硕士学位论文-基于FPGA的数字化通用PWM控制器设计.pdf

y 7 7 s 5 3 6 p j t t 大学 硕士学位论文 题目基士鲤坠煎墼主垡适圈里型蕉壹! l 墨遮盐 作者鱼鱼凰完成日期：! q ! 生! 眉 培养单位里脚盘堂 指导教师黄金蕊煎撬 专业 垫虚垫鱼垫盎垡壹 研究方向垫左垫塑塑塾盟控垃划 授予学位日期窒q q 墨年月日 四j j l 大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) y 7 7 s 5 3 8 基于f p g a 的数字化通用p w i v l 控制器设计 电力电子与电力传动专业 研究生何西凤指导教师黄念慈 如今电力电子电路的控制旨在实现高频开关的计算机控制，并向着更高频 牢、更低损耗和全数字化的方向发展。现场可编程门阵列器什( f i e l d p r o g r a r r 】1 1 1 a b eg a t ea r r a y s ) 是近年来崭露头角的一类新型集成电路，它具有 简洁、经济、高速度、低功耗等优势，又具有全集成化、适用性强，便于丌发 和维护( 升级) 等显著优点。与单片机和d s p 相比，f p g a 的频率更高、速度更 快，这些特点顺应了电力电子电路的日趋高频化和复杂化发展的需要。因此， 在越来越多的领域中f p g a 得到了r 益广泛的发展和应用。 本文提出了一种采用现场可编程门阵列( f p g a ) 器件实现数字化通用p v k l 控制器的方案。该控制器能产生多路p w & i 脉冲，具有丌关频率可调、各路脉冲 间的相位可渊、接口简币、响应速度快、易修改、可现场编程等特点，可应用 rp w m 的全数字化控制。文中对方案的实现进行了比较详细的论述，包括a d 采样控制、p 1 算法的实现、p w m 波形的产生、各模块的工作原理等。 本文还提出一种新型z c t p l v mb o o s z 变换器，详细的分析了该变换器的工 作过程，并采用基于f p g a 的数字化通用p w m 控制器对这种软卅关b o o s t 变换 器进行控制，给出了比较完满的实验结果。实验结果验证了该控制器以及孩z c t b o o s t 变换器晌可行性和有效性， 关键词：f p g ap 州控制电路全数字化控制变换器z c t p q 川大学硕上学位论且( 2 0 0 5 ) d e s i g no fd i g i t a lg e n e r a lp w m c o n t r o h e rb a s e do i lf p g a p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e p o s t g r a d u a t et t ex i f e n gs u p e r v i s o rh u a n g n i a n c t o d a yt h ec o n t r o lc i r c u i to fp o w e re l e c t r o n i c si st or e a l i z ec o m p u t e rc o n t r o lo f h i 曲f r e q u e n c ys w i t c h e s i ti sd e v e l o p e di nt h ed i r e c t i o no f h i g h e rf r e q u e n c y 、l o w e r c o n s u m p t i o na n df u l ld i g i t a l i z a t i o nf p g a ( f i e l dp r o g r m n m a b l eg a t ea r r a y s ) i s a n e w t y p eo f i c ( i n t e g r a t e d c i r c u i t ) i nr e c e n t y e a r s i th a sa d v a n t a g e so f c o m p a c t n e s s 、 e c o n o m y 、h i 曲s p e e d 、l o wc o n s u m p t i o n 、f u l li n t e g r a t i o na n dg o o da p p l i c a b i l i t y i ti s e a s yt o b ed e v e l o p e da n db em a i n t a i n e d f p g ah a sh i g h e rf r e q u e n c ya n df a s t e r s p e e di nc o m p a r i s o nw i t hm c ua n dd s rt h e s ea d v a n t a g e sc o n f o r mt ot h en e e do f p o w e re l e c t r o n i c s c o n t r o lc i r c u i t sd e v e l o p i n gi nt h ed i r e c t i o no fh i g hf r e q u e n c ya n d c o m p l i c a t i o ni n c r e a s i n g l y s ot h i st y p