（电力电子与电力传动专业论文）基于adpll逆变器频率跟踪控制方法的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于a d p l l 逆变器频率跟 踪控制方法的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特) ；r j d r l 以标注和致 谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：墓：圣丛日期：渔! ! ：! ! ：了 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内窖。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：立星丛 日期：2 1 塑：! ：笙 导师签名 日期 ，l q c ，j 对 华北电力犬学硕十学位论文 第一章引言 随着电源技术的只益普及和迅速发展，用电设备对供电质量和功率要求越来越 高，逆变电源得到了迅速发展。而对逆变器的控制性能等要求也越来越高，以可编 程逻辑器件为核心的数字化控制可以更好地满足其控制性能要求。数字化控制用软 件取代了大量的模拟器件，在很大程度上提高了产品的集成度。而且通过修改软件， 可以很方便地调节系统的各种特性，这就增强了系统的柔性和智能性。另外，可编 程逻辑器件的采用使得一些先进的控制策略应用于感应加热等逆变电源的控制之 中成为可能，其实时监控变得容易实现。 1 1 谐振逆变器频率跟踪控制概述 当逆变器负载固有谐振频率发生变化时，如果此时逆变器的工作频率不能随之 变化，则会使逆变器偏离最佳工作点，这不仅使逆变器桥臂上的开关器件开关损耗 增加，而且当逆变器偏离负载谐振点较远时，在一定的q 值下，还会使负载阻抗增 大，使逆变器的功率容量不能充分利用，工作效率下降。对可控硅中频逆变器而言， 为了保证逆变器件可靠换流( 晶闸管中频电源要求它的负载为容性) 和电源工作在 较高的功率因数及效率，逆变器输出频率需要随负载频率而变化，也就是说控制电 路必须具有自动频率跟踪功能，由可关断器件构成的逆变器，虽然不同于可控硅那 样存在换流问题，但为了使逆变器始终工作在功率因数接近或等于l 的准谐振或谐 振状态以实现逆变器件的零电流换流( z c s ) 或零电压换流( z v s ) ，频率跟踪电 路也是不可缺少的，而且由于逆变器输出频率的提高。频率跟踪电路的快速性和准 确性要求也相应提高。 对于并联谐振型逆变器来说，实现以上要求的控制方法较多，主要有以下几种 i t - + ： ( 1 ) r c 进相法 这是所有各种方法中最简单的一种。将负载上取出的负载电压信号通过r c 网 络进相后，作为触发开关器件的同步信号。进相后的电压取样信号过零点比负载上 电压信号的过零时间提前了，若控制提前时间t = 6 u ( 6 为引前触发角，u 为逆变 器工作角频率) ，则既可满足工作在容性条件，也实现了频率自动跟踪。这种方法 信号比较简单，只用一个电压信号。其缺点是引前时间受工作频率的影响。( t = 6 t 2 r c ) ( 2 ) 定引前时间法 这种方法指在整个工作过程中，电源保持引前触发时间为恒值。实现此设想的 华北电力人学硕+ 学位论文 方法是通过电压、电流互感器分别取出负载电压信号u h 和补偿电容上的电流信号 i c ，由电位器合成，当合成信号过零时便发出触发脉冲。引前时f 拘大小由电位器 的相对位置决定。旦电位器的位置固定，引前触发时间也就不再改变。运行过程 中当负载增大时，i c 增大而1 1 h 减小，所以引前触发时间t 基本上保持不变。该方法 的存在的问题是：a ) 线路采用两个信号，需要p t 和c t 两种互感器；b ) 逆变器工 作初期，换流时间长，要求t 较大，到了后期频率升高，触发引前角6 = u 1 增大， 使输出电压过高，此时又要降低t 值。这些都需通过手动操作，调整不方便。 ( 3 ) 定角度法 这种方法指在逆变器运行过程中保持引前触发角6 恒定，通过接在负载两端的 变压器耿得负载电压信号u h ，以此产生超前脉冲。此方法中u 与引前触发时间t 成 反比，由于u 与t 间的相互补偿，一旦6 确定，就不再受负载电压与频率、电流的 影响，电源能适应工作过程的参数变化，因此适合于负载变化的场合，使设备工作 可靠稳定。一般采用差压法和锁相法来实现。所谓差压法就是测出u h 的峰值电压， 并取其分压值与u h 比较确定6 。而锁相法，则是利用锁相分频技术固定引前角，这 种方法目前在国内正处于研制阶段。 ( 4 ) 定反压时间法 这种方法是在设备运行过程中保持晶闸管换流时受反向电压的时间为恒定值， 从而使逆变电路的可靠性大大提高。从理论上来说，这是一种较为理想的方式，但 是这种方法的缺点是控制电路较复杂。这种方法在欧洲产品中颇具代表性，如a e g 公司的1 0 0 0 k w 2 k h z 可控硅中频电源。 以上各种方法各有利弊，总体上来说，目前各厂家生产的超音频电源中实现的 是一种开环控制结构，虽然大多可以通过自激方式实现工作频率的自动跟踪，但是 如要实现逆变状态的精确控制，都需要在设备运行过程中进行手动调节，不但操作 繁琐，而且控制精度不高，效果也不甚理想。 1 2 逆变器频率跟踪的数字化控制的意义 早期的逆变电源，只需要其输出不断电、稳压、稳频即可，然而。今天的逆变 电源需要其输出电压稳定，输出频率精确等等，同时随着网络技术的发展，对逆变 电源的网络功能也提出了更高的要求。