利用完全可編程平臺實現高效馬達控制

圖2: 調制原理圖

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

圖3：正弦調制法和SVPWM調制法的波形對比

正弦調制法和空間矢量調制法均使用脈沖寬度調制(PWM)技術，一種最為常見的工業調制技術。但是脈沖寬度調制使用固定的調制頻率，通過改變脈沖寬度來調節對供電電壓的控制，故諧波的出現是個問題。諧波是EMI、馬達振動的原因，也是一種能量損耗。

為抑制諧波，可以使用另一種調制方法，即使用脈沖頻率調制(PFM)。脈沖頻率調制可讓少量脈沖保持固定寬度，并根據所需的值按不同周期(頻率)進行調制。這種調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。可以清楚地看到PFM可以消除第三次諧波失真。

圖5：脈沖頻率調制方案中產生的諧波可分散到所有頻譜上。看不到諧波尖峰。實現方案

市場上已經有用于三相馬達的磁場定向控制實現解決方案。除了實現復雜的算法，設計人員還應考慮該實現方案能否在馬達運行中在SVPWM、正弦PWM和FPM等不同調制方案間實時切換。其他需要考慮的方面有：

- 使用同一器件控制多軸

- 集成實時網絡協議和更新

- 功能安全設計

要達到本文描述的性能，可以選用Zynq-7000 All Programmable SoC。Zynq-7000 All Programmable SoC完美集成了1GHz 雙核 Cortex A9處理器子系統和FPGA架構(如圖6所示)。SoC子系統內置SPI、I2C、UART、CAN、USB、GigE MAC等常見外設和接口，以及通用存儲器接口。高帶寬AMBA AXI互聯用于處理器子系統和FPGA之間的直接連接，以實現高速數據互聯。此外，Zynq器件采用靈活的IO標準，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(灰色)和可編程FPGA邏輯(黃色)組成，為馬達控制提供一款終極平臺，可在軟/硬件模塊間實現無縫互操作性。

Zynq-7000 AP SoC經過精心設計，在單個芯片上即可提供一款最佳的馬達控制平臺。Cortex A9處理器可用于運行網絡軟件協議棧、操作系統以及用戶的應用代碼。它們均以軟件方式運行，可實現對器件的總體應用管理。對于FOC算法、調制實現方案和供工業網絡使用的定制MAC等關鍵性功能模塊，最好在FPGA架構中實現，以便發揮硬件加速和高速計算優勢。由于嵌入式處理器和FPGA架構集成在單個器件中，可以靈活選用軟/硬件架構。