算法实现SVPWM算法中三角函数及平方根计算,便于硬件实现。其次,基于Matlab/Simulink平台搭建算法模型并仿真,验证通过后对六相SVPWM算法模型进行电路设计,整个算法包括Cordic算法、扇区判断、矢量作用时间计算以及PWM信号产生四个子模块。在矢量作用时间计算模块中,通过调制系数的取值范围约束输入信号大小,保证输出不过调;设计周期可调的PWM信号,便于在不同应用场合电机调试。在PWM信号产生模块中,加入死区控制电路以防止逆变桥中同相上下桥臂直通而造成的短路问题。最后,采用Modelsim对所设计的各子模块电路进行仿真验证,联合Matlab对基本矢量时间计算模块进行误差分析,误差小于3%。设计完成后对整个算法模块进行FPGA原型验证,测得在不同模式下PWM波频率与理论值相吻合,死区控制时间2μs与程序设计值一致。最终,基于某代工厂40nm CMOS工艺,使用Cadence公司EDA工具进行逻辑综合、版图设计等工作,所设计的ASIC版图面积为157×155μm2。


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