即高性能的逆变电源的设计必须考虑下列事 情：( 1 ) 高输入功率因数，较低的输出阻抗；( 2 ) 快速的暂态响应；( 3 ) 效率高， 稳定性高，可靠性高；( 4 ) 低的电磁干扰；( 5 ) 智能化：( 6 ) 完善的网络功能，显 然这些要求的实现离不开数字化控制技术。 传统的逆变器频率跟踪控制采用模拟电路实现，对于生产厂家和用户而言，模 拟控制存在许多固有缺点“”： 2 t 华北电力人学硕士学位论文 ( 1 )模拟控制采用大量的分散组件和电路办，必然硬件成本偏高，系统 可靠性下降： ( 2 ) 模拟电路中存在着人工调试器件，如可调电位器，必然使得生产效 率和控制系统的一致性下降； ( 3 ) 由于器件的老化问题及热漂移的问题的存在，将导致逆变器输出性 能下降甚至输出失效； ( 4 ) 产品升级换代困难，对于模拟机要想升级换代必然要对控制系统做 改动，则离不开对硬件的改进： 数字化控制可以有效地弥补这些缺点。在高性能数字芯片快速发展的今天芯 片速度越来越快，功能越来越强，集成度日趋提高，已广泛应用于科学技术的很多 领域。总的来说，逆变器频率跟踪采用数字化控制，具有以下优点； ( 1 )数字化控制可采用先进的控制方法和智能控制策略，使其智能化程度更 高； ( 2 )控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必对硬件 电路做改动； ( 3 )控制系统可靠性提高，易于标准化； ( 4 ) 系统维护方便； ( 5 )系统一致性好，成本低，生产制造方便： 在逆变器频率跟踪控制中传统的锁相环是利用集成锁相环c i ) 4 0 4 6 为核心的 模拟电路进行模拟控制。它工作在不用频率段需要用不同的滤波网络参数、死区时 间需要辅助电路来实现、跟踪范围窄，而且不可避免存在模拟电路的线性复杂、元 件易老化、零漂等缺点。随着数字化技术的发展，数字控制技术逐渐取代模拟控制 技术来实现传统的控制功能，同时也实现了一些更先进的控制功能。目前，对高性 能先进的运动控制系统，数字控制已被认为是唯一的实现方法。谐振逆变器频率跟 踪控制系统的控制实时性要求很高，数字控制技术相对于模拟技术控制具有性能稳 定、可靠、无零漂、抗干扰能力强等优点，同时，将可编程逻辑器件用于数字控制 系统具有明显的优越性，尤其是它的设计灵活和内部的高速处理能力，给设计者提 供了很大的方便。 本文采用以可编程逻辑器件为核心的数字化控制方法，存在许多优点，是逆变 电源发展的一个主要方向，加强对该课题的研究必然有很大的意义。 1 3 本文主要工作 根据已有的传统的谐振型逆变器频率跟踪技术，本论文将主要进行并联谐振型 3 华北电力人。学硕士学位论文 逆变器频率跟踪控制方法研究工作，重点是解决频率跟踪系统中锁相环的数字化并 通过可编程逻辑器件来实现数字锁相环( a d p l l ) ，丌发出相应的数字化控制硬件和 软件平台，为下一步的产品化建立基础。针对控制方法进行详细分析和设计，最后 得出实验结果。具体工作安排如下； ( 1 ) 研究现有的控制技术，分析其频率跟踪的控制原理。谐振型逆变器频率 跟踪主要由阈值电路、比较电路、锁相环闭环控制电路及驱动电路等部分组成。阈 值电路实现他激与自激之间的切换功能，比较电路用于将从负载侧取样的信号转换 为同频同相的方波信号，锁相环实现了频率跟踪及相位补偿，驱动电路则是将触发 脉冲放大，去触发逆变器中功率开关器件。 ( 2 ) 利用可编程逻辑器件( 如f p g a ) 实现全数字锁相环的设计。由前文所述， 传统的锁相环采用以c d 4 0 4 6 为核心的模拟电路进行控制，存在着线路复杂、调频 繁琐等诸多缺点。为克服这些，同时提高频率跟踪控制的性能，方便现场调试及运 行人员的操作，节省大量的人力物力，设计一种利用f p g a 实现的全数字锁相环。 ( 3 ) 设计并联谐振型逆变器频率跟踪控制系统的硬件电路。硬件电路的制作 包括电路设计、参数计算、仿真验证等。 ( 4 ) 对f p g a 芯片进行编程，在实现频率跟踪的同时实现它激自激转换、延 时和重叠时间形成等功能。对p f g a 进行编程( 或烧写) 主要有两种语言一一v e r i l o g 和v h d l 语言，本文采用v h d l 语言通过x i l i n x 公司的x i l i n xi s e 对f p g a 进行编 写，利用m o d e l s i m 对所编写的程序进行仿真验证。为了避免停机时由于设备进入 感性工作区造成的器件损坏，软件编写中设计一套他激频率的实时跟踪和修正方 法。 ( 5 ) 对设计的硬件电路进行制板、调试和实验，并得出实验结果，以验证该 控制电路的有效性和实用性。 华北电力人学硕十学位论文 第二章可编程逻辑器件的应用设计 可编程逻辑器件是本设计的一个重要组成部分，设计中的数字锁相环、他激 自激转换及重叠时间形成都有可编程逻辑器件来实现。本章就可编程逻辑器件及 f p g a 的发展状况、f p g a 的设计开发和硬件描述语言v h d l 作以下介绍。 