eo fa p p a r a m sw a sd e v e l o p e da n da p p l i e di n m o r ea n dm o r ef i e l d s t h ep a p e ri n t r o d u c e sd e s i g no fp w mc o n t r o lc i r c u i tb a s e d0 nf p g a t h i s c i r c u i tc a np r o d u c em u l t i p l e - p a t hp w m p u l s e si th a sa d v a n t a g e so fm o d u l a rs w i t c h f r e q u e n c ya n dd e l a yt i m e 、s i m p l ei n t e r f a c e 、f a s tr e s p o n s e 、f l e x i b l em o d i f i a b i l i t y a n dp r o g r a m m i n go nl i n e i tc a l lb ea p p l i e dt os o f t - s w i t c n n gc i r c u i tt h er e a l i z a t i o n o ft h ep , - o j e e lw a sd i s c u s s e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gc o n t r o lo fa ds a m p l e 、r e a l i z a t i o no f p ia r i t b l r n e t i c g e n e r a t i o no fp w mw a v e f o r m sa n dp r i n c i p l eo fm o d u l e s an o v e lz c t - p w mb o o s tc o n v e n e rw a sp r o p o s e d t h e o p e r a t i o no ft h e p r o p o s e dc o n v e r t e ri sa n a l y z e di nd e t a i l t h ed i g i t a lg e n e r a lp w m c o n t r o l l e rw a s u s e d1 0c o n t r o lt h i ss o f t s w i t c h i n gb o o s t t h ep e r f e c tr e s u l t so f e x p e r i m e n ta r eg i v e n t h er e s u l t so l 、t h ee x p e r i m e n td e m o n s t r a t ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r o l l e r a n dt h ec o n v e r t e r k e y w o r d s ：f p g a p w mc o n t r o lc i r c u i tf u l ld i g i t a lc o n t r o l c o n v e r t e r sz c t 叫j i i 大学烦十学位论文( 2 0 0 5 ) 1 既l 丕 11 电力电子电路的数字化控制技术 电力电子器件经历了工频、低频、中频到高频的发展历程，与此相对应， 电力电子电路的控制电从最初以相位控制为手段的由分立元件组成的控制电路 发展到集成控制器，再到如今的旨在实现高频开关的计算机控制，并向亳更高 频本：、更低损耗和全数字化的方向发展。模拟控制电路存在控制糙皮低、动念 响应慢、参数整定不方便、温度漂移严重、容易老化等缺点“。专用集成控制 芯片的出现人大简化了电力电子电路的控制线路，提高了控制信号的丌关频率， 只需接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调节器，提高了电路的 可靠性。但矿是由于阻容元件的存在，模拟控制电路的固有缺陷，如元件参数 的精度和致性、元件老化等问题仍然存在。此外，模拟集成控制芯片还存在 功耗较大、集成度低、控制不够灵活、通用性不强等问题。 用数宁化控制代管模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克 服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过软件程序的改变方便地调 节控制方案和实现多种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结 构，从而提高系统的可靠性。 在电力电子电路中，单片机主要用作数据采集和运算处理、电流电压调节、 p 州信号生成、系统状念监控和故障自我诊断等，一般作为整个电路的 控芯 片运行，完成多种综合功能。单片机控制克服了模拟电路的固有缺陷，通过数 宁化的控制方法，得到高精度、高稳定度的控制特性，并可实现多种灵活的控 制功能。但单片机的工作频率和控制精度是对矛盾，而且处理速度难以满足 高频电路的要求。 