（电力电子与电力传动专业论文）基于fpga的逆变电源控制器的研究.pdf

武汉理上人学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ei m p o r t a n td e p a r t m e n t sa n de l e c t r i ce q u i p m e n t sn e e dm o r ea n dm o r eh i 曲 q u a l i t yp o w e rs u p p l y , b u tt h eu t i l i t yp o w e ri ss t a i n e ds t r i c t l yb yh a r m o n i c sw h i c h m a n ye l e c t r o n i cc o m p o n e n t sa n dn o n l i n e a rl o a d sb r i n go n t h ec o n f l i c ti sq u i t e e v i d e n t i nr e c e n ty e a r st h er e s e a r c h e sf o rh i g hp e r f o r m a n c ep w mi n v e r t e ra r et a k e n m o r ea t t e n t i o n t h i st h e s i su s e dam a t u r em o d e lo fs i n g l e - p h a s ev o l t a g es o u r c ep w m i n v e r t e rt or e a l i z ec o n t r o l l e ro fi n v e r t e r w eh a v ec a r r i e do u tp r e l i m i n a r yr e s e a r c ho n s y s t e m a t i cf u n c t i o np a r t i t i o n ，h a r d w a r ea l g o r i t h m ，w h o l es y s t e m a t i ch a r d w a r ed e s i g n a n do p t i m i z a t i o n ，p i p e l i n et e c h n o l o g y , e t c f i r s t l y , w eh a v ec a r r i e do u tt h eh a r d w a r ea l g o r i t h m c o n t r o lu n i t a n dt h e n ， s 仃u c t u r ea n dt h ef e a t u r eo ff p g ad e v i c eh a v eb e e ni n t r o d u c e d w eh a v ea n a l y z e dt h e s e l e c t i n gp r i n c i p l ea n ds p e c i f i c a t i o n so ff p g a ，a sw e l la st h er e l a t e dd e v e l o p e n v i r o n m e n ta n dt 0 0 1 t h e nw es y s t e m a t i c a l l ye l a b o r a t e dt h ed e s i g nm e t h o d o l o g yo f f p g a d e s i g n ，a n dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fu s i n g t h eq u a r t u si i o nt h i s f o u n d a t i o n , t h eh a r d w a r ea l g o r i t h mo fd d ss t a n d a r d s i n ew a v e g e n e r a t o ra n dd i g i t a lp h a s e - l o c kl o o p ( d p l l ) h a v eb e e ds t u d i e d w eh a v ec o m p l e t e d t h em o d u l a rd e s i g n t h ep r i n c i p l eo fs p w mt e c h n i q u ei si n t r o d u c e da n dt h ed i g i t i z a t i o no fn a t u r a l s a m p l i n gb a s e ds p w mi sd i s c u s s e d ，i nt h e s es i t u a t i o n , w ed e s i g nan e wm e t h o do f s p w mw i t hf p g ab a s e do nn a t u r a ls a