（电力系统及其自动化专业论文）svpwm信号发生器的vhdl实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第| | 页 a b s t r a c t s p a c ev e c t o r sp u l s c w i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m )u t i l i z e s t h es w i t c h i go f t h e i n v e n e r ss p a c ev 0 1 t a g ev e c t o r t og e tq u a s i c i r c l em a 肛e t i ce e l d ， s ot h em o d u l a t i o n c a nm a k et h ea l t e m a t i n gc u r r e n tm a c h i n eo b t a i nb e t t e fp e r f b 咖a i l c et h a i ls i n ep u l s e w i d mm o d u l a t i o n ( s p w m ) u n d e rar e l a t i v e1 0 w e rf f e q u e n c y ( 1 3 k h z ) a p p 】y i g t h es v p w mc o n 们lt e c h n o l o g yt ot h ej n v e r t e rc o n t r o ls y s t e mw i l lw i nb e n e r v o l t a g eo u t p u tw a v e f o 眦s 饿a nn o 珊a ls i x s t e pm o d e t h ea v a i la _ b i l i t yo fv o l t sd c m a yb ei n c r c a s e db y1 5 4 ，t h es w i t c l l j n gl o s sm a y b er e d u c e db y3 0 a v e r a g e l y u n d e rt h es 锄ew a v e f b r n lc o n d i t i o n s ，a n dm e d y n a m i cp e r f o r m a i l c c i s b e t t c r t h e r e f o r e ，t h et e c h n o l o g yh 勰b c c o m eah o t s p o ti s s u e n et h e s i sf i r s tc l a r i f i e st h es v p w m t h e o r ya i l dd i s c u s s e st h ec h a r a c t e r so ft h r e e s v p w mm e t h o d sa c c o r d i n gt ot h ed i 雠r e n ti s c n i n g1 0 c a t i o n so ft h ez e mv e c t o f s ， a n dc h 0 0 s e se v e n t u a l l y t h e ( 0 0 0 ) 一h ( 1 0 0 ) 心( 1 1 0 ) 一n ( 1 0 0 ) ( o o o ) i v e n e rs w i t c h e s o r d e ft os y n t l l e s i z et h es p a c ev o l t a g ev e c t o r s a c r d i n gt ot t l j s m e t h o d ，t h es v p w ms 咖a lg e n e r a t o ri pc o r ei sd e s i g n e dt o p d o w n 1 1 1 ei pc o r ej s d i v i d e di n t os i xm o d u l e si n c l u d i n gf h q u e n c yd i v j d e rm o d u i e ， p u l s ew i d t ho r d e r g e n # r a t o rm o d u l e ， b a s i cv o l t a g cv e c t o r a c t i gt i m e c a l c u l a t i n g m o d u l e ， o v e 珊o d u l a t i o nc o n t r o lm o d u l e ，s v p w m s i g n a lg e n e f a t o rm o d u l ea n dd e a dz o n e d e l a ym o d u l e t h