与单片机相比，d s p 具有更快的处理速度、更高的集成度和更大容量的存 储器。衽电力电了装置中，d s p 主要完成主电路控制、系统实时盼摔及保护、 系统通信等功能。应用的具体电路包括双向d c d c 变换器“3 、逆变电源1 、光 伏发电逆变器、u p s 逆变控制电路、交流电机调速电路、谐波抑制电路等。虽 然d s p 自湃多优点，但也存在些局限性，如采样频率的选择、p w m 信号频率 及其精度、采样延时、运算时问及其精度等。这些因素会或多或少地影响电路 的控制性能。 四川1 大学顿+ 学位论文( 2 0 0 5 ) 比较向言，d s p 适合取样速率低和软件复杂程度高的场合；而当系统取样 速率高( h z 级) 、数据率高( 2 0 m b s 以上) 、条件操作少、任务比较同定时， f p g a 更有优势”= 。f p g a 已用于逆变器控制系统、直流电机调速、p w m 捧制”“l 等。 目前单片机、d s p 、f p g a 等在电力电子电路的控制系统中得到了f 益厂泛 的应用。随着r 乜力电子电路的日趋高频化和复杂化，这些芯片的竹一采用待往 雉以达到期望的控制效果，因此，各种控制芯片的混合使用将成为控制电路的 一个重要发展趋势。 i ) 单片机+ d s p 结构比如，在u p s 中，d c d c 、a c d c 的控制可以采用单片 机，而d c a c 的控制则采用运算速度和频率更高的d s p 芯片。 2 ) d s p + f p g a 结构d s p 具有软件的灵活性，而f p g a 具有硬件的高速性，能 够处理复杂算法。因此，本结构有助于在设计中协调软、硬件之间的关系。 ：j ) 嵌入d s p 模块的f p g a 将具有基本数字信号功能的d s p 模块嵌入到f p g a 中，这样f p g a 提供的d s p 性能可以达到每秒1 2 8 0 亿m a c ( 乘法并累加) ，将大 大高于同前主流d s p 的性能。 数亨化拎制已广泛应用于电力电子电路的各个方面，满足了电力电子电路 h 趋高频化和复杂化发展的需要，在提高系统效率、改善系统性能”1 1 等方面发 挥着越来越重要的作用。 1 2 软开关变换器的发展 8 0 年代以来，电力电子技术得至i j i r 飞速发展，其在各种电气自动化系统和 电摔装置中的应片j 也同益广泛。各种自关断器件不断涌现，性能不断改善，容 量也不断增人。电力电了装置的应片j 范围也从传统的t l k 、交通、电力等部门 扩人到信启、及通信、家用电器以至空间开发等各个领域”1 。以p w m 控制为代表 的、采用数字控制的电力电子装置性能f 趋完善。3 。但传统p w n 变换器中的丌 关器i ft - 作在硬丌关：状态，但硬丌关存在：由于电压、电流波形的交巷使丌关 器件的”通和关断损耗随开关频率的提高而增加：开关器件关断r j ，由于电路 巾感性元件的存在使得通过该感性元件的d i d t 很大，感应出很高的火峰电j l ! 加存f 关器件两端，易造成电压击穿；由开关器件结电容引起的容性丌通问题： 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 二极管反向恢复等问题1 “。 克服以上缺陷的有效办法就是采用软开关技术( s o f ts w i t c h in g ，简称s s ) 。 所谓软丌关主要是针对p w m 硬开关而言的，就是通过电感和电容的i 皆振使丌关 器件中f j l 关管的电流( 或两端的电压) 按正弦或准正弦规律变化，当电流自然 过零时，使器件关| ：i ；斤，当电压下降到零时，使器件导通。应用软丌爻技术的变 换器，综合了p w m 变换器和谐振变换器两者各自的优点，通常具有接近理想的 特性，诸如低丌父损耗、恒频控制、合适比例的储能元件尺寸等。 目前，软丌关技术在d c d c 变换器中的应用可分为谐振型丌关变换器、软 刀关变换器利零过渡软开关三类“。 谐振型开关变换器包括准谐振( z c sq r c 或z v s q r c ) 和多谐振变换器 ( z v s m r c ) 。 1 ) 准喈振变换器q r c ( q u a s i r e s o n a n t c o n v e r t e r s ) 。包括z c so r c 和 z v s q r c ，文现了零电流和零电压的开关。其主要缺点是不能同时实现角源丌关 管( a c l i v es w i t c h ) 和无源开关管( p a s s i r es w i t c h ) 软开关条件的最优化； 开关管的应力大，其中z v s q r c 中有较大的电压应力，z c sq r c 中有较大的电 流应力；z c s q r c 和z v s q r c 是靠调节开关频率来实现对输出的调节，即变频 控制，而变压器和电感等磁元件要按最低频率计算，难以实现设训最优化。 2 ) 多谐振变换器m r c ( n l u l t i r e s o n a n tc o n v e r t e r ) 。一般为z v s m r c ，把 包括晶体管的输出电容、二极管的结电容和变压器的漏感在内的所有主要寄生 儿什并入谐振电路，使m r c 工作于高频时，对所有半导体器件都能具有最合适 的零电压丌关条件。其主要缺点是：与p w m 变换器相比，电压和电流应力增加， 但与q r c 相比要小。 