利用完全可编程平台实现高效马达控制

图2: 调制原理图

为弥补正弦调制造成的损耗，空间矢量PWM(SVPWM)调制法运营而生。SVPWM可以提供1/√3 Vdc=0.5773 Vdc的电压。与正弦调制类似，SVPWM也能让马达平稳运行。在调制原理图上，这表示为红圈的外圈。图3是正弦调制法和SVPWM调制法的波形对比。

图3：正弦调制法和SVPWM调制法的波形对比

正弦调制法和空间矢量调制法均使用脉冲宽度调制(PWM)技术，一种最为常见的工业调制技术。但是脉冲宽度调制使用固定的调制频率，通过改变脉冲宽度来调节对供电电压的控制，故谐波的出现是个问题。谐波是EMI、马达振动的原因，也是一种能量损耗。

为抑制谐波，可以使用另一种调制方法，即使用脉冲频率调制(PFM)。脉冲频率调制可让少量脉冲保持固定宽度，并根据所需的值按不同周期(频率)进行调制。这种调制方法可以减少谐波，因谐波会分散到所有频率上。

图4和图5即为对PWM和PFM的FFT(快速傅里叶变换)频率分析的对比情况。可以清楚地看到PFM可以消除第三次谐波失真。

图5：脉冲频率调制方案中产生的谐波可分散到所有频谱上。看不到谐波尖峰。实现方案

市场上已经有用于三相马达的磁场定向控制实现解决方案。除了实现复杂的算法，设计人员还应考虑该实现方案能否在马达运行中在SVPWM、正弦PWM和FPM等不同调制方案间实时切换。其他需要考虑的方面有：

- 使用同一器件控制多轴

- 集成实时网络协议和更新

- 功能安全设计

要达到本文描述的性能，可以选用Zynq-7000 All Programmable SoC。Zynq-7000 All Programmable SoC完美集成了1GHz 双核 Cortex A9处理器子系统和FPGA架构(如图6所示)。SoC子系统内置SPI、I2C、UART、CAN、USB、GigE MAC等常见外设和接口，以及通用存储器接口。高带宽AMBA AXI互联用于处理器子系统和FPGA之间的直接连接，以实现高速数据互联。此外，Zynq器件采用灵活的IO标准，便于连接外部器件。

图6：Zynq-7000 All Programmable SoC由嵌入式双核Cortex A9处理器子系统(灰色)和可编程FPGA逻辑(黄色)组成，为马达控制提供一款终极平台，可在软/硬件模块间实现无缝互操作性。

Zynq-7000 AP SoC经过精心设计，在单个芯片上即可提供一款最佳的马达控制平台。Cortex A9处理器可用于运行网络软件协议栈、操作系统以及用户的应用代码。它们均以软件方式运行，可实现对器件的总体应用管理。对于FOC算法、调制实现方案和供工业网络使用的定制MAC等关键性功能模块，最好在FPGA架构中实现，以便发挥硬件加速和高速计算优势。由于嵌入式处理器和FPGA架构集成在单个器件中，可以灵活选用软/硬件架构。