eb a s i cv o l t a g ev e c t o ra c t i n gt i m ec a l c u l a t j n gm o d u l e ， o v e 肌o d u i a t i o nc o n t m lm o d u l ea n ds v p w ms i 印a lg c n e r a t o m o d u l er e a l i z et h e f u n c t i o no ft h ec a l c u l a t j o no fb a s i cv o l t a g ev e c t o r a c t i n gt i m e ， t i m ed a t a t e c o n f i g u r a t i o na n dt 圭l et r a n s f o 珊f r o mt i m es i g i l a l st op u l s ec o n t r 0 1s i g i l a l s ， r e s p e c t i v e l y a n dt h et h r e em o d u l e sa r et h ek e yo ft h es y s t e m t h es h o nc i r c u i to f t h ei n v e r t e r sb r i d g ei sp r e v e n t e db yt h ed e a d t j m ei n s e ne f f e c t i v e l y a n dt h e n ，t h es i m u l a t i n gw a v e f b 珊p r o v e st h a tt h ed e s i g ni nt h et h e s i sc a nc o n t r o l t h ei n v e n e r sb r i d g es w i t c h e se f 诧c t i v e l y i nt h ee n d ，t h et h e s i si ss u m m a r i z e d k e y w o r d s ：s v p w m ；o v e 珊o d u l a t i o n ； d e a dz o n e ；i pc o r e 西南交通大学硕士研究生学位论文第上亟 第1 章绪论 1 1 课题相关技术及其发展状况 1 1 1 电力电子开关器件的发展沿革 5 0 年代末，在美国通用电气公司诞生了第一个普通晶闸管( s c r ) ，从此 旋转变流机组被晶闸管构成的静止变频电源取代，实现了变频调速【1 】。但是晶 闸管属于半控型器件，只能控制其导通，不能控制其关断，因此由普通晶闸管 组成的逆变器用于交流调速时需要增加强迫换相电路，这使得整个系统复杂化， 而且会对电网和被驱动电路造成谐波损耗【1 l 【”。 7 0 年代后，出现了功率晶体管( b j t ) 、门极可关断晶闸管( g r o ) 、功率 场效应晶体管( p 0 w e rm o s f e t ) 、绝缘栅晶体管( i g b t ) 等全控型器件。 由这些器件构成的逆变器由于不需要额外的强迫换相电路，所以结构得以简化。 其中i g b t 是目前最为流行的中小功率开关器件，它结合了b j t 和m o s f e t 的 优点：输入阻抗高、通态压降小、易于驱动、具有反向阻断能力、允许使用逻 辑电平信号。自从1 9 8 2 年试制成功后，i g b t 经过几代更迭，目前的i g b t 主 要朝两个方向发展：一方面是进一步改善通态压降和开关特性间的制约关系， 追求损耗更低和速度更高；另一方面是发展更大容量，在模块化的基础上采用 平板压接工艺2 1 【3 】。 8 0 年代出现的功率集成电路( p i c ) 集驱动电路、保护电路、接口电路于 一体，但是由于在制造上存在高低压绝缘、温升以及散热等问题，目前该产品 只达到低压小功率水平。近十年来，智能功率模块( i p m ) 也得到迅速发展。 该模块采用i g b t 作为功率开关，包含了电流传感器、驱动电路以及过载、短 路、欠电压等保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种功能， 大大减少了外围硬件电路的设计，但是其主要不足是容量不够大，价格较高【1 】【3 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 2 电子设计自动化( e d a ) 技术和i p 核相关技术简介 超大规模集成电路( v l s i ) 的快速发展使得现代电子设计技术已经迈入一 个全新的阶段：电子器件及相关技术将更加趋向于支持e d a ；借助于硬件描述 语言，硬件设计和软件设计得到了有机的融合，从而提高了设计人员的工作效 率和成功率；电子设计的技术和开发过程逐步规范化和标准化；应用系统的设 计已经从专用集成电路( a s i c ) 设计走向片上系统( s o c ) 设计。 