软外关变换器，包括零电压p w m ( z v sp w m ) 型和零电流p w m ( z c s p w m ) 型。 恢变换技术是p w m 技术与z v s ( 或z c s ) 技术的综合。z c s u p 帆和z v s p w m 变换器 是分别在z c s q r c 和z v s q r c 的谐振网络中增加辅助开关，其特点是一周期内 变换器交酱运行于q r c 利p w m 两种变换器模式，实现“零丌关一厘频控制”的 零外关p w m 变换器。这类变换器的谐振电感串联在主电路r f l ，因此零开关条 件与电源l 乜口! 和负载电流的变化范围有关，在轻载条件卜有可能失去零f 关条 件，从而限制了软丌关输出范围。 阳川大学颐+ 学位论j l ( 2 0 , 0 5 ) 零过渡软丌关，包括零电压过渡p 删( z v tp w m ) 和零电流过渡p w m ( z c t p w ) 变换器。它们是在t q s p w m 和z c sp 洲变换器的基础上，将谐振网络与主丌关 管并联形成的，而与z v sp w m 和z c s p n i v l 变换器相比，该类变换器能在更宽的 电源电压和负载电流变化范围内满足零开关条件。 以上所述的几种软开关技术的发展及其应用归纳于表卜1 中： 表1 - 1 软开关变换技术的发展和应用 时间名称应州 t 0 年代串联或并联谐振技术、；，桥或全挢变换器 8 0 年代中准谐振或多谐振技术单端或桥式变换器 8 0 年代末z c s - p w m 或z v s p w m 技术单端或桥式变换器 8 0 年代末移相全桥z v s p w m 技术全桥变换器2 5 0 w 以上 9 0 年代初z c t p w m 或z v t - p v n 技术单端或桥式变换器 采用软丌灭后，由于开关频率较少受n - ) f 关损耗的限制，因而大人提高了 开关器件的工作频率，减小了丌关器件的散热器体积，大大减小了变换器的体 积和重量，提高了变换器工作可靠性和效率，同时使得输出纹波降低，提高输 出纹波频率，使输出滤波电感和输出滤波电容减小。 1 3p w m 型d c d c 变换器控制方法 p w m 型叭一d c 变换器是一个强非线性离散系统”1 。由于开关器件在一个周期 内既工作住饱利区又工作在截止区，系统是按时间分段线性的，时变的。外部 瞬各或持续扰动会引起变换器工作状态参数的非线性变化。脉宽调制器具有饱 币u 4 b - 线性，系统存工作时占空比有上限和下限。系统是离散系统，其控制部分 有脉宽调制器，存每一个丌关周期内，通过驱动器控制开关通断一次控制是 小连续的。p w m 型d cd c 变换器的控制目的是：( 1 ) 稳态下保证直流输出电压 稳定，输出误差为零；( 2 ) 具有低输出阻抗和低音频衰减率，瞬态响应好：( 3 ) 控制系统对电路参数的不确定性具有强的鲁棒性。 目i u ，d c d c 变换器有多种控制方法，如双线性理论、滑模变结构控制、 p q j 大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 白适应控制、智能控制、模糊神经网络、重复控制、数字p i d 控制等，现将儿 种 要的控制方法介绍如下： ( 1 ) 取线性埋论双线性理论属于非线性理论“。范畴。双线性理论模型较 小信号线| 生化模型肯更大的适用范围。在该模型的基础上应用l y a p u n o v 方法， 采用状态反馈控制，对负载扰动具有较强的抗扰能力，但若考虑输入电压扰动， 分析将十分复杂。 ( 2 ) 滑模变结构控制该控制系统能在保证稳定性的同时，具有快速响应， 而且对参数变化不敏感，不受某些外部扰动的影响。虽然滑模摔制实现较简单， 但其主要缺点是开关频率不固定，输出纹波较大，对滤波器的设计要求较高。 ( 3 ) 自适应控制由于系统参数是不精确的、变化的，采用该控制系统能 有效的克服控制器参数和实际参数不匹配的问题；再则，尽管p w i i 的，：关频率 通常很高，实际上对变换器的控制仍是不连续的，使用连续的占空比合成器代 替实际离散的p 1 l v m 控制器，系统的实际行为必然会受到有限开关频率的限制， 不与预测的连续平均行为相同，自适应控制还能有效地克服该类建模误差。但 由于d c d c 变换器的开关频率高，实时性是这类控制实现的主要难点。 ( 4 ) 模糊控制控制系统的传统设计方法依赖于系统数学模型和参数的艋 式描述。但对象模型常常是未知的或难以定义的，即使模型是己知的，而参数 确是不确定的或变化的。模糊控制从本质上看基本上是自适应的，在处理这类 问题时可以增强系统的鲁棒性。模糊控制规则是根据控制目标逐步试探得卅的。 但这类控制缺乏分析和发计控制系统的系统方法，而且不能保证规则库的完整 性，以及在选择隶属度函数的形状、重叠度和量化水平时缺少明确的判据。 ( j ) 重复控制”重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理 ( 1n t e r 【1 a lm o d e lp r i n c i p l e ) 。内模原理是把作用于系统的外部信号的动力学 模型植入控制器以构成高精度反馈控制系统的种设计原理。该原理指：篇 要求个反馈拧制系统具有良好的跟踪指令和抵消扰动影响的能力( 即稳夺时 误差趋 零) ，并且这种刈误差的调节过程是结构稳定的，则在反馈控制同路内 部i 必须包括一个描述外部输入信号( 含指令信号和扰动信号) 动力学特性的数 学模型。