（控制理论与控制工程专业论文）基于sopc的svpwm系统设计与研究.pdf

摘要 摘要 随着能源、环保等问题的日益突出，节能效果显著的交频器市场规模 也日益扩大，但核心器件受制于人的现状使国内变频器目前仅占据2 5 市 场份额。运用s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 技术开发核心控制芯片， 是改变这一现状的有效措施之一 本文就采用s o p c 技术，以硬件逻辑电路( i p 核) 的方式实现三相交流 电机电压空间矢量调速( s v p w m ) 控制的问题进行了阐述。在参阅国内外相 关文献的基础上，对s v p w m 原理及实现方法作了总结，以此为基础提出 以减少开关次数为目标的优化s v p w m ，m a t l a b s i m u l i n k 下的仿真波形 表明此算法的有效性。其次，对近年来发展迅速的s o p c 技术的工作原理、 实现方法进行了简要介绍，接着以x i l i n x 公司s p a r t a n - i i e 系列芯片 x c 2 s 3 0 0 e 为核心器件，围绕t s k 3 0 0 0 a 软处理器，讲述了系统软硬件功 能的分解和设计，其中着重叙述了s v p w mi p 核的硬件设计；最终开发了 一套基于s o p c 技术以口核方式实现s v p w m 控制的变频调速实验平台。 最后，在该实验平台上实现了三相交流电动机s v p w m 算法的开环控 制实验，实验结果表明系统达到了设计要求。 关键词三相交流电动机；矢量控制；s o p c ；i p 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hc o n c e r n sa b o u te n e r g yc o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n h e i g h t e n e d ，t h em a r k e ts c a l eo ff r e q u e n c yc o n v e r t e r ，w h i c hh a sr e m a r k a b l e e n e r g y - c o n s e r v a t i o ne f f e c t , i sg r o w i n gh u g e ra n dh u g e r h o w e v e r ，t h e m a d e i n - c h i n af r e q u e n c yc o n v e r t e r so n l yc a p t u r e2 5 d o m e s t i cm a r k e ts h a r e n o w , f o rt h er e a s o nk e r n e lc o m p o n e n t si nf r e q u e n c yc o n v e n e r sh a v es t i l lh a dt o b ei n p u tf r o mo t h e rc o u n t r i e s u s i n gs o p ct e c h n o l o g yt od e v e l o pk e r n e l c o n t r o lc h i pi so n eo f t h ee f f e c t i v es o l u t i o n st os o l v et h i sp r o b l e m t l l i sp a p e rp r e s e n t sh o wt or e a l i z e3 - p h a s ea cm o t o r v o l t a g es p a c ev e c t o r p u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n ( s v t w m ) c o n t r o lb a s e do ns o p ca n ds v p w m i p f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rn l a k es u m m a r yt h a tt h ep r i n c i p l ea n dm e t h o dc a r r i e do u t o f s v p w m , t h e np u t su pw i t ho p t i m i z e ds v p w m v i ar e d u c t i o no f t h en u m b e r o fs w i t c h e s ，a n da tt h es a m et i m e ，i n t r o d u c e sas e r i e so fs i m u l a t i o nt e s t i n gv i a m a t l a b s i m u l i n k s e c o n d l y ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n dm e t h o d s o fh o wt o r e a l i z es o p ci nb r i e f ；b a s e do ns v p w mp r i n c i p l ea n du s i n g s p a r t a n i i es e r i e sx c 2 s 3 0 0 ec h i pa n d t s k 3 0 0 0 as o f tm c u c o r e ，af r e q