2 1 可编程逻辑器件的发展概况 数字集成电路由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模 集成电路( v l s i c ，几万门咀上) 以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随 着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承 担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路( a s i c ) 芯片，而且希望a s i c 的设 计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的a s i c 芯片，并且立即投入 实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件( f p l d ) ，其中应用最广泛的当属现 场可编程门阵列( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) ”。 早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器( p r o m ) 、紫外线可按除只读存贮 器( e p r o m ) 和电可擦除只读存贮器( e e p r o m ) 三种。由于结构的限制，它们只能完成 简单的数字逻辑功能。其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻 辑器件( p l d ) ，它能够完成各种数字逻辑功能。典型的p l d 由一个“与”门和一个 “或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述，所以， p l d 能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。这一阶段的产品主要有p a l ( 可编 程阵列逻辑) 和g a l ( 通用阵列逻辑) 。p a l 由一个可编程的“与”平面和一个固定的 “或”平面构成，或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。p a l 器件 是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、e p r o m 技术和e e p r o m 技术。还有一 类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列( p l a ) ，它也由一个“与”平面和一 个“或”平面构成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。p l a 器件既有现场可 编程的也有掩膜可编程的。在p a l 的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑 g a l ( g e n e r i ca r r a yl o g i c ) ，如g a l l 6 v 8 ，g a l 2 2 v 1 0 等。它采用了e e p r o m 工艺，实 现了电可按除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有 很强的灵活性，至今仍有许多人使用。这些早期的p l d 器件的一个共同特点是可 咀实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小 的电路。为了弥补这一缺陷，2 0 世纪8 0 年代中期。a 1 t e r a 和x i l i f i x 分别推出了 类似于p a l 结构的扩展型c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 和与标准门 华北电力大学硕士学位论文 阵列类似的f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，它们都具有体系结构和逻辑 单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了p l d 和通用门阵列 的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其它a s i c ( a p p l i c a t i 0 3 s p e c i f i ci c ) 相t e ，它们又具有设计丌发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、 标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品 的原型设计和产品生产( 一般在1 0 ，0 0 0 件以下) 之中。几乎所有应用门阵列、p l d 和 中小规模通用数字集成电路的场合均可应用f p g a 和c p l d 器件“”圳。 图2 1 典型的p l d 的部分结构( 实现组合逻辑的部分) 2 2 f p g a 简介 1 9 8 5 年，x i l i n x 公司发明了世界上第一片f p g a 。随着半导体技术的迅速发展， 一代又一代集成度更高、速度更快的f p g a 陆续推出，同时大功能强大易用的软件 工具也相继推出，使得f p g a 很快占领了电子设计领域很大的一块市场。其主要有 以下优点旧圳： ( 1 ) f p g a 具有重复使用性，可以降低设计成本： ( 2 ) f p g a 运行速度高，一般可以工作在1 5 0 m h z 以上，可以适应不同设计 的需要： ( 3 ) f p g a 密度高，从1 0 万门到1 0 0 万门都有，可以满足不同的要求； ( 4 ) f p g a 开发技术比较成熟，有专用的e d a 工具，可以大量的提高开发 的速度； ( 5 )f p g a 有大量现成的i pc o r e ，方便进行复杂的系统设计。 