利用完全可編程平臺實(shí)現(xiàn)高效馬達(dá)控制

圖2: 調(diào)制原理圖

為彌補(bǔ)正弦調(diào)制造成的損耗，空間矢量PWM(SVPWM)調(diào)制法運(yùn)營而生。SVPWM可以提供1/√3 Vdc=0.5773 Vdc的電壓。與正弦調(diào)制類似，SVPWM也能讓馬達(dá)平穩(wěn)運(yùn)行。在調(diào)制原理圖上，這表示為紅圈的外圈。圖3是正弦調(diào)制法和SVPWM調(diào)制法的波形對比。

圖3：正弦調(diào)制法和SVPWM調(diào)制法的波形對比

正弦調(diào)制法和空間矢量調(diào)制法均使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，一種最為常見的工業(yè)調(diào)制技術(shù)。但是脈沖寬度調(diào)制使用固定的調(diào)制頻率，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)對供電電壓的控制，故諧波的出現(xiàn)是個(gè)問題。諧波是EMI、馬達(dá)振動(dòng)的原因，也是一種能量損耗。

為抑制諧波，可以使用另一種調(diào)制方法，即使用脈沖頻率調(diào)制(PFM)。脈沖頻率調(diào)制可讓少量脈沖保持固定寬度，并根據(jù)所需的值按不同周期(頻率)進(jìn)行調(diào)制。這種調(diào)制方法可以減少諧波，因諧波會分散到所有頻率上。

圖4和圖5即為對PWM和PFM的FFT(快速傅里葉變換)頻率分析的對比情況?？梢郧宄乜吹絇FM可以消除第三次諧波失真。

圖5：脈沖頻率調(diào)制方案中產(chǎn)生的諧波可分散到所有頻譜上?？床坏街C波尖峰。實(shí)現(xiàn)方案

市場上已經(jīng)有用于三相馬達(dá)的磁場定向控制實(shí)現(xiàn)解決方案。除了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)考慮該實(shí)現(xiàn)方案能否在馬達(dá)運(yùn)行中在SVPWM、正弦PWM和FPM等不同調(diào)制方案間實(shí)時(shí)切換。其他需要考慮的方面有：

- 使用同一器件控制多軸

- 集成實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和更新

- 功能安全設(shè)計(jì)

要達(dá)到本文描述的性能，可以選用Zynq-7000 All Programmable SoC。Zynq-7000 All Programmable SoC完美集成了1GHz 雙核 Cortex A9處理器子系統(tǒng)和FPGA架構(gòu)(如圖6所示)。SoC子系統(tǒng)內(nèi)置SPI、I2C、UART、CAN、USB、GigE MAC等常見外設(shè)和接口，以及通用存儲器接口。高帶寬AMBA AXI互聯(lián)用于處理器子系統(tǒng)和FPGA之間的直接連接，以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)互聯(lián)。此外，Zynq器件采用靈活的IO標(biāo)準(zhǔn)，便于連接外部器件。

圖6：Zynq-7000 All Programmable SoC由嵌入式雙核Cortex A9處理器子系統(tǒng)(灰色)和可編程FPGA邏輯(黃色)組成，為馬達(dá)控制提供一款終極平臺，可在軟/硬件模塊間實(shí)現(xiàn)無縫互操作性。

Zynq-7000 AP SoC經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，在單個(gè)芯片上即可提供一款最佳的馬達(dá)控制平臺。Cortex A9處理器可用于運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)軟件協(xié)議棧、操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用代碼。它們均以軟件方式運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)對器件的總體應(yīng)用管理。對于FOC算法、調(diào)制實(shí)現(xiàn)方案和供工業(yè)網(wǎng)絡(luò)使用的定制MAC等關(guān)鍵性功能模塊，最好在FPGA架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)，以便發(fā)揮硬件加速和高速計(jì)算優(yōu)勢。由于嵌入式處理器和FPGA架構(gòu)集成在單個(gè)器件中，可以靈活選用軟/硬件架構(gòu)。