u e n c y c o n v e r s i o np l a t f o r m , w h i c hr e a l i z e ss v p w mc o n t r o lw a sd e s i g n e da n d d e v e l o p e d 耽ef u n c t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e o fa cm o t o rs v p w m c o n t r o ls y s t e m ，a n dt h ei m p l e m e n t so fi t ss o f th a r d w a r em o d u l e sa r ea l l p r e s e n t e di nt h i sp a p e r o b v i o u s l y , t h ev i - i d lh a r d w a r ed e s i g n a t i o nm e t h o do f s v p w m i p ( m c up e r i p h e r a le q u i p m e n t ) w i l lb ep r e s e n t e d i nd e t a i l f i n a l l br e l a t i v ee x p e r i m e n t so f3 - p h a s ea cm o t o rs v p w mo p e n - l o o p c o n t r o la r ea c h i e v e du s i n gt h i se x p e r i m e n tp l a t f o r m , t h et e s t i n gr e s u l to fs y s t e m c o m e st ot h er e q u e s cd e s i g n e d k e yw o r d st h r e ep h a s e sa cm o t o r ；, v e c t o rc o n t r o l ；s o p c ；i p 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明；此处所提交的硕士学位论文基于s o p c 的s v p w m 系统设计与研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人 承担。 作者签字o f - 文 日期：2 肋磊凋7 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于s o p c 的s v p w i v i 系统设计与研究系本人在燕山大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山 大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本 人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授 权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论 文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密d 回卜弘i i 姒ml 罔鬲商d r a m厅习1 0 8 9 l l 8 l 图3 - 1 系统设计的变革 f i g 3 1t h ec h a n g i n g o f s y s t e md e s i g n 以5 1 系列单片机和a r m 微处理器为代表的m c u 家族因丰富的软件 系统支持在控制和处理人机交互领域占据绝对的领先地位；然而在大批量 数据处理方面却被d s p 占尽了风头；f p g a 在高速复杂逻辑处理方面独占 风骚，并且最近异军突起，凭借其超大规模的单芯片容量和硬件电路的高 速并行运算能力，在信号处理方面也显示出突出的优势。因而，m c u 、d s p 、 f p g a 的结合将是未来嵌入式系统发展的趋势【3 9 】。 ( 1 ) s o p c 与m c u 目前，在大容量f p g a 中可以嵌入一个或多个c p u 软核，支持包括6 4 位在内的多种m c u 。如a l t e r a 公司的n i o s i i ，x i l i n x 公司的m i c r o b l a z e 等，或预嵌入a r m 、p o w e r p c 等微处理器。 ( 2 ) s o p c 与d s pd s p 对大批量数据快速处理的优异性能主要在于它 的流水线计算技术及硬件方式实现的数据处理模块，这种运算方式也较容 第3 章基于s o p c 的s v p w m 系统结构设计 易用f p g a 的硬件门电路来实现。目前，实现各种d s p 算法的口核已经 相当丰富和成熟：，例如，f f t 、i i r 、f i r 、c o d e c 等等。有实践证明，用 f p o a 实现的m p e g 4 压缩解压速度比通用d s p 实现快l o 倍以上。利用 相关工具( 如d s p b u i l d e r ) 可以很方便地把现有的数字信号处理m 添加到 工程中去。 ( 3 ) s o p c 与f p g as o p c 一般采用大容量f p g a 作为载体，除了在一 片f p g a 中定制m c u 和d s p 功能模块外，还可以设计其它逻辑功能模块， 实现m c u + d s p + f p g a 在一片芯片上集成。 