f p g a 产品有多种系列，x c 3 0 0 0 、x c 4 0 0 0 、s p a r t a n 和v i r t e x 系列f p g a 已经基 本被淘，s p a r t a n x l 和v i r t e x e 系列f p g a 也逐步退出市场。目前，s p a r t a n i i 、 华北电力人学硕十学位论文 s p a r t a n i ie 和v i r t e x i i 是x i l i n x 公司的主流f p g a 。 x i l i n x 公司生产的s p a r t a ni l2 5 v 系列f p g a 为用户提供了高性能、充裕的 逻辑资源和丰富的特性集，而且价格低廉。该系列六种器件可提供密度为i 5 0 0 0 到 2 0 0 0 0 的系统门，如表2 1 所示，系统最高频率达2 0 0 m h z 。s p a r t a n i i 使用了先进 的处理技术和改进的基于v i r t e x 的结构，这样和其他f p g a 相比，每单位价格提供 了更多的门、i o 和特性。这些特性中包括块r a m ( 5 6 b i t s ) 、分布式r a m ( 7 5 2 6 4 b i t s ) 、 1 6 个可选的i o 标准和4 个d l l 。快速和可预测的互连迭代能够继续满足时序的要 求。 表4 1s p a r t a n i if p g a 系列 器件逻辑单 系统门c l b 总数最大可分布式块r a m 兀 用的用r a m 位总 位总数 户i o 数 数 x c 2 s 1 5 4 3 21 5 0 0 09 68 66 1 4 41 6 k x c 2 s 3 09 7 23 0 0 0 02 1 61 3 21 3 8 2 42 4 k x c 2 s 5 01 7 2 85 0 0 0 03 8 41 7 62 4 5 7 63 2 k x c 2 s l o o2 7 0 01 0 0 0 0 06 0 01 9 6 3 8 4 0 04 0 k x c 2 s 15 0 3 8 8 81 5 0 0 0 08 6 42 6 05 5 2 9 64 8 k x c 2 s 2 0 05 2 9 22 0 0 0 0 01 1 7 6 2 8 47 5 2 6 45 6 k 2 3 f p g a 的基本原理及特点 f p g a ( 现场可编程门阵列) 与c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 都是可编程逻辑器件， 它们是在p a l ，g a l 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的p a l ，g a l 等相比较， f p g a c p l d 的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用i c 芯片。这样的f p g a c p l d 实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的 广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑 器件。比较典型的就是x i l i n x 公司的f p g a 器件系列和a l t e r a 公司的c p l d 器件系 列，它们开发较早，占用了较大的p l d 市场。 尽管f p g a ，c p l d 和其它类型p l d 的结构各有其特点和长处，但概括起来，它们 是由三大部分组成的：一个二维的逻辑块阵列，构成了p l d 器件的逻辑组成核心： 华北电力人学硕十学位论文 输入输出块i 连接逻辑块的互连资源，由各种长度的连线线段组成，其中也有一 些可编程甑，。& ，j 。关，它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入输出块之怕j 的连接。 其结构原理图如图2 2 所示： 通常，f p g a 中寄存器资源比较丰富，适合做同步时序电路较多的设计；c p l d 中组合资源比较丰富，适合做组合电路较多的设计。而且f p g a 和c p l d 在规模、价 格及速度上略有差异。尽管f p g a 和c p l d 在某些方面有一些差异，但是对用户而言， c p l d 与f p g a 的设计方法是相似的，使用e d a 软件的设计过程也没有太大的差别。 设计时只需根据所选器件型号充分发挥器件的特性就可以了，所以多数情况下，不 加以区分。在本设计中，由于设计的程序占用可编程逻辑器件的容量大，c p l d 无法 实现全部功能，因此选用f p g a 作为核心进行设计。 图2 2 可编程逻辑器件( p l d ) 结构原理图 f p g a c p l d 芯片都是特殊的a s i c 芯片，它们除了具有a s i c 的特点之外，还具 有以下几个优点“”w ： 随着v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei c ，超大规模集成电路) 工艺的不断提高，单一 芯片内部可以容纳上百万个晶体管，f p g a c p l d 芯片的规模也越来越大，其单片逻 辑门数己达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。 