e d a 是2 0 世纪9 0 年代初，从计算机辅助设计( o 狮) 、计算机辅助制造 ( c a m ) 、计算机辅助测试( c a t ) 和计算机辅助工程( c a e ) 的概念发展而 来的。其最具现代电子设计技术特征的功能就是日益强大的逻辑设计仿真测试 技术。e d a 仿真测试技术只需通过计算机就能完成对所设计电子系统不同层次 的测试与仿真操作，而且在实际系统安装成功后还能对系统中的目标器件进行 边界扫描测试。这些特点都极大地提高了大规模系统的电子设计自动化程度。 硬件设计的软件化使得大规模集成电路的设计变得更加方便、快捷 4 】。目前用 于集成电路设计的比较流行的硬件描述语言主要有v e r y h i g l l s p e e dh d l 和 _ r i l o gh d l 两种【”。本文采用v h d l 设计s v p w m 信号发生器l p 核。在最近 几年中，可编程逻辑器件的开发生产和销售规模都以惊人的速度增长。现场可 编程门阵列 0 ，则a = 1 ，否则a = 0 ； 2 如果石一k 0 ，则b = l ，否则b = 0 ； 们 一 三上 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 3 如果i k + o 、 0 ，虼 o 、 o ，娲 o 和 o 时：如果i 打耽l l ，式( 2 1 4 ) 变为： 一去_ 毒 卜( 去 y 。) 去 c 2 娟。， z - 一一去y e ) 去 此时由空间电压矢量所处扇区判断方法得出a = 1 ，b = 1 ，c = 0 ，即n = 3 。 如果l 石j 0 、 1 i ，式( 2 1 4 ) 变为： x 一一去附毒x 一万hf i l ，= fy 。一 z = 一ly d 去 + 击吲 r 瓦 ( 2 1 6 ) 1 _ 毒 此时由空间电压矢量所处扇区判断方法得出a = o ，b = 1 ，c = 0 ，即n 。2 。 如果1 石n1 盖= 音y q j lki ，式( 2 1 4 ) 变为： 丁 矿如 y = 一一去矿。) 毒 c z 州， z = + 击矿。) 亡 此时由空间电压矢量所处扇区判断方法得出a = 1 ，b = o ，c = 1 ，即n = 5 。 如果i 拈hi lk i ，式( 2 1 4 ) 变为： x = 去_ 毒 y = ( 击v 川毒 c z 棚， z = ( 1 1 ， r + 万j 瓦 亘直奎望盔兰巫主丛窒生兰垡迨塞笺! i 夏 此时由空间电压矢量所处扇区判断方法得出a = 1 ，b = 0 ，c = 0 ，即n = 1 。 当k o 、 i i ，式( 2 1 4 ) 变为： x 一一击毒 y = 一( 击叫吉 c 2 蚴， z 2 一去川毒 此时由空间电压矢量所处扇区判断方法得出a = o ，b = o ，c = 1 ，即n = 4 。 如果l 石k1 1 1 ，式( 2 1 4 ) 变为： x = 一击咐丢 y = 一( 击川毒 c 2 刊， z = 一一击川毒 此时由空间电压矢量所处扇区判断方法得出a = o ，b = 1 ，c = 1 ，即n = 6 。 可见在计算基本电压矢量作用时间的同时，通过对式( 2 1 4 ) 中x 、y 、 z 符号的判断能够得出空间电压矢量所处扇区号，这样的处理方法节省了硬件 资源。保证了计算基本电压矢量和判断扇区号的统一。而且计算基本电压矢量 作用时问不需要考虑符号位，直接取输入、圪的低八位进行运算。 在使用v h d l 语言实现式( 2 一1 4 ) 的运算时，要用“3 2 5 6 代替3 的运 算，因为在v h d l 语言中对于开方运算是比较难实现的，采用4 4 3 ，2 5 6 代替3 使得运算简单、易于实现，误差仅为0 0 9 。式( 2 1 4 ) 中的乘法运算因为乘 数是2 的整数倍，因此可以直接通过将被乘数向左移位实现，因此运算主要是 1 6 9 位除法，1 6 9 位除法器的设计方法将在后面的过调制控制模块中详细论述。 图2 4 是基本电压矢量作用时间计算模块工作波形图。 亘童窑鋈盔兰堡圭至塞圭兰垡笙塞蔓! ! 噩 圈2 4 基本电压矢量作用时间计算模块工作波形图 2 3 三种空间电压矢量合成方法的比较 在空间电压矢量的合成过程中，为了减少丌关状态的变化次数，需要加入 零矢量，不同的零矢量添加方法会得到不同的效果。以下将以空间电压矢量矿 处于l i i 区为例，对三种零矢量添加方法进行讨论。 2 3 1 合成方法一 方法一将零矢量均匀分布在空间电压矢最的起点和终点，由n 、蟾按三 角形方法合成n 如图2 5 中的a b 所示。其丌关动作顺序足：( 0 0 0 ) 一n ( 1 0 0 ) ，一相开关动作次，b 的状态保持时间是珊2 ；确( 1 0 0 ) 一。( 1 1 0 ) ， b 相开关动作一次，h 的状态保持时间是n ；( 1 1 0 ) 蜘( 0 0 0 ) ，爿、月相 开关各动作一次，耽的状态保持时间是n ；剩余时汹j 为最后的零矢量的状 态保持时间聊。