这个外部信号的数学模型就是所谓的“内模”( i n t e r ns t l 一m o d e l ) 。从 理解的角度石，内模原理的个直观而简练的表达是：好的控制器应该包含有 四j i i 大学硕+ 学位论文( 2 0 0 5 ) 外部世界的一种模型。积分控制就是内模原理的一个应用。但对建模的精确丰牛 要求高，系统的稳定性与高次谐波抑制能力存在矛盾，收敛速度问题也是存系 统设训中要考虑的问题之一。 ( 6 ) 数字p t d 控制该控制将在第二章做详细介绍。 i 4e d a 简介 e d a ( e l e c lr o n i c sd e s i g na u t o m a t i o n ) 即电子设计自动化技术，是砰中 以计算机为基础的工作平台：是利用电子技术、计算机技术、智能化技术等多 种应用学科的最新成果，开发成的一整套电子c a d ( 计算机辅助设计) 软件； 是一种帮助电子设计工程师从事电子元件产品和系统设计的综合技术。”。 1 4 1e d a 技术的发展历程 e d a 技术的发展经历了一个由浅到深的过程，e d a 技术的发展可以分为j 个阶段“、“1 。 2 0i 廿纪7 0 年代，在集成电路制作中m o s ( m e t a l o x i d es e m i c o n d u c t o r ，金 属氧化物半导体) 工艺得到广泛应用，可编程逻辑技术和器件己经问世，称为 c a d ( 计算机辅助设计) 阶段。随着中小规模集成电路的开发应用，传统的手工 制图设计即印制电路扳和集成电路的方法已无法满足设计精度和效率的要求。 因此工程师们开始进行二维平面图形的计算机辅助设计，以便解脱复杂、机械 的版图设计i 作，这就产生了第一代e d a 工具。 到，2 0f 纪8 0 年代，集成电路开始大量采用c m o s ( c o m p e m e n t a y y l a l o x id es e m i c o n d u c t o r ，互补金属氧化物半导体) 技术，电子设计进入c a e ( i p 算机辅助l 挥) 阶段。这一阶段臼勺e d a 技术适应r 电予产品在规模和设计卜的 需要，以i l 算机仍真和自动布线为核心技术。其特点是以软什二r i 具为核心，通 过这些软件完成产品丌发的设计、分析、生产和测试等各项工作。 2 0 世纪9 0 下代后，靠成电路达到超深亚米水平，为e s d a ( 电子系统设计 自动化) 阶段。在前两个阶段中，虽然c a d c a e 技术已经取得了匕大成功，但 是设计人员仍然无法从繁重的设计工作中解脱出来，因此在设计过程中自动化 和智能化的程度还 ：高。而在本阶段随着i i d l 标准化的进一步确立，各e d a 软 6 p q 川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 件界面友好，本阶段的e d a 技术以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特 褂。它们的m 现极大地提高了系统设计的效率，使广大的电子设计师丌始实现 “概念驰动j ：程”的梦想。设计师们摆脱了大量的辅助设计工作，而把精力集 l 卜| 十创造性的方案与概念构思上，从而极大地提高了设订效率，缩短了产品的 研制周期。 e d a i 具的出现给电子系统设计带来了革命性的变化。随着p e n t i u i i i 处理 器的推出，f p g a ( f ie l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程门阵列) 的上 市，以及大规模芯片组和高速、高密度印刷电路板的应用，e d a 技术在功能仿 真、时序分析、集成电路自动测试、高速印刷电路板设计及操作平台的扩展等 方面将面临着新的挑战，这也是新代e d a 技术未来的发展趋势。 14 2e d a 技术的特点及应用范围 总的来说，现代e d a 技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿 真和综合能力。现代的e d a 技术的主要特征。如下： 设计与法一般采用自顶向下的流程。 采用f d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，硬件描述舌言) 输入和描 述。它更适合描述人规模的系统，能够使设计者在系统级的抽象层次上对系统 的结构、功能、行为进行方便规范的描述。目前最为广泛使用的硬件描述语言 是v e r il o gh d l 和v t t d l ( v h s i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，超高速集成 电路硬件描述语言。) ，它们都被纳为i e e e 标准。 。强人的高层综合能力。e d a 工具能够在系统级进行综合与优化，以体现 自顶向下的设计力法，可以说这是当代e d a 技术的核心。它大大提高了设计效 率，缩短j7 设计周期。目前比较优秀的系统级综合软件是s y n o p s y s 公一j 的 b e h a v i o r a lc o m p ile f 。 。丌放的丌发坏境和标准的数据库。e d a 工具采用统一的框架结构，将各 种软件包集成俚易于使用的统一环境卜，实现了资源共享。