m p l i n g , n a m e dd i 【g l t a ln a t u r a ls a m p l i n g s p w mw a v ec a nb eo b t a i n e dt h r o u g hd i g i t a ls i n ew a v em o d u l a t i n gc a r r i e rw a v e t h i si st h eu l t i m a t ep r i n c i p l eo fd i l g i t a ls a m p l i n g t h ec a r r i e rw a v ef r e q u e n c yi s 10 k h za n dm o d u l a t ew a v ef r e q u e n c yi s1 - 6 0 h zc a nb em o d u l a t e d t h ec o n t i n u o u sa n dd i s c r e t em a t h e m a t i c a lm o d e l so fas i n g l e - p h a s ev o l t a g e s o u r c ep w mi n v e r t e ra l ee s t a b l i s h e d ，t h ed e s i g nm e t h o db a s e do np o l e - a s s i g n m e n ti s u s e df o rd e s i g no fi n v e r t e rv o l t a g ea n dc u r r e n td u a l - l o o pc o n t r o l l e r a tt h es a m et i m e ， s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lh a v eb e e ng i v e n ，w h i c hi n d i c a t e st h a ti n v e r t e rs y s t e m s p r o v i d e sf a s td y n a m i cr e s p o n s ea n dn i c es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s t h eh i 曲s p e e da d v a n t a g eo ff p g a so p e r a t i o ni sm a d eh a r dt od e m o n s t r a t ef o r i i 武汉理t 大学硕十学位论文 t h ei n c o n s e q u e n c ei ns t r u c t u r a la r r a n g e m e n t t h ep i p e l i n et e c h n o l o g yh a dw e l ls o l v e d t h i s p r o b l e m w ep r e s e n t san e wp i p e l i n eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h e i n v e r t e r c o n t r o l l e r a n a l y z e dt h ed e s i g np r o c e s si nd e t a i la n do f f e r e dal ( i n do ft h o u g h tf o rt h e p e o p l ew h od e v o t e dt of p g a sa p p l i c a t i o ni np o w e r e l e c t r o n i cf i e l d t h es i m u l a t i v e a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f i e dt h ec o r r e c t n e s s k e yw o r d s ：i n v e r t e r , f p g a ，s p w m ，d d s ，d p l l ，h a r d w a r ea l g o r i t h m i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生虢魂醯日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 龆啤新躲珥吼 武汉理工大学硕十学位论文 1 1 课题研究背景 1 1 1 不间断电源 第1 章绪论 现代社会离不开电源，工农业生产、国防建设、教育、环境保护、医疗卫 生、交通运输、衣食住行、文化娱乐、办工学习、科学研究、照明、通讯、宇 宙探索等等，哪一样都少不了电源。电能是目前人类生产和生活中最重要的一 种能源形式。