可见在一个开关工作周期中，开关共动作四次。p w m 谐波 分量主要集中在& 和旗附近，频谱如图2 5 c 所示。这种合成方法的倪点是开 关动作次数少，损耗小，算法简单；缺点是谐波含量大，波形不对称】。 i mjl 乳 罗0 1 v 如 il 叨警1 s l 如 五、；毛、：孚。v ，1 1 0 0 l 2 。 量k r e t。 2 3 2 合成方法二 l o o 2 0 芭6 0 捌 馨柏 2 0 o i i i i 雾_i鼠。i l雾i f 2 “ 频率爪2 图2 5 空间电压矢量合成方法一 方法二仍然将零矢量分布在空间电压矢量矿的起点和终点，但是和方法 一不同，y 由k 、欣、k 顺序合成。如图2 6 中的a 、b 所示，合成图形为以 空间电压矢量矿的中点为对称点的两个三角形。其开关动作顺序是：( 0 0 0 ) 一n ( 1 0 0 ) ，爿相开关动作一次，的状态保持时间是z v 2 ；( 1 0 0 ) k ( 1 1 0 ) ， 口相开关动作一次，的状念保持时间是n 2 ；屹( 1 1 0 ) h ( 1 0 0 ) ，b 相开 关动作一次，圪的状态保持时间是疋；n ( 1 0 0 ) ( 0 0 0 ) ，4 相开关动作一 次，n 的状态保持时问是死2 ；剩余时间为最后的零矢量的状态保持时间 7 2 。同第一种方法相比，虽然第二种方法的一个周期内开关动作次数也是四 次，但是输出电压波形是对称的，其p w m 谐波分量仍然主要分布在开关频率 的整数倍附近，谐波幅值比方法一有所降低，频谱分布如图2 6 c 所示【3 】【1 l l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 2 3 3 合成方法三 a ) 1 0 0 8 0 薹6 0 毡 馨4 0 2 0 o 五五 2 。2 疋 2 2 1 l l l l垦il目基日ii嚣 if 。2 f 。 频率，h z 图2 6 空间电压矢量合成方法二 方法三中零矢量被分成三段，其中均匀分布在空间电压矢量y 的起点和 终点，乃分布在y 的中点，而且死= 乃。除了零矢量的分布，矿的合成方法与 方法二类似，如图2 7 中的a 、b 所示。其开关动作顺序是：( 0 0 0 ) k ( 1 0 0 ) ， 一相开关动作一次，的状态保持时间是死2 ：( 1 0 0 ) 一坎( 1 1 0 ) ，丑相开 关动作一次，n 的状态保持时间是乃2 ；圪( 1 1 0 ) ( 1 1 1 ) ，c 相开关动作 一次，眨的状态保持时间是列2 ；( 1 1 1 ) 一k ( 1 1 0 ) ，c 相开关动作一次， 巧的状态保持时间是乃；跪( 1 1 0 ) h ( 1 0 0 ) ，b 相开关动作一次，的状态 保持时间是z 2 ；h ( 1 0 0 ) ( 0 0 0 ) ，彳相开关动作一次，的状态保持时 间是z - 2 ；剩余时间为最后的零矢量娲的状态保持时间丁i 2 。在一个p w m 周 期内开关共动作六次，输出电压波形对称，p w m 谐波主要分布在开关频率的 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 整数倍频率附近。频谱分布如图2 7 c 所示，在频率 附近处的谐波幅值降低 十分明显”j 。 a ) 1 0 0 ，、s 0 兰6 0 藿4 0 2 0 o s 如 s c 如毛 型b 、 l五? o 一2 2 。上i 、上 = r 一l7 一： 目黧ii函 日鲷 h f ：1 f 。 频率，i i z 图2 7 空间电压矢量合成方法三 综合看来，第一种方法算法最为简单，但是谐波含量最高；第三种方法谐 波含量最低，但是算法较为复杂；第二种方法较好，其开关损耗及谐波含量均 相对较低，而且算法也较为简单。所以在本文的s v p w m 信号发生器i p 核的 设计中，选择第二种方法合成空间电压矢量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第3 章s v p w m 过调制原理及过调制控制模块设计 3 1s v p w m 过调制原理 当空间电压矢量位于以矢量n k 比k 吩构成的正六边形内时，逆变器输 出正弦交流电压，其线电压峰值理论上等于直流环节电压，此时空间电压 矢量处于线性调制区，式( 2 1 1 ) 中的埘小于等于1 【1 2 】。根据式( 2 1 1 ) ，当 ，l 等于1 时，合成空间电压矢量y 的模达到晟大值： 。= 等 非零矢量的模长是p k 2 3 ，所以根据三角关系： ( 3 1 ) 黩：车 ( 3 - 2 ) 2 3 2 7 当y 处于线性调制区时，其幅值最大为正六边形的内切圆，如图3 1 中的a 圆所示。当继续提高输出电压即继续加大圆a 的半径时，空间电压矢量y 将进 入过调制区，式( 2 1 1 ) 中的研将大于1 ，如图3 1 中的b 圆所示。