这特点馒不同的 发计单位和制造j 商能够共同研制电子系统，提高了e d a 的设计效率和灵活性。 并行设计乃式。现代的e d a 技术都建立了并行框架结构的丌发环境，可 以支持讷多设汁尊奇同时进行设计工作。 p u j i f 大学硕上学位论文( 2 0 0 5 ) 当代的e d a 技术应用于电子设计的方方面面。可以说没有e d a 技术，今天 的电子慢计就完全没法进行。具体来说，e d a 技术大体分为三方面的应用： a s l c ( a p p lic a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，专用集成电路) 设计。 - s o c ( s y s t e mo nac h ip ，系统芯片) 设计。 p c i i ( p r in t e dc i r c u i tb o a r d ，印刷电路板) 设计。 15 本文所做的工作 任p w m 控制中，特别是软丌关的p w m 控制，对各驱动脉冲的时序桐何 有特殊的要求，一般集成p v v w i 控制电路很难满足，为此，本文提出了一种采 用现场可编程门阵列( f p g a ) 器件实现数字化通用p w m 控制器的方案。该控 制器能产生多路p w m 脉冲，具有开关频率可调、各路脉冲间的相位可调、接 口简单、响应速度快、易修改、可现场编程等特点，可应用于p w m 的全数字 化控制。文r r | 对方案的实现进行了比较详细的论述，包括a d 采样控制、p i 算法的艾现、p w m 波形的产生、各模块的工作原理等。并针对一软丌关b o o s t 变换器进行_ r 实验，给出了比较完满的实验结果。 四川人学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 2 基于f p g a 的数字化通用p w m 控制器设计 21e d a 设计流程 一个完整、典型的e d a 设计流程既是自顶向下设计方法的具体实施途径， 也是e d a1 具软件本身的组成结构。图2 1 是基于e d a 软什的f p g a c p l d 丌发 流程框图，x , 1 丁目前流行的e d a 工具软件，图2 1 的设计流程具有一股性“。 图2 1 应用于f p b a c p l d 的e d a 开发流程 将电路系统以一定的表达方式输入计算机，是在e d a 软付平台上对 f p g a c p l d 丌发的最初步骤。通常，e d a 工具的设计输入可分为图形输入利文 本输入两种类型，其中图形输入包括原理图输入、状态图输入和波形【刳输入i 种常用万法。 综合( s y n lh e s is ) ，对电子设计领域而言，就是把行为和功能层次表达的 电了二系统牝换为低层次的便于具体实现的模块组合装自e 完成的过程，设计过程 通常从高层次的行为描述丌始，以最低层次的结构描述结束，每一步j 称为一 个综合环节。利用e d a 软件系统的综合器可以把v h d l 的软件设计与硬件的。f 丈现性挂钩。综合器就足能够自动将一种设计形式向另一种设计表示形式转化 的计算机程序，或协助进行予工转换的程序。刘丁_ 不同的v h d l 表述，综合器 可以用不同的电路结构实现相同的功能。对实现十月同功能的设计米浇，采闩j 不 同的设计方式所占用的芯片资源也大不相同。 心川人学预十学位论文( 2 0 0 5 ) 适配的过程就足目标器件的布线，在逻辑综合后必须利用适配器将综合后 的网表文件配置于制定的目标器件产生最终的f 载文件，包括底层器件配置、 逻辑分割、逻辑优化、逻辑布局布线操作。配置对象直接与器件的结构细节相 对应。 仿真( s i m u l a g i o h ) 是指在电予系统设计的过程中用来对设计者的硬件描 述和设计结果进行查锚、验证的一种方法。 在编译、综合、适配和仿真以后，若没有发现问题，即满足原设计的要求， 就可以把适配厉生成的下载或配置文件，通过编程器或编= | ：军电缆向目标芯片 f p g a c p l d 进行下载，以便进行硬件测试和验证。通常，将对c p ，d 的f 载称为 编程( p r o g r a m ) ，对f p g a 的s r a m 进行直接下载的方式称为配置( c o n f i g u r e ) 。 2 2 控制系统框图 本设计选用了a l r e r a 公司开发的q u a r t u s i l 4 0 软件丌发工具，采用了模 块化的设计思想，设计出的模块修改方便，不影响其他模块，且可重复使用。 设计中将所有的数字电路以语言编程与原理图相结合的方式全部集中在f p g a 中，使外部电路减少到最少程度。采用本控制器可方便、灵活地产生多路p w m 脉冲列，可以灵活地文现脉冲列之间的任意相位关系，对p w md c 【) c 变换器的 控制具有通用性强的特点。 图2 2 示出了本控制系统的基本原理。由图2 2 可知，该控制系统包括a d 采样控制、控制算法实现和p w m 波形产生三个单元。这些单元均以系统时钟为 基准。 