f p g a c p l d 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投 片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完 成芯片的最终功能设计。所以，f p g a c p l d 的资会投入小，节省了许多潜在的花费。 用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件 就可实现不同的功能。所以，用f p g a p l d 试制样片，能以最快的速度占领市场。 f p g a c p l d 软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全线 华北电力大学硕十学位论文 产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直 至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出f p g a c p l d 的优势。电路 设计人员使用f p g a c p l d 进行电路设计时，不需要具备专门的i c ( 集成电路) 深层 次的知识，f p g a c p l d 软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计， 快速将产品推向市场。 2 4 f p g a 的设计与开发 f p g a 的设计是指利用开发软件和编程工具对器件进行开发的过程。可编程逻辑 器件的设计流程如图2 3 所示，它包括设计准备、设计输入、设计处理和器件编程 四个步骤以及相应的功能仿真( 前仿真) 、时序仿真( 后仿真) 和器件测试三个设计验 证过程。 2 4 1 设计准备 图2 3f p g a 设计流程 在对可编程逻辑器件的芯片送行设计之前，首先要进行方案论证、系统设计和 器件选择等设计准备工作。设计者首先要根据任务要求，如系统所完成的功能及复 杂程度，对工作速度和器件本身的资源、成本及连线的可布性等方面进行权衡，选 择合适的设计方案和合适的器件类型。 华北电力人学硕十学位论文 数字系统设计有多种方法，如模块设计法、自顶向下( t o p d o w n ) 设计法和自 底向上设计法等等。自顶向下设计法是目前最常用的设计方法，也是基于芯片的系 统设计的主要方法。它首先从系统设计入手，在顶层进行功能划分和结构设计，采 用硬件描述语言对高层次的系统进行描述，并在系统级采用仿真手段验证设计的正 确性，然后再逐级设计低层的结构。由于高层次的设计与器件及工艺无关两且在 芯片设计前就可以用软件仿真手段验证系统方案的可行性，因此自顶向下的设计方 法有利于在早期发现结构设计中的错误，避免了不必要的重复设计，提高了设计的 一次成功率。 自顶向下的设计采用功能分割的方法从顶向下逐次进行划分。在设计过程中采 用层次化和模块化将使系统设计变得简洁和方便。层次化设计是分层次、分模块地 进行设计描述。描述器件总功能的模块放在最上层，称为顶层设计，描述器件某一 部分功能的模块放在下层称为底层设计：底层模块还可以再向下分层，这种分层 关系类似于软件设计中的主程序和子程序的关系。层次化设计的优点一是支持模块 化，底层模块可以反复被调用，多个底层模块也可以同时由多个设计者同时进行设 计，因而提高了设计效率；其次模块化设计比较自由，它既适合于自顶向下的设计， 也适合于自底向上的设计。 2 4 2 设计输入 设计者将所设计的系统或电路以开发软件要求的某种形式表示出来，并送入计 算机的过程称为设计输入。设计输入通常有以下几种方式： 1 原理图输入方式 这是一种最直接的设计描述方式，它使用软件系统提供的元器件库及各种符号 和连线画出原理图，形成原理图输入文件。这种方式大多用在对系统及各部分电路 很熟悉的情况，或在系统对时间特性要求较高的场合。当系统功能较复杂时，原理 图输入方式效率低，它的主要优点是容易实现仿真，便于信号的观察和电路的调整。 2 硬件描述语言输入方式 硬件描述语言是用文本方式描述设计，它分为普通硬件描述语言和行为描述语 言。 普通硬件描述语言有a b e l - - h d l 、c u p l 等，它们支持逻辑方程、真值表、状态 机等逻辑表达方式。 行为描述语言是目前常用的高层硬件描述语言，有v h d l 和v e r i l o g - - h d l 等。 它们都己成为i e e e 标推，并且有许多突出的优点：如语言与工艺的无关性，可以 0 华北电力火学硕士学位论文 使设计者在系统设计、逻辑验证阶段便确立方案的可行性；又如语言的公开可利用 性，使它们便于实现大规模系统的设计等，同时硬件描述语言具有很强的逻辑描述 相仿真功能，而且输入效率高，在不同的设计输入库之间转换非常方便。因此，运 用v h d l 、v e r i l o g h d l 硬件描述语言设计已是当前的趋势。 3 波形输入方式 波形输入主要用于建立和编辑波形设计文件以及输入仿真向量和功能测试向 量。 波形设计输入适合用于时序逻辑和有重复性的逻辑函数。系统软件可以根据用 户定义的输入输出波形自动生成逻辑关系。 波形编辑功能还允许设计者对波形进行拷贝、剪切、粘贴、重复与伸展。