如果继 续提高输出电压，使得圆a 的半径等于2 3 p z 时，将进入六阶梯波调制方式， 如图3 1 中的c 圆所示1 1 4 l f l “。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 3 2 过调制控制方法 图3 1 空间电压矢量图 s v p w m 过调制控制的基本原理是输出电压基波相等，当给定空间电压矢 量超出正六边形范围时，逆变器无法输出这一电压矢量，因此需要对其进行调 整，使其落入正六边形内部，从而保证在一个正弦周期内逆变器输出电压基波 值与给定电压值相等【1 2 】。当空问电压矢量落在过调制i 区和过调制i i 区时，控 制方法又有所不同，以下将针对两种情况分别进行讨论。 3 2 1 过调制i 区控制方法 如图3 2 所示，外圈虚线为补偿后的电压矢量，细实线为给定空间电 压矢量y ，粗实线为实际输出电压。当给定空间电压矢量处于过调制i 区时， 对其调整方法是：当y 超出了正六边形范围时，通过减小矿的幅值使y 的终点 落在正六边形上，如图3 2 中的b c 、d e 段；当矿处于正六边形范围之内时， 提高其幅值到以补偿y 在超出正六边形范围时无法输出的电压损失f 1 6 】f ，】【”j 。 在一个p w m 周期内，补偿后的空间电压矢量和给定空间电压矢量相比，仅仅 是幅值发生了变化，但是相角没有任何变化，二者之间是同步关系。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 图3 2 过调制i 区控制方法 图3 2 中n 角的大小随调制比卅的变化而变化。当d 等于最大值n 6 时， 空间电压矢量轨迹为正六边形内切圆，此时达到线性调制的极限状态，调制比 研= 1 ；当n 等于最小值o 时，空间电压矢量轨迹为正六边形，此时达到过调制 方式i 的极限状态，调制比掰= 1 0 5 。如果继续增加调制比，将没有区域可以对 电压进行补偿，因此将进入过调制i i 区。对于过调制i 区中的一个给定空间电 压矢量，其输出电压波形被分成四段，表达式如下： 口； 三尘一c o s 占o s 疗 口 压c o s p a ) 2 南训 压c o s f 互一日1 蜘南删 压c o s f 三一口1 = 志伽 as 口! 一口 3 三一口鲥 兰+ 口( 3 3 ) 33 1 + a 臼 曼 式中口一空间电压矢量在反口坐标系中的相角i t z 艄1 。 。 对式( 3 3 ) 中分段函数进行f o u r i e r 级数分析，可以得出基波电压幅值 【1 2 1 f = 三l 西。c o 倒疗+ f “。c 。剃口+ 蓝。c o 硎日+ 杰p k c o 剃口l 33 i 经过计算后基波电压幅值f 是关于n 的函数，令给定电压矢量幅值与基波电压 幅值相等，就可以计算出n 角的大小： f 仁) = m ( 3 5 ) 在过调制i 区，每一个给定的空间电压矢量都对应着唯一的控制角4 ，所以式 亘壹銮望盔兰巫主翌窒圭兰丝迨塞 蔓：i 夏 3 5 可以得到唯一解。得到口的唯一解后，将其代入式3 3 解得补偿后的空 间电压矢量，再根据第二章中的开关状态保持时间计算方法就可以计算出各基 本矢量的作用时间，进而实现过调制i 区的s v p w m 【1 2 1 1 1 6 】。 3 2 2 过调制i i 区控制方法 当调制比m 大于1 0 5 时，s v p w m 将进入过调制i i 区。如图3 3 所示， 虚线为正六边形内切圆，代表线性调制区的极限状态，细实线代表给定空间电 压矢量k 粗实线代表实际输出电压矢量。此时输出电压波形为正六边形，但 是其轨迹是不连续的，实际的参考电压矢量要在正六边形的顶点停留一段时间， 再沿着六边形的边沿走完一个p w m 周期【1 q ”】【”】。与过调制方式i 不同，在一 个p w m 周期内，经过电压补偿后的空间电压矢量和给定空间电压矢量相比， 幅值和相角都发生了变化，两个电压矢量不再同步旋转。实际参考电压矢量的 旋转速度要大于给定电压矢量的旋转速度。 图3 3 过调制i i 区控制方法 在图3 3 中，当给定空间电压矢量矿进入区间( 0 ，卢) 和( “3 一卢，n 3 邯) 时，调整后电压矢量保持为该区间内的最大矢量一段时问不变直到矿转出该区 问，当给定空间电压矢量旷离开上述两个区涮时，调整后的电压矢量将以大于 给定空间电压矢量旷的旋转速度沿着_ i f 六边形边沿开始旋转，因此调整前后的 空间电压矢量之间不是同步旋转的。控制角肛的变化取决于凋制比的变化，口 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 取最小值o 时，调制比川= 1 0 5 ，实际输出电压轨迹为正六边形，达到过调制模 式i 的极限状态；p 取最大值n 3 时，调制比研= 1 1 0 ，实际输出电压为六阶梯 波，达到过调制模式i i 的极限状态。输出电压具体表达式如下： 。= 詈 。南刚l = 三 2 煮蠹删： 一荸专 o 量口 口 ps 8t 一8 目一空间电压矢量在以口坐标系中的相角【1 2 】f 1 6 ) 【1 8 】。 