输出电j t l h 反馈阜 多路蠊 f p g a 控制器 图2 2 控制系统原理框图 脉冲 四j i | 大学硕+ 学位论文( 2 0 0 5 ) 2 3 现场可编程门阵列器件f p g a ：c y c lo n e 简介 2 ，3 1f p g a 简介”6 1 f p g a 是页义f ie l dp r o g r a r m n a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程门口，r 列，它足在p a l ( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ，可编程阵列逻辑器件) 、g a l ( g e n e r i ca r r a yl o g i c ，可编程通用阵列逻辑器件) 等可编程器件的基础上 进一步发展的产物。它是作为专用集成电路( a p p i c a t i o ns p e c i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ，a s l c ) 领域中的一种半定制电路而m 现的，既解决了定 制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 目前大多数f p g a 是基于查找表( l o o k u pt a b ! e ，l u t ) 结构的，在f p g a 中多使用4 输入的l u t ，所以每一个l u t 可咀看成一个有4 位地址线的1 6 x l 的 r a m 。当用户通过原理图或h d l 语言描述了一个逻辑电路以后，c p l d f p g a 开 发软件会自动汁算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入r a m ，这样， 每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址刘应的 内容，然后输出即可。现场可编程门阵列( f p g a ) 属于可重构器件，其内部逻 辐功能可以根据需要任意设定。其结构主要分为三部分：可编程逻辑块、可编 程i o 块、可编程内部连线。由于f p g a 的集成度非常大，一片f p g a 少则几千 个等效门，多则几力或几十万个等效门，所以一片f p g a 就可以实现非常复杂 的逻辑、替代多块集成电路和分立元件组成的电路。 由于l u 1 车要适合s r a m 工艺生产，所以目前大部分f p g a 都是基于s r a m 工艺的，而s r 纵1 二岂的芯片在掉电后信息就会丢失，一定需要外加一片与邢 配置芯片，任上屯的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到f p g a 中，然后 f p ( ；a 就i i j 以正常工作，由于配置时间很短，不会影响系统正常工作。 加电叫，f p ( i a 芯片将e p r o m 中数据读入片内编程r a m 中，配置完成后，f p g a 逍入_ 作状态。掉电后，f p g a 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，f p ( ；a 能够反复使用。 f p ( ；a 是山存放在片内r a m 巾的程序来设置其工作状态的，困此，工作叫需 要对片内的r a m 进行编程。用户町以根据不同的配置模式，采用彳i 同的编辑方 式。f p g a 有多种配置模式：并行主模式为一片f p g a 加一片e p r o m 的方式；土 从模式可以支持一片p r o m 编程多片f p g a ；串行模式n _ | 以采用串行p r o m 编程 型坐查兰堡兰竺丝兰型鉴三一 f p o a ：外设模式可以将f p g a 作为微处理器的外设，由微处理器对其编挥。 f p o a 借助于硬件描述语言( h d l ) 来对系统进行设计，采用三个层次( 行 为描述、r 1 1 l ( r e g i s t e rt r a n s m i s s i o n l e v e l ，寄存器传输级) 描述、门级描 述) 的硬什描述和自上趸下( 从系统功能开始描述开始) 的设计风格，能刘二 个层次的描述进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计。 f p g a 的基本特点丰要有： 1 ) 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2 ) f p g al - j 做其它全定制或半定制a s i c 电路的中试样片。 ：5 ) f p ( j a 内部有丰富的触发器和i 0 引脚。 4 ) f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、丌发费用最低、风险最小的器件之 用。， 5 ) f p g a 采用高速c h m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、t t l 电平兼容。 6 ) 与数字器件相比，它具有简洁、经济、高速度、低功耗等优势，用户可 以通过现场编程和配置来改变其内部连接和元件参数，从而获得所需要的 r 乜路功能。 7 ) 而与普通模拟电路相比，它又具有全集成化、适用性强、便于，i ：发和维 护等显著优点。 8 ) 集成度高、使用灵活、处理速度快、效率高。 正是由于f p g a 的这些特点，才使得它在越来越多的领域得到了广泛的应 23 2c v c 【o n e 简介 本文采用的控制，占片是a l t e r a 公司推出的新一代低成本f p g a ：c y c l o n e ( 飓风) 。