为提高系统性能降低功耗，借助h a r d c o p y ，可以将f p g a 原型设计无 缝地转移到a s i c 。实现大批量、结构化a s i c 产品，从而可以极大地降低 a s i c 原型的设计风险 4 0 l 。s o p c 是m c u 、d s p 和f p g a 的完美结合! 图3 2 是一个典型的基于a l t e r a 公司大容量f p g a 的s o p c 结构图。 其中n i o s l i 可以采用a h e m 公司的s o p cb u i l d e r 来定制，d s p 采用 d s p b u i l d e r 来定制。 图3 - 2s o p c 系统结构 f i g 3 2c o n f i g u r a t i o n so f s o p c s o p c 相比传统的板上系统，具有许多优点： ( 1 ) 充分利用m 技术，减少产品设计复杂性，缩短产品开发的时间。 ( 2 ) 单芯片集成电路可以有效地降低系统功耗。 ( 3 ) 减少芯片对外引脚数，降低系统加工的复杂性。 ( 4 ) 减少外围驱动接口和电路板之间的信号传递，加快了数据传输和处 理的速度。 燕山大学工学硕士学位论文 ( 5 ) 内嵌的线路可以减少电路板信号传送时所造成的系统信号串扰。 总之，采用s o p c 技术的系统即具备硬件高速、实时特点也同时具有 软件高效、灵活的特点，可以预见：随着s o p c 技术的发展，其在电机控 制领域的应用将不断深入，范围也会逐渐扩大。 3 2 4s o p c 设计流程 s o c 的开发是从整个系统的功能和性能出发，利用i p ( i n t e l l e c t u a l p r o p e r t yc o r e ) 复用技术，采用软件和硬件结合的设计和验证方法，综合考 虑软硬件资源的使用成本，设计出满足性能要求的高效率、低成本的软硬 件体系结构，从而在一个芯片上实现系统所需的尽可能多的功能，最终使 得所设计的系统在规模、可靠性、功耗、开发成本等多方面实现最优化。 图3 - 3s o p c 设计流程 f i g 3 - 3s o p cd e s i g nf l o w 以i p 复用为基础，软硬件相互协调，采用硬件描述语言( v h d l v e r i l o g r e ) l ) 、高级程序设计语言( c c + + ) 等为主要设计手段，借助以计算机为平 台的e d a 工具，自顶向下地进行s o p c 的设计，如图3 3 所示。 3 2 5s o p c 设计工具选择 目前支持软硬件协同设计的e d a 工具主要有：美国a l t e r a 公司的 q u a r t u s i i 软件，美国x i l i n x 公司的x i l i n xi s e 软件和澳大利亚的a l t i u m 公 3 2 第3 章基于s o p c 的s v p w m 系统结构设计 司a i t i u md e s i g n e r6 0 软件，现已升级为a l t i u md e s i g n e r6 3 ( 简称a d 6 3 ) 。 2 0 0 5 年底推出的a d 6 0 全面集成了f p g a 设计功能和s o p c 设计实现 功能，从而允许工程师能将系统设计中的f p g a 与p c b 设计集成在一起， 具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能，是业界首例将设 计流程、集成化p c b 设计、可编程器件( 如f p g a ) 设计和基于处理器设计 的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品【4 3 i 。 在s o p c 的设计开发中，开发工具所能提供或可供设计人员使用的i p 核的丰富程度是衡量开发工具性能的重要指标之一。根据口核的应用范 围，m 核可分为处理器口和特定用途i p ( 如处理器的各种外部接口等) 两大 类。 在处理器m 方面，a d 6 3 可供用户选择使用的既有常见的8 0 5 1 软处 理器也有a l t i u m 公司自己开发的3 2 位r i s c 型t s k 3 0 0 0 软核，同时对 a l t e r a 公司n i o s i i 软核、x i l i n x 公司m i c r o b l a z e 软核、p o w c r p c 4 0 5 硬核、 a m c c 4 0 5 和s h a r p b l u e s t r e a k a r m 7 系列分立处理器等的应用提供支持， 而且对每一种处理器都提供完备的开发调试工具，可以使嵌入式软件设计 在软处理器，f p g a 内部嵌入的硬处理器，分立处理器之间无缝的迁移。 作为第三方e d a 厂商所提供的i p ，t s k 3 0 0 0 和8 0 5 1 软核的应用和芯片生 产商无关的特点为用户进一步提高产品性价提供了机会。在特定用途m 方 面，a d 6 3 有c a n 总线，s p i ，1 2 c ，e t h e r n e tc o n t r o l l e r ，r a m r o m 和 l c dc o n t r o l l e r 等众多m 供用户使用。此外，由于w i s h b o n e 开放总线 连接器的使用，用户在f p g a 上实现的逻辑模块可以透明的连接到各种处 理器上【4 5 】。 基于a d 6 3 通用性强，功能集成度高的特点，本次设计使用a d 6 3 作为的开发工具。 3 3 系统结构设计 3 3 1 系统功能和技术指标 系统功能： 燕山大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 三相交流电机运行，停止、转向及速度控制； ( 2 ) 具备参数设置和显示功能； ( 3 ) 具备过流、过热、过压、欠压及过载等保护功能。 