从而 可以用内部节点、触发器和状态机建立设计文件，并检波形进行组合，显示各种进 制的状态值，还可以通过将一组波形置叠到另一组波形上，对两组仿真结果进行比 较。 2 4 3 设计处理 这是器件设计中的核一t 3 环节。在设计处理过程中，编译软件将对设计输入文件 进行逻辑化简、综合和优化，并适当地用片或多片器件自动地进行适配，最后产 生编程用的编程文件。 1 语法检查和设计规则检查 设计输入完成之后，在编译过程中首先进行语法检验，如检查原理图有无漏连 信号线，信号有无双重来源，文本输入文件中关链字有无输错等各种语法错误，并 及时列出错误信息报告供设计者修改；然后进行设计规则检验，检查总的设计有无 超出器件资源或规定的限制并将编译报告列出，指明违反规则情况以供设计者纠 正。 2 逻辑优化和综合 化简所有的逻辑方程或用户自建的宏，使设计所占用的资源最少。综合的目的 是将多个模块化设计文件合并为一个网表文件，并使层次设计平面化( 即展平) 。 3 适配和分割 确定优化以后的逻辑能否与器件中的宏单元和i o 单元适配，然后将设计分割 为多个便于适配的逻辑小块形式映射到器件相应的宏单元中。如果整个设计不能装 入一片器件时，可以将整个设计自动划分( 分割) 成多块并装入同一系列的多片器件 中去。 华北叱力人学硕十学1 ： 7 _ 论文 划分( 分割) 工作可以全部自动实现，也可以部分由用户控制，还可以全部由用 户控制进行。划分时应使所需器件数目尽可能少，同时应使用于器件之间通信的引 脚数目最少。 4 布局和布线 布局和布线工作是在设计检验通过以后由软件自动完成的，它能以最优的方式 对逻辑元件布局，并准确地实现元件间的互连。 布线以后软件会自动生成布线报告，提供有关设计中各部分资源的使用情况等 信息。 5 生成编程数据文件 设计处理的最后一步是产生可供器件编程使用的数据文件。对c p l d 来说，是 产生熔丝图文件，即j e d e c 文件( 电子器件工程联合会制定的标准格式，简称j e n 文件) ：对于f p g a 来浇，是生成位数据流文件( b i t s t r e a mg e n e r a t i o n ) 。 2 4 4 设计校验 设计校验过程包括功能仿真和时序仿真，这两项工作是在设计处理过程中间同 时进行的。 功能仿真是在设计输入完成之后，选择具体器件进行编译之前进行的逻辑功能 验证，因此又称为前仿真。此时的仿真没有延时信息，对于初步的功能检测非常方 便。仿真前，要先利用波形编辑器或硬件描述语音等建立波形文件或测试向量( 即 将所关心的输入信号组合成序列) ，仿真结果将会生成报告文件和输出信号波形， 从中便可以观察到各个节点的信号变化。若发现错误，则返回设计输入中修改逻辑 设计。 时序仿真是在选择了具体器件并完成布局、布线之后进行的时序关系仿真，因 此又称后仿真或延时仿真。由于不同器件的内部延时不一样，不同的布局、布线方 案也给延时造成不同的影响，因此在设计处理以后，对系统和各模块进行时序仿真， 分析其时序关系，估计设计的性能以及检查和消除竞争冒险等是非常有必要的。实 际上这也是与实际器件工作情况基本相同的仿真。 2 4 5 器件编程 编程是指将编程数据放到具体的可编程器件中去。 对c p l d 器件来说是将5 e d 文件“下载( d o w nl o a d ) ”到c p l d 器件中去，对f p g a 来说是将位流数据b i t 文件“配置7 到f p g a 中去。 华北电力大学硕士学位论文 器件编程需要满足一定的条件，如编程电压、编程时序和编程算法等。普通的 c p l d 器件和一次性编程的f p g a 需要专用的编程器完成器件的编程工作。基于g r a m 的f p g a 可以由e p r o m 或其它存储器进行配置。在系统的可编程器件( i s p p l d ) 则 不需要专门的编程器，只要一根下载编程电缆就可以了。 器件在编程完毕之后，可以用编译时产生的文件对器件进行检验、加密等工作。 对于具有边界扫描测试能力和在系统编程能力的器件来说，测试起来就更加方便。 2 5v h d l 硬件描述语言 目前，电子系统正向着集成化、大规模和高速度的方向发展，所需要的集成电 路的规模越来越大，复杂程度也越来越高。对于如此大规模和复杂电路的设计问题， 传统的门级描述方法显得过于琐碎，因而难以理解和管理，这就迫使人们寻求更高 抽象层次的描述方法和采用高层次的、自顶向下的设计方法。逻辑图和布尔方程虽 然可用来描述硬件且抽象程度高于门级描述方法，但对于复杂的电路，这种描述仍 显得过于繁琐而不便于使用，在高于逻辑级的抽象层次上，这种方法很难以简练的 方式提供精确的描述，在自顶向下的设计方法中不能再把它当作主要的描述手段 i 2 1 】 硬件描述语言( 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 ，h d l ) 就是顺应人们的这一需 要而产生和发展起来的，它是一种能够以形式化方式描述电路的结构和行为并用于 模拟和综合的高级描述方法。h d l 具有类似于高级程序设计语言的抽象能力，有些 h d l 本身就是从已有的程序设计语言( 如p a s c a l ) 发展而来，但其主要目的是用来编 写设计文件并建立硬件电路( 器件) 的逻辑模型。硬件系统的基本性质和硬件设计的 方法决定了h d l 的主要特性。h d l 的语法和语义定义都是为描述硬件的行为服务， 它应当能自然地描述硬件中并行的、非递归的特性以及时间关系。