这是一款密度和性能的完美结合，低价格，中等密度的f p g a ，器件 基于成本优化的伞铜i 5 vs r a m 工艺，容量从2 9 t 0 至2 0 0 6 0d - n _ 辑- e - y ：，具 有多边2 9 4 9 1 2 6 ll 嵌入r a m ，见表2 1 。 1 2 四川人学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 表21o y c i o n e ：f p g a 的主要特点 f e a l u r ee p l c 3 p i c 4e p t c 6e p l c l 2f p t c 2 0 l e s2 9 1 04 0 0 05 9 8 0 1 20 6 0 2 0 0 6 0 m 4 kr a mb 。c k s ( 1 2 8t3 f ；b i t s )1 3 1 72 05 96 4 t 0 吲r a m b i t s 5 99 0 47 83 3 69 2 1 6 0 2 3 9 6 1 62 9 4 ，9 1 2 p l l s1 2222 m a x i m u mu s e ri 0p i n sf 7 1 0 4 3 0 1 1 8 52 4 90 0 1 c y c l o n ef p c - a 支持各种单端t o 标准，如l v t t l 、l v c m o s 、p c i 和s s l l 【2 3 。 通过1 v d s 和r s d s 标准提供多达1 2 9 个通道的差分i o 支持，每个l v d s 通道 高达6 4 0 m b p s 。c y c l o n e 器件具有双数据速率双数据率( d d r ) s r a m 和f c r a m 接 口的专用电路。c y c l o n ef p g a 中有两个锁相环( p l l s ) 提供六个输出和层次时 钟结构，以及复杂设计的时钟管理电路。c y c l o n ef p g a 器件系列的特征如表 22 所示： 表2 2o y oi o n ef p g a 器件系列的特征 i 特征说明 成本优化具有多达2 0 0 6 0 个逻辑单元，容量是以往低成本f p g a 的四倍。其逻辑资 的架构源可j h 来实现复杂的麻用。 嵌入，器什中m 4 r 存储块提供2 8 8 k b i t 存储容量，能够被配箕来支持多种操什校 存储器l ，包括r a m 、r o m 、f i f o 及单e ：1 和双口模式。 讣部存储器只有高级外部存储器接口，允许殴计者将外部单数据串( s d r ) s d r & m ，蚁 接l |数据率( d 1 3 r ) s d r a m 和d d rf c r a m 器件集成到复杂系统设计r h i而不会 降低数据访问的性能。 支持l v l ) s i 0 墨互兰坠! 望个兼容 v d s 的通道t 每个通道数据瘁高达6 4 0 l b p s 。 支持中端i 0支持荇种单端i 0 接门标准，如33 - v 、2 5 - v 、18v 、l y t t l 、l v c m o s 、 s s t l 干p c i 相、准，满足当前系统需求。 旧j i l 大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 表2 - - 2o y c i o n ef p g a 器件系列的特征( 续) l 特 l l说明 只有两个”i 编样锁相环( p l l ) 和八个全局时钟线，提供健全的时钟管坪和频 时钟管率合成功能，实现最人的系统性能。c y c i o n ep l l 具有多种高级功能，如频率 理电路合成、可编氍相移、可编程延迟和外部时钟输出。这些功能允竹设汁者管理内 部和外部系统时序。 接口科支持诸如p c l 等卑行、总线和网络接口，呵访问外部存储器件帮l 多种通信协议 协议如以太网办议。 只有健仝的j l 内热插拔和顺序上电支持，确保和上电顺序无关晌止前l 。作。这 热抵拔和一特性在上电前和上电期间起到了保护器件的作用并使r o 缓冲保持二态，止 上电1 序c y c l o n e 器件成为多电压系统及需要高可用性和兀余性应用的理想选择。 d s p 实现c y c l o n e 器件为在f p g a 上实现低成本数字信号处理( d s p ) 系统提供了理想的 平台。 串j i 配能瑚a l l e r a 新的串行配置器件进行配置。 置器什 n i o s1 i 系n i o sn 系，0 嵌入式处理器能够降低成本，增加灵活性，非常适合丁替代低成 列嵌八式本的分立微处理器。 处理器 支持i 业部分c y c l o n e 器什提供上业级渴度范围一d o 。c 至+ 1 0 0 。c ( 节点) 的产品，支 级温度持各种r 业廊川。 展渴腹部分c y cl o n e 器付达到扩展温度范围e _ 4 0 。c 至+ 1 2 5 。c ( 甘点) 。这些器竹 支持是需要j 厂展温皮范围和高质量产拈的i nc a b i na u t o m o t i v e 应州的理想选扦。 c v plo n e 器件具有丰富的逻辑资源和存储器资源、时钟管理电路以及高性 能的i o 资源。 c y c ic ) f i e 结构如图2 3 所示，垂直结构的逻辑币死( l e ) 、嵌入式存储块和 锁相j 环( p l l s ) 周崮环绕着i 0 单元( i o e ) ，高效的内部连线和低延时的州钟 网络，