同样利用式( 3 4 ) 对式( 3 6 ) 中分段函数进行f 0 u r i e r 级数分析，可以 得出关于p 的基波电压幅值函数f ，再令给定电压矢量幅值与基波电压幅值相 等，就可以计算出鼻角的大小： ，) = i y i ( 3 7 ) 与过调制模式i 相同，在过调制i i 区，每一个给定的空间电压矢量也对应着唯 一的控制角p ，所以式( 3 7 ) 可以得到唯一解。得到口的唯一解后，将其代 入式( 3 6 ) 解得输出电压矢量，再根据第二章中的开关状态保持时间计算方 法就可以计算出各基本矢量的作用时间，进而实现过调制i i 区的s v p w m 【1 2 j f l 8 l 。 )6 3( 卢 + 万一3万一2 h 5 0 0 蠹 。 酋5 0 0 舞 一1 0 0 0 默： 鬻嘶 谆0 4 嚣0 2 羹。 谐波次数 b ) 简化过调制算法 输出线电压及频谱 图3 5 过调制模式输出线电压及频谱图 由图3 5 的a 、b 两幅图可以看出，两种过调制控制方法的输出线电压幅 值以及谐波含量相差不大。另外，由于过调制区的输出电压范围只占整个输出 电压范围的1 0 ，而且通常只是在暂态使用1 2 2 j ，因此可以选用简化的过调制控 制方法以减轻系统运算负担。 3 5 过调制控制模块设计 过调制控制模块是s v p w m 信号发生器i p 核中比较重要的一个部分，其 输入包括内部时钟、p w m 周期、给定电压矢量所处扇区号和两个非零基本矢 量的作用时间；输出是逆变器六个开关每一相开关的高低电平作用时间。主要 功能包括： 1 计算零矢量作用时间，并根据零矢量的正负判断是否发生过调制； 2 如果没有发生过调制，保持原输入时间不变；如果发生过调制，则根 据式3 1 5 修改两个非零基本矢量的作用时问； 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 3 将矢量作用时间转换为高低电平作用时问； 4 根据输入扇区号的不同将高低电平作用时间按照s v p w m 原理分配给 输出开关动作命令的六个端口。 按照自顶向下的设计方法，过调制控制模块又分为八个子模块，其内部结 图3 6 过调制控制模块结构图 这八个子模块从分别是防止外部干扰的输入时间锁存模块；用于计算零矢 量作用时间的比较器模块：8 位硬件乘法器模块；1 6 9 位硬件除法器模块；零 矢量和输入扇区号锁存模块；矢量分配模块；时间转换模块；时间重构模块瞄】 2 6 】。其中串联的8 位硬件乘法器模块和1 6 9 位硬件除法器模块是过调制控制模 块的核心，其作用是在发生过调制时实现对给定空间电压矢量的校正。其它子 模块主要起辅助作用，共同实现过调制控制模块的其它主要功能。以下将分别 讲述各个模块的设计方法。 3 5 18 位硬件乘法器的设计 运算单元是集成电路不可或缺的一个重要部分，其中使用较多的就是乘法 器。v h d l 语言虽然包含；( 乘) 、( 除) 等求积操作符，但是在设计过程中一 般是不直接使用乘、除操作符来实现乘法、除法运算的，因为纯组合逻辑构成 亘蜜窒鎏盔兰璧主丛蜜生兰堡垒塞望i ! 要 的乘法器、除法器虽然工作速度快，但是过于占用硬件资源，难以实现宽位的 乘、除法f “。 因此，本文设计了一种以8 位加法器为核心的包含时序逻辑的硬件乘法器。 与纯组合逻辑不同，基于时序逻辑的乘法器是依靠移位相加原理实现的，以下 将详细讲述它的工作原理。 1 当乘数中的某一位为“l ”时，与被乘数相乘所产生的加数即为被乘数 自身： 2 当乘数中的某一位为“o ”时，与被乘数相乘所产生的加数即为“0 0 0 0 ”； 3 从乘数的低位数起，第n 位数与被乘数相乘得到的加数在做加法时就 要向左移位n 1 位。( 这里的第n 位指的是从右向左的第n 位，下文中会多次 出现这种提法，如无特殊说明都遵循从右向左的原则) 8 位硬件乘法器在内部结构上可以分为：乘法命令发生模块、8 位移位寄存 器模块、加数生成模块、8 位加法器模块、1 6 位乘积寄存器模块、去毛刺寄存 器。以下将详细阐述各部分的主要功能。 1 乘法命令发生模块：主要作用是根据内部计数器产生数据输入、数据移 位、寄存器清零等命令。一个工作周期为l o 个c l k ，如果异步清零命令c l r = o ，则输出的工作命令为高电平；否则当计数器的值为“0 0 0 0 、0 0 0 1 ”时， 输出的工作命令为高电平；当计数器为其它值时，输出的工作命令为低电平。 输出的工作命令有三个作用： ( 1 ) 当工作命令为1 时，移位寄存器输入新数据；当工作命令为0 时，移位寄存器将乘积的高8 位向右移一位。 ( 2 ) 当工作命令为1 时，1 6 位乘积寄存器被清零；当工作命令为o 时，1 6 位乘积寄存器先将低8 位右移一位，再接受新的高9 位数据。 ( 3 ) 当工作命令处于上升沿时，输出1 6 位乘积。 2 8 位移位寄存器模块：在一个乘法计算周期内对乘数进行7 次右移位， 并在每一次的移位后输出寄存器的最低位，作为加数生成模块的控制命令。