一般认为，h d l 应当具有以下能力： 能在希望的抽象层次上进行精确而简练的描述。 易于产生用户手册、服务手册等文件，以便多人配合工作。 在不同层次上都易于形成用于模拟和验证的设计描述。 在自动设计系统中( 例如高层次综合、硅编译器等) 可作为设计输， 可以进行硬、软件的联合设计，消除径、软件开发时间上的间隔。 易于修改设计和把相应的修改纳入设计文件中。 在希望的抽象层次上可以建立设计者与用户的通信界面。 从2 0 世纪6 0 年代开始，为了解决大规模复杂集成电路的设计问题，许多e d a 华北电力犬学硕+ 学侮论文 厂商和科研机构就建立和使用着自己的电路硬件描述语言，如d a t ai o 公司的a b e l h d l ，a i t e r a 公司的a h d l ，m i c r o s i m 公司的d s l ，等等。这些硬件描述语言各具 特色，普遍收到了优于传统方法的实际效果，语言本身也在应用中不断地发展和完 善。逐步成为描述硬件电路的重要手段。然而，随着h d l 应用的逐步深入，人们发 现，各种非标准h d l 之间存在的差异已成为束缚设计考选择最佳的设计环境和进行 相互交流的巨大障碍，因此，要求h d l 标准化的呼声越来越高。 美国国防部的工程项目有着众多的承包人。他们曾使用着多种设计语言使得 承包人甲的设计不能被承包人乙再次利用，这就造成了信息交换和设计维护方面的 困难。为了解决这个问题，2 0 世纪8 0 年代初美国国防部为其超高速集成电路计划 ( v h s i c ) 提出了硬件描述语言v h d l ( v h s i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o hl a n g u a g e ) ，作为 该计划的标准h d l 格式。在使用中，v h d l 很好地体现了标准化的威力，因而逐步得 到推广。1 9 8 7 年1 2 月，i e e e ( 电气和电子工程师协会) 正式接受v h d l 作为国际标准， 编号为i e e es t d l 0 7 6 1 9 8 7 ，即v h d l 8 7 。1 9 9 3 年，对v h d l 又作了若干修改，增 加了一些功能，新的标准版本记作i e e es t d l 0 7 6 1 9 9 3 ，即v h d l 9 3 。严格地说， v h d l 9 3 和v h d l 8 7 并不完全兼容，新标准增加了一些保留字并则去了某些属性。 但是，对v h d l 8 7 的源码只需作少许简单的修改就可成为合法的v h d l 9 3 代码。 目前，对v h d l 9 3 的扩展工作仍在进行之中，目标是使v h d l 既能描述数字电路， 又能描述模拟电路( v h d l a m s ) 。 概括地说，v h d l 具有以下主要优点： v h d l 具有强大的功能，覆盖面广，描述能力强，可用于从门级、电路级直至 系统级的描述、仿真和综合。v h d l 支持层次化设计，可以在v h d l 的环境下，完成 从简练的设计原始描述。经过层层细化求精，最终获得可直接付诸生产的电路级或 版图参数描述的全过程。 v h d l 有良好的可读性。它可以被计算机接受，也容易被读者理解。用v h d l 书写的源文件，既是程序又是文档，既是技术人员之间交换信息的文件，又可作为 合同签约者之间的文件。 v h d l 有良好的可移植性。作为一种已被i e e e 承认的工业标准，v h d l 事实上 已成为通用的硬件描述语言，可以在不同的设计环境和系统平台中使用。 使用v h d l 可以延长设计的生命周期。因为v h d l 的硬件描述与工艺技术无关， 不会因工艺变化而使描述过时。与工艺技术有关的参数可通过v h d l 提供的属性加 以描述工艺改变时，只需修改相应程序中的属性参数即可。 v h d l 支持对大规模设计的分解和已有设计的再利用。v h d l 可以描述复杂的 华北电力大学硕士学位论文 电路系统，支持对大规模设计进行分解，由多人、多项目组来共同承担和完成。标 准化的规则和风格，为设计的再利用提供了有力的支持。 另一种已于1 9 9 5 年正式成为国际标准的h d l 是v e r i l o gh d l ，编号为 v e r i o g h d l l 3 5 4 - - 1 9 9 5 。其待点是编程风格与c 语言相似，因而比较容易掌握。它 推出的时间比v h d l 早，系统抽象能力稍逊于v h d l ，而对门级开关电路的描述能力 则优于v h d l ，在许多领域的应用也很普遍。 目前在国际上，以标准化硬件描述语言和逻辑综合为基础的自顶向下的电路设 计方法已十分流行。大多数e d a 工具均引入了v h d l ，有些甚至用v h d l 取代了原有 地非标准h d l ，这一趋势越来越明显。 华北电力火学硕士学位论文 第三章逆变器频率跟踪控制系统的原理与分析 逆变器为了适应负载变化，提高工作性能和可靠性，其控制电路必须具有 自动频率跟踪功能，而且由于逆变器输出频率的提高，频率跟踪电路的快速性 和准确性要求也相应提高。本章首先对谐振型逆变器工作原理进行了分析。在 此基础上，通过对并联型逆变器在各种工作状态下器件工作环境、设备的整体 效率等因素的详细分析，得出了并联型逆变器必须工作在容性准谐振状态下才 能得到最佳运行效果的结论。其次分析了传统的频率跟踪控制的原理和性能， 设计了全数字锁相环模型及数学模型并对其性能进行了分析。 