系统技术指标： ( 1 ) 输出正弦基波频率范围：1 1 0 0 h z ，0 5 h z 步进； ( 2 ) 同步调制方式，载波频率在9 2 0 k h z ； ( 3 ) 死区延时可以通过参数调节。 3 3 2 系统软硬件功能划分 根据磁通矢量控制原理并结合功能指标要求，系统可分解为两大模块： ( 1 ) 功率驱动器在p w m 脉冲的控制下输出三相交流电压并进行故 障的检测。 ( 2 ) 控制电路完成人机交互、三相p w m 控制脉冲输出及故障处理。 具体有；用户信息输入子模块，信息输出显示子模块及s v p w m 控制处理 子模块。其中，人机接口部分功能要求繁多但允许有较长响应时间( 数十 m 曲；s v p w m 控制模块功能单一，但包含较复杂的算法实现，涉及数据量 较大且实时性要求高( - - 角载波周期最小为5 0 u s ) ，普通m c u 难以胜任。 i 墨重苎呈i f p g a 亩 i 盯溉，h i8 掣l h 功率驱动器 霄 l 用户输入接口i 图3 - 4s v p w m 系统结构框图 f i g 3 4c o n f i g u r a t i o n so f s v p w ms y s t e m 综合上述因素，决定本次设计采用s o p c 技术进行设计，以m c u ( 软 处理器) + f p g a 的方式实现，见图3 - 4 。其中，m c u 选用指令执行效率较 高，数据处理能力强的通用型处理器t s k 3 0 0 0 ，主要用以实现人机交互功 能，满足系统灵活性的要求；用数字电路以纯硬件方式实现s v p w m 功能， 以满足实时性的要求。 第3 章基于s o p c 的s v p w m 系统结构设计 3 4 实验平台 3 4 1交流异步电动机及功率驱动器 选用p s = 1 2 0 w ，u n = 2 2 0 v 的三相交流异步电动机作为实验控制对象。 为简化设计和提高系统可靠性，功率驱动器选用上海嘉尚电子科技有 限公司d r l 5 a 。d r l 5 a 集1 5 a i p m ，开关电源，高速光耦，保护电路，吸 收电路，外围接口，散热器于一体的全功能逆变驱动器。具有过流，过热， 欠压，过压，过载检测等较完整的保护措施。提供8 路隔离强度为1 5 k v g s 的输出。主要技术参数如下： ( 1 ) 供电电压；1 8 0 v - 2 5 0 v 交流； ( 2 ) i p m 供电电压：+ 1 5 v ，额定输出电流1 5 a ； ( 3 ) i p m 控制方式：低电平打开，高电平关闭； ( 4 ) s p w m 频率：1 6 k h z ； ( 5 ) 死区时间： 1 5 p s ( t o n = o 6 - - 1 8 炉，t o f f = 1 5 - 2 1 r t s ) , ( 7 ) f o 故障输出：有故障时d m 低电平输出电流为1 0 m a ，宽度为 1 8 m s 的脉冲信号。在此期间系统必须做出相应反应，否则容易损坏模块。 3 4 2f p g a 开发板 f p g a 开发板选用湖南长沙科瑞特公司c r e a t e f p g a x 2 s e 。开发板 除了采用x i l i n x 公司x c 2 s 3 0 0 e p q 2 0 8 作核心控制芯片，配置芯片 x c f 0 1 s ，5 0 m h z 有源晶板。另外集成有：2 k b 串行e 2 p r o m 芯片2 4 c 0 2 、 8 个l e d 显示、8 个按键，4 个8 段数码管与8 键拨盘开关组成的键盘显 示电路；r s 2 3 2 串行通讯接口电路( m a x 2 3 2 ) ；8 位串行a d 转换电路 ( t l c 5 4 9 ) ；8 位串行d a 转换器( d a c 0 8 3 2 ) ；无源蜂鸣器电路( b u z z e r ) 等接口器件。 。 x c 2 s 3 0 0 e 是x i l i n x 公司s p a r t a n - i i e 系列芯片，系统门数( s y s t e m g a t e s ) 3 0 万门，等效逻辑单元( e q u i v a l e n tl o g i cc e l l s ) 6 9 1 2 ，分布式r a m 容 量( d i s t r i b u t e dr a m 位) 9 6 k b ，块r a m 容量( b l o c kr a m 位) 6 4 k b ，数字时 钟管理单元( d c m ) 4 个，最大的用户i o 数( m a x i m u mu s e ru 0 0 3 2 9 个【5 6 1 。 x c 2 s 3 0 0 e 内部逻辑资源较丰富，也有一定数量的专用r a m ，能满足 燕山大学工学硕士学位论文 s o p c 设计的要求；不足的是，开发板未集成f l a s h r o m ，也无 s r a m s d r a m ，用户进行复杂s o p c 系统设计、开发时困难较大。 3 5 本章小结 本章首先简要介绍了s o p c 的原理、开发工具及设计流程，然后在第 2 章理论分析和仿真的基础上，结合s o p c 技术对系统按功能要求进行了 软硬件结构设计和功能划分，最后对所选用的实验平台进行了介绍。 第4 章基于s o p c 的s v p w m 系统的软、硬件设计 4 1 引言 第4 章基于s o p c 的s v p w m 系统的软、硬件设计 s o c 片上系统基于其应用的特殊性，其软硬件的共同特点是追求高效 率、高可靠性和低功耗。在硬件部分，p 复用和功能整合是其硬件设计的 重要组成部分，为