永磁同步电机控制系统仿真系列文章——控制器模型（2）

上一篇文章对于控制器模型的整体结构进行了讨论，包括两部分：

（1)       PWM比较器，仿真频率一般大于10MHz，在实际项目中一般通过DSP或者Micro Controller的外设，亦或者通过FPGA来实现。

（2)       控制算法部分，包括SVPWM算法、FOC控制算法，最大转矩电流比，和死区补偿算法等，仿真频率一般为开关频率的1倍或者2倍。例如开关频率为6kHz，那么控制器模型的仿真速率可以是6kHz或者12kHz，具体选择6kHz还是12kHz，就与将来选择的处理器的性能相关了。

本文是关于控制器模型的第2篇文章，主要讨论PWM比较器的Simulink模型。

关于整个系统文章的内容请参考第一篇文章：

永磁同步电机控制系统仿真系列文章——永磁同步电机模型（1）

—— PWM 比较器的功能 ——

还是以本系列文章中，用到的三相两电平逆变器为控制对象。下图是正弦波调制（SPWM）的三相两电平逆变器的波形[1]。输入的是三相的正弦波信号，三角载波与正弦信号波进行比较，当正弦信号波的值大于三角载波的值，输出“1”，否则，就输出“0”；PWM比较器一共生成6个PWM信号，控制6个IGBT的开通和关断。PWM比较器输出“1”控制IGBT开通，“0”信号IGBT关断。控制逆变器输出的三相相电压和三相线电压如下图所示。

对于三相两电平逆变器，为了防止上下桥臂同时导通而短路，PWM比较器还需要插入死区时间。

此外，为了让电流、速度和位置采样与PWM占空比的更新同步，以及控制器算法模型的触发运行，必须还有中断触发信号生成功能。

因此整个PWM比较器包括四部分

1. 三角载波生成；
2. 信号比较，生成PWM控制信号；
3. 插入死区时间；
4. 中断触发信号生成；

正弦波调制（SPWM）的三相两电平逆变器的波形

—— 三角载波生成 ——

因为三角载波生成的模型是在FPGA中运行的，因此数据类型需要整型。

最方便的方法就是使用Simulink的HDL Coder模型库中的HDL Counter模块。通过控制输入端口dir控制HDL Counter模块的计数方向。

HDL Counter模块

示例模型如下：

三角载波生成的Simulink模型

仿真步长为1e-8，Relay 模块的Switch on point为10000，Switch off point为0，输出“0”或者“1” 控制HDL Counter模块的计数方向，生成0~10000的三角波，频率为5kHz。

三角载波信号

—— PWM信号生成 ——

三角载波与信号波进行比较，当信号波的值大于三角载波的值，输出“1”，否则，就输出“0”；PWM比较器一共生成6个PWM信号，控制6个IGBT的开通和关断。此功能的Simulink模型如下

PWM信号生成的Simulink模型

—— 死区时间 ——

通常死区时间的插入通过增加PWM信号的开通延时实现的，简单说就是：如果PWM信号由“1”变“0”，即由开通变为关断，则马上关断；如果PWM信号由“0”变“1”，即由关断变为开通，则延时T_delay再开通；此功能的Simulink模型如下，C_delay端口为输开通延时计数值。

死区时间的Simulink模型

—— 中断触发信号生成 ——

此功能比较简单，Simulink模型如下图所示，在三角波的底点和顶点都产生中断，如果只在底点或者只在顶点，可以根据需要修改即可。

中断触发信号生成的Simulink模型

以上模型皆可以通过Simulink的HDL Coder工具生成HDL代码，部署至Speedgoat的FPGA板卡。

——参考文献——

[1] D. Grahame Holmes et al. “Pulse Width Modulation for Power Converters: Principles and Practice.” IEEE® Press 2003.