3 1 谐振型逆变器原理分析 3 1 1 谐振型逆变器工作原理 逆交器的基本功能是将输入侧直流电流或电压转化为负载侧某一频率的交 流电流或电压，其工作频率由开关器件的开关频率来决定，逆变器的工作状态 将决定其输出功率因数【2 j 。 由于电容器与感应线圈的连接方法不同，构成了性能差异的各种逆变器， 在实际生产中主要有串联谐振型逆交器和并联谐振型逆变器两种，其拓扑结构 如图3 1 所示。图3 1 a 所示为并联谐振型逆变器，这种逆变器具有电路结构简 单，电源运行可靠，对负载适应能力强且过流保护容易等优点；而图3 1 b 所示 的串联谐振型逆变器则易于频繁起动，且易实现全工况下恒功率输出及一机多 负载功率分配控制。虽然这两种逆变器各有各的特点，适用于不同的场合，但 是从电路结构和控制原理上来说，它们具有对偶关系。 图3 1 a 并联谐振型逆变器结构图图3 1 b 串联谐振型逆交器结构图 华北电力大学硕+ 学位论文 为对于并联谐振型逆变器，当其正常工作时，功率开关器件t 1 、t 3 和t 2 、 t 4 轮流，f ：通和关断，负载侧得到近似为矩形波的交流电流，其幅值为直流侧滤 波电感输出电流值i d 。由于在f 常工作中，并联逆变器负载处于准谐振状念， 因此负载回路对其电流中接近谐振频率f 0 的基波成分呈现高阻抗，而对于其它 高次谐波成分则呈现低阻抗，谐波电压分量被衰减掉，所以负载两端的电压波 形接近为正弦波。 由于并联逆变器采用电感式滤波器滤波，相当于由恒流源供电，所以当上 下桥臂同时断开时，大滤波电感中储存的巨大能量无处释放，将在逆变桥输入 侧形成高压尖峰，很可能将逆变器中的功率开关器件击穿，造成逆变电路损坏。 因此，为了避免这种情况的发生，桥臂上功率器件换流时必须遵循“先开通， 后关断”的原则，即在一小段时间内，所有的功率器件都处于开通状态，形成 桥臂短路，这一小段时间称为重叠导通时间。在重叠导通时俺l 内，大电感的存 在将使得短路电流不会产生突变，因此只要换流的过程够快，在功率器件的电 流容量裕度范围内该电流是不会形成危害的。 对于逆变器的控制电路，串联谐振型逆变器控制电路除了具有频率自动跟 踪的功能外，还可能承担输出功率调节的任务 2 3 - 2 5 ，而并联逆变器的控制电路 则只承担频率跟踪任务，而对其频率跟踪状态将影响逆变器的工作状态。 3 1 2 谐振型逆变器工作状态分析 为方便起见，我们针对图3 1 a 所示的并联谐振型逆变器进行工作状态分析。 假设其负载固有谐振频率为i o ，逆变器的工作频率由功率器件的开关频率决定， 其逆变器可以有以下三种工作状态： ( 1 ) 逆变器工作频率f f 。 假设功率开关器件以及正向串联快恢复二极管运行于理想状态，每个桥臂 引线电感为l k ，下面分情况加以讨论： ( 1 ) 逆变器工作频率f f 。 逆变器工作频率高于负载固有谐振频率时，负载呈现容性状态，逆变器输 出电压相位滞后于输出电流。 当某时刻开关器件t 1 、t 3 导通时，直流电流i d 经开关t 1 一负载一开关 t 3 形成回路，负载电流为正向，此时，t 2 、t 4 都处于关断状态，由于电压落后 于电流，二极管d 2 、d 4 承受反压，当负载电压过零变为正向后，二极管d 2 、 d 4 导通t 2 、t 4 承受正向正弦电压：当负载e 向电压还未过零时，在t 2 、t 4 上加导通脉冲，在负载电压作用下与t l 、t 3 发生换流；当换流结束后，在t 1 、 t 3 上加关断脉冲，t l 、t 3 在小电流下关断：当t l 、t 3 关断以后，电流i d 经 t 2 一负载t 4 形成回路，电流为负向，此时电压仍为正向，n - - 极管d 1 、d 3 承受反压；当负载电压过零变为负向电压时，二极管d l 、d 3 导通，t 1 、t 3 承 受正向正弦波电压，当负载负向电压还未过零时，在t 1 、t 3 上加导通脉冲，同 样在负载电压的作用下与t 2 、t 4 发生换流，换流结束后将t 2 、t 4 关断，其过 程与前半周期相似。这样就完成了一个周期的工作，该过程中各点的波形如图 3 2 ( c ) 所示。 由以上分析可知，在实际运行中，为了避免感性状态下的电压尖峰引起的 开关器件损坏，并联谐振型逆变器应工作在容性状态下，且容性角度不宜过小， 如果容性角度过小，则可能会因为换流时间太短，在还未实现桥臂间的完全换 流时开关器件就在大电流下强制关断，从而使引线电感感应电压尖峰，造成主 电路安全问题。这说明了只要能够控制逆变器容性功率因数角大小就可以避免 主电路i g b t 承受电压失峰，保证其安全运行。 3 2 频率跟踪的控制原理及特性 9 华北电力大学硕+ 学位论文 3 2 1 锁相环基本原理 锁相环是一个相位反馈控制系统，其作用是实现对输入信号频率和相位的 自动跟踪，它跟踪固定频率的输入信号时没有频差，跟踪频率变化的输入信号 时精度也很高。虽简单锁相环的结构框图如图3 3 所示，它包括三个部分：鉴 相器p d ( p h a s ed e t e c c t o r ，也称“相位比较器”) 、低通滤波器l p f ( l o wp a s s f i l t e r ) 和压控振荡器v c 0 ( v o l t a g ec o n t r o l l e d0 s c i l l a t o r ) 。 图3 3 锁相环结构框图 鉴相器把一个周期性的输入信号v ，( t ) 与压控振荡器输出信号v 。( t ) 的相位 进行比较，产生对应于两信号相位差大小的误差信号电压v