当 工作命令为r 时，输入数据被送入寄存器：当工作命令为o 时，开始移 位，并在每一次移位结束后输出此时寄存器的最低位s e 邸b0 。 3 加数生成模块：当输入移位后的乘数最低位是17 时，输出的加数为 被乘数本身，当输入移位后的乘数最低位是。0 时，输出的加数为“0 0 0 0 0 0 0 0 ”。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 当乘法命令o r d e r 为1 时，输出的是“1 1 1 1 1 1 1 l ”和“1 0 1 0 1 1 1 1 ”，当o r d e r 为0 时，输出的是“0 0 0 0 0 0 0 0 ”。 4 8 位加法器模块：主要是实现两个8 位加数的加法。这两个加数分别是 加数生成模块中产生的加数，以及1 6 位寄存器中的高8 位，输出和为9 位。 5 1 6 位乘积寄存器模块：其输入数据是乘法命令发生模块的输出工作命 令以及加法器的9 位输出和，输出为1 6 位寄存器的高8 位。当输入工作命令为 1 时，1 6 位寄存器被清零；当输入工作命令为0 时，该模块在每一个d k 的上升沿将寄存器的低8 位右移一位产生乘积的低8 位，并将寄存器的高8 位 输出作为加法器模块的另一个输入加数。在这里起到关键作用的是9 位输入数 据的最低位即1 6 位寄存器中低8 位的最高位，每次右移位就是通过右移这一位 生成了乘积的低8 位。在工作命令、r k o r d e r 为1 时，寄存器被清零，w o r k o r d e r 为o 时，寄存器右移了低8 位中的最高位。 6 去毛刺寄存器：实质是d 触发器，输入是乘法命令发生模块的输出工 作命令和1 6 位乘积寄存器模块的输出乘积，当工作命令处于上升沿时，将1 6 位乘积输出；在其它时刻，锁存1 6 位乘积。 图3 7 是乘法器的工作波形图。其中，c l k 是系统时钟，出是异步清零， t 1 是被乘数，t 2 是乘数，p r o d u c t 是乘积，r e g _ 1 6 b 是1 6 位寄存器当前值，s t a n 是乘法命令发生模块输出的内部工作命令。由图可以看出，在_ _ 个周期的1 0 个c l k 内，第一个c l k 时s t a n 为高电平，此时输出1 6 位乘积寄存器内的乘积； 第二个c l k 时s t a n 也是高电平，此时1 6 位乘积寄存器被清零：第3 至1 0 个d k 开始移位相加计算。 图3 78 位硬件乘法器波形图 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 图3 88 位硬件乘法器工作流程图 图3 8 是8 位硬件乘法器工作流程图。该8 位硬件乘法器的设计关键在于 移位相加的时序控制，虽然较之纯组合逻辑的乘法器比较复杂，但是这种基于 移位加法的乘法器具有良好的扩展性，对v h d l 代码稍加修改，就可以实现多 位乘法运算，而纯组合逻辑对于8 位以上的乘法实现就比较困难，而且过于占 用：笛片资源。另外内部工作命令“s t a r t ”在构建算数运算逻辑单元( a l u ) 时可以作为时序控制的一个重要的参考信号。 亘直銮鎏盔兰巫主塑窒圭兰丝迨塞篁i ! 要 3 5 21 6 侈位硬件除法器的设计 为了实现式( 3 1 5 ) 中的乘除法组合，还需要设计一个1 6 9 位除法器， 因为8 位硬件乘法器得到的乘积是1 6 位，所以除法器的被除数是1 6 位；而除 数是两个八位二进制数的和，为防止求和时产生进位溢出，所咀除数设计为9 位。前面的8 位乘法器按照时序逻辑设计实现。由于q u a n u s i i 软件不支持运算 符“”，所以该除法器的设计也必须由时序逻辑完成。除法器在时序控制方面 要比乘法器复杂一些，与乘法器相反，除法器是基于移位相减原理实现的。 二进制除法同十进制除法在运算法则上完全相同，只是因为被除数和除数 都是二进制数形式，所以在设计除法器的时候需要以二进制除法自身的特点为 依据： 1 二进制除法同十进制除法相同，都是通过多步减法实现的，由于是整数 除法，所以余数将被舍去； 2 商的计算比十进制除法简单，不需要经过乘法运算，可以通过比较器直 接得到，当被减数大于减数时，商1 ；当被减数小于减数时，商o ，其中 的减数就是除数本身，被减数需要对被除数做移位处理得到。 1 6 9 位硬件除法器主要有以下几个模块构成：工作命令生成模块、移位模 块、减法器模块、比较器模块和商寄存器模块。以下将分别讲述各个模块的原 理、作用和设计方法。 1 工作命令生成模块：该模块的主要任务是输出移位得到的被除数第6 位，用于构造移位减法的被减数，并根据内部计数器的当前值生成三个内部工 作命令。这三个工作命令包括了硬件除法器工作时序中的所有指令，下面将详 细说明这三个工作命令的作用。 ( 1 ) w o r k o r d e r ：移位模块和比较器模块的控制命令。