在各个领域中，除了发电厂提供的单一频率、电压的电源外，大 量需要各种类型的电力变换装置和变换系统，将一种频率、电压、波形的电能 变换为另一种频率、电压、波形的电能，使用电设备处于各自理想的最佳工作 状况或满足用电负载的特殊工作情况需求，以获得最大的技术经济效益。经过 变换处理后再供用户使用的电能占全国总发电量的百分比值的高低，已成为衡 量一个国家技术进步的主要标志之一【1 1 。目前，全球范围内该指标的平均数为 4 0 ，已形成了全球6 0 0 亿美元电力电子产品市场，支撑着5 7 0 0 亿美元的电 器电子硬件产品。据美国国家电力科学研究院预测，至2 0 1 0 年8 0 的电能将 通过电力电子技术的处理1 2 1 。 通常，将直流电变换成交流电的过程叫逆变，完成逆变功能的电路称为逆 变电路，实现逆变过程的装置叫逆变器。在电力变换和控制领域中，逆变器目 前几乎都是采用p w m 控制方式，p w m 逆变器的应用领域大致分为以下几类： ( 1 ) 交流稳定电源口h 5 1 ；( 2 ) 电力传动与变频电源；( 3 ) 电力系统中的应用；( 4 ) 新能 源供电系统。 随着信息技术的发展，完全依靠公用电网对负载供电根本满足不了要求， 因为公用电网电压和频率的急剧波动、供电的瞬时或长期中断，以及在电网上 出现的各种人们无法预料和控制的干扰、高能浪涌等都可能造成计算机等重要 用电设备的硬件损坏或导致计算机的计算错误和数据丢失，为满足计算机等重 要负载对高可靠和高质量电源的需求，近年来u p s 不间断电源越来越广泛地被 选用。在今后相当长的一段时间内，我国市电电网供电不足、电压波动大、干 武汉理上大学硕士学位论文 扰严重的局面仍将存在，各行业的快速发展对供电质量提出了越来越高的要求， 尤其是实时性很强的重要部门和重要用电设备对供电质量的要求与我国电网实 际状况的矛盾日益尖锐，而u p s 能够有效改善供电的品质，使之成为人们关注 的焦点，图1 1 是种典型的在线式u p s 系统框图，其中的逆变器是整个系统 的核心，对u p s 的供电性能起决定性作用。 交流输 l 图1 1 在线式u p s 结构图 u p s 的核心部件是逆变器，还包括蓄电池、整流器、充电器、转换开关、 滤波及稳压装置等。电网的交流输入，经整流器变成直流电，一路经充电器， 对蓄电池进行充电；另一路则经逆变器把直流电变换成交流电，再经过滤波器 滤波后输出。 所谓在线式，其逆变器一直出于工作状态，输出电压总是由逆变器提供。 当电网正常供电时，由交流输入整流器供给逆变器直流输入电流，此时蓄电池 出于浮充状态。当电网严重欠压或断电时，则由蓄电池提供逆变器的输入电流。 转换工作是由二极管进行，因此速度极快，通常在毫秒量级。故称之为零中断， 意即转换时间为零。 1 1 2 不问断电源的研究状况 在国内，对于u p s 的开发和应用，已经引起了电源专家和计算机专家们的 重视。由于计算机以及其他电子设备的大量使用，而我国能源紧缺、供电质量 又不高，u p s 在国内市场上有相当大的潜力。因此，对u p s 的实际需要，将比 西方国家更为迫切。据香港国际电子商情估计，国内对5 0 k v a 以下的u p s 需求量较大，但目前还只能依靠进口。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 3 不间断电源逆变器的类型与特点 u p s 技术性能，在很大程度上决定于逆变器的电路形式。如：输出波形、 效率、可靠性、瞬变响应能力、噪声以及体积重量等，都与逆变器的电路形式 有关。按照电路的特点，可分为如下具有代表性的8 种类型。 ( 1 ) 纯正弦波型：输出波形由振荡器线性放大器产生，无谐波，负载瞬时 响应好，但装置笨重，效率低，只用于小功率装置中。 ( 2 ) 方波型：采用方波逆变桥式斩波器。线路简单，但谐波含量很高，已 逐渐淘汰。 ( 3 ) 稳压变压器型( c ) ：采用铁磁谐振电路，线路简单，波形接近正 弦，可靠性高，价格低；但负载瞬时响应差，输出电压不可调。 ( 4 ) 准方波型( q s w ) ：采用两个方波逆变桥移相叠加产生，或用p w m 方法产生。线路简单，可靠性好，价格低，但谐波高，需要体积较大的滤波器， 故负载瞬时响应差，效率不高。 ( 5 ) 阶梯波型( s w ) ：采用多个方波叠加而成，滤波后波形好，负载瞬时 响应好，效率高，但线路复杂，多用于3 0 k v a 以上的装置中。 ( 6 ) 脉宽调制型( p w m ) ：用高频方波，经微机或数控合成，波形好，低 序谐波少，负载瞬时响应好，效率高、可靠性高，但载波较低时，有音频噪声。 ( 7 ) 脉宽调制阶梯波型( p w s w ) ：综合了p w m 和s w 的优点，使效果更 高，瞬时响应更好，但线路复杂，可靠性稍差。 ( 8 ) 合成正弦波型：用微处理器控制，按p r o m 中储存的波形模式合成正 弦波，波形好，效率高，可靠性好，瞬时响应也很好。 1 1 4 不间断电源的数字化发展趋势 新的高效的交流稳定电源的实现还依赖于控制技术的发展。控制技术的发 展主要体现在两个方面：高性能的控制芯片和理想易实现的控制策略舻l 。 微电子技术的发展为u p s 的控制技术提供了新的思路。人们希望u p s 能满 足各种不同负载的要求( 如非线性负载，三相不平衡负载) 拥有很高的可靠性 的同时又具备多种智能功能。