对于移位控制模块 w o r k o r d e r 有两个作用，当w o r k o r d e r = 1 时，输出被除数的高9 位，作为减 法器的被减数输入；当w o r k o r d e r = o 时，将被除数左移一位，为输出移位后 的被除数第6 位做准备。对于比较器模块，w o r k o r d e r 则是作为被减数的输入选 择命令，w o r k o r d c r 取不同值时，将选择不同的输入被减数赋值给比较器和减法 器内部变量。设计两个输入被减数的原因将在比较器和减法器模块中详细论述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 ( 2 ) s h i f t o r d e r ：移位模块和商寄存器模块的控制命令。当s h i f t o r d e r - 1 时，移位模块和商寄存器模块都进行移位运算；当s h i f t o r d e r = o 时，移位模 块清零其内部寄存器，商寄存器模块不做任何运算。 ( 3 ) m i n u e n di n p u to r d e r ：减法器模块的控制命令。该命令与比较器模块 中的w o r k o r d e f 工作命令作用相同，也是作为被减数的输入选择命令。 2 移位模块：主要作用是根据内部工作命令w o f k o r d e r 和s h i f t o r d e r 的要 求在每个时钟周期将被除数左移一位，并输出被除数的高9 位和移位后被除数 的第6 位。其在一个工作周期内的流程为： ( 1 ) 在每个时钟的上升沿到来时输出d a t a 的第7 位，以合成下一步移位 减法的被减数。 ( 2 ) 当s h m o r d e r = 1 ，时，如果此时w o f k o r d e f = 1 ，将d a t a 的高1 0 位 赋值给内部变量t n i n u e n d ；如果此时w 眦k o f d e r i o ，则在每个时钟上升沿到 来时将d a t a 左移一位。 ( 3 ) 当s h i f t o i d c r = o 时，存储被除数高9 位的寄存器m i n u e n d 被清零， 随后新的被除数被存入1 7 位寄存器d a t a 的低1 6 位，d a t a 的第1 7 位是0 ， 因为变量m i n u e n d 是d a t a 的高1 0 位，所以m i u e n d 的第l o 位也是0 。为存 储被除数高9 位的寄存器多设置一位o 位的原因是：在做多步移位减法运算 时，作为第一步减法运算中被减数的被除数高9 位可能小于减数( 即除数) ，此 时需要将被除数左移一位，并把d a t a 的第7 位d a t a ( 6 ) 合并到被减数以增大被减 数，使得被减数的值大于减数。所设置的0 位就是为了在发生这种情况时， 将0 位左移掉，从而保护被除数高9 位的完整性。假设不设置o 位，那 么在被除数被第一次左移一位时，如果被除数的最高位是1 ，那么这一位将 发生溢出错误；如果被除数的最高位是o ，则对计算没有影响。 3 减法器模块：硬件除法器中的减法器模块与普通减法器在减法运算上没 有区别，只是这里的减法器有两个特点： ( 1 ) 具有两个输入被减数，分别是代表被除数高9 位的m i n u e n d l 和代表 每步移位减法计算得到的差与被除数第7 位合并得到的m j n u e n d 2 。当内部工作 命令w o r k o r d e r = 1 时，减法器选择输入被减数m i n u e n d l 参与减法运算；当 w o r k o r d e r = o 时，减法器选择输入被减数m i n u e n d 2 参与减法运算。这罩设 计两个被减数的原因是：无法从差寄存器中得到第一步移位减法运算的被减数。 耍童銮鎏杰主塑主竺塞生芏焦迨塞丝! ! 重 硬件乘法器中的移位加法器可以把和寄存器变量作为唯一的被加数，原因是当 和寄存器当前值是0 时，将和寄存器变量与加数相加就可以得到第一步移位加 法运算的被加数。但是当差寄存器当前值为0 时，如果将差寄存器变量与减数 做减法，将得到负数，导致计算发生错误。 ( 2 ) 减数的最高位为o 。这样设计的原因是如果减数仅仅设计为与式( 3 1 4 ) 中除数相匹配的9 位( 即减法器设计为9 位减法器) ，那么当减数的值比 较大时，在移位相减的过程中可能会出现移位得到的9 位被减数总是小于减数 的情况，这时就没有办法实现减法运算中的借位，导致运算错误。 4 比较器模块：在内部工作命令w o r k o r d e r 取不同值时，选择不同的被减 数参与比较：通过比较按照从高位到低位的顺序输出商的每一位；在每一步比 较完成后输出下一步减法的减数。具体说明如下： ( 1 ) 当内部工作命令w o r k o r d e r = l 时，比较器选择输入被减数m i n u e n d l 参与比较；当w o r k o r d e r _ 0 时，比较器选择输入被减数m i n