而传统的模拟技术很难实现这些，这就使得数字 技术成为一个必然趋势。 模拟控制技术的优点在于响应速度快，应用方式成熟，有比较规范的开发 3 武汉理工人学硕+ 学位论文 设计方法。但它存在着许多缺点，比如各个元件之间复杂的连接，元件质量的 差异、老化和不可补偿的温漂问题，容易受到外界的干扰。对于新型的控制方 法用模拟系统来实现则显得过于复杂。 采用高速微处理器来实现控制算法，能较好的解决上述问题，抗干扰能力 也大大增强。同时能简化控制电路的设计、减少器件的数目、降低成本，极大 的缩短了开发时间。在当今竞争激烈的市场上，这一点尤为重要。 直接数字控制与对应的模拟控制相比，有下列优点： ( 1 ) 在数字控制器中数据处理是直截了当的，很容易执行复杂的控制算法。 ( 2 ) 根据需要可以很容易改变控制程序( 控制器特性) ，通用性极强，升 级方便。 ( 3 ) 从噪声和漂移效应的角度来看，数字控制器远较相应的模拟控制器优 越。能以恒定的精确度快速执行复杂计算，抗干扰能力强。 ( 4 ) 数字控制器特有的控制策略( 重复控制、无差拍控制) 用模拟方式无 法实现。 ( 5 ) 具有较强的监控功能，系统维护方便； ( 6 ) 数字式部件结构牢固，可靠性高，体积小，重量轻，易于标准化。 然而数字控制器也有一些不足：采样和量化过程产生的误差，使系统性能 有所下降；控制延迟也降低系统的性能；设计数字控制器去补偿此种性能下降， 比设计一个同等性能水平的模拟控制器更复杂。 1 2 逆变器的控制技术 1 2 1 硬件技术 电力电子电路控制硬件技术的发展趋势是硬件集成化的模拟控制和硬件软 件化的全数字化控制。集成化是指将尽可能多的功能模块集成，设计为一块芯 片，从而简化电路设计，这方面的工作主要体现为各种波形发生器、3 2 变换器 等，目的在于使电力电子控制设计标准化，适合大批量定型生产。数字控制的 优势在于用微处理器实现各种复杂控制策略，硬件通用性好，具有高度的灵活 性、智能性和可移植性，适合多用途的研究开发工作。数字控制系统中微处理 器的性能在很大程度上决定整个系统的性能，一般用途的微处理器由于运算速 4 武汉理j ：大学硕十学位论文 度的限制往往不能满足p w m 逆变器输出电压瞬时控制的要求，微电子技术的飞 速发展使得数字控制技术实时性方面的障碍逐步得到克服。 复杂数字系统的设计是一个把思想( 即算法) 转化为实际数字逻辑电路的 过程。同一个算法可以有不同结构的数字逻辑电路来实现，这从运算的结果来 说可能是完全一致的，但其运算速度和性价比可以有很大的差别。我们可用许 多种不同的方案来实现实时算法的复杂数字系统电路。常有以下三种方案： ( 1 ) 以专用微处理芯片m c u m c u 的的特点是具有速度快，功能强、效率高、体积小，性能可靠、抗干 扰力强等优点，应用广泛。单片机主要用作数据采集和运算处理、电压和电流 调节、p w m 信号生成、系统状态监控和故障诊断等，作为整个电路的主控芯片 运行，完成多种综合功能，配合d a 转换器和功率开关模块实现脉宽调制。单 片机的工作频率与控制精度是一对矛盾，且处理速度很难满足高频电路的要求。 ( 2 ) 采用d s p 控制 d s p 是近年来迅速崛起的新一代可编程处理器，其内部集成波特率发生器 和f i f o 缓冲器，提供高速同步串口和标准异步串口，有的片内还集成了采样 保持和a d 转换电路，并提供p w m 信号输出。与m c u 相比，d s p 的优势 表现在数据处理能力强、高运算速度，能实时完成复杂运算、单周期多功能指 令、p w m 分辨率高，采样周期短。d s p 属于精简指令系统计算机( r i s c ) ，采 用改进的哈佛结构，具有独立程序和数据空间，允许同时存储程序和数据。内 置高速的硬件乘法器，增加多级流水线，使其具有高速的数据运算能力。单片 机为复杂指令系统计算机( c i s c ) ，采用冯诺依曼结构，程序和数据在同一空间存 储，同一时刻只能单独访问指令或数据。单片机a l u 只能做加法，而乘法需 要由软件来实现，因而需要占用较多的指令周期，速度比较慢。虽然d s p 有着 许多优点，但是它也存在一些局限性，如采样频率的选择、p w m 信号频率及其 精度、采样延时、运算时间及精度等。这些因素会或多或少地影响电路的控制 性能。 ( 3 ) 采用高密度f p g a 现场可编程门阵列( ( f p g a ) 属于可重构器件，其内部逻辑功能可以根据需要 任意设定，具有集成度高、处理速度快、效率高等优点。其结构主要分为三部 分：可编程逻辑块、可编程i o 模块、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，多则几万或几十万个等效门，所以一 5 武汉理t 大学硕士学位论文 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。它借助于硬件描述语言( v h d l ) 来对系统进行设计，采用三个层次( 行为描述、 r t l 描述、门级描述) 的硬件描述和自上至下( 从系统功能描述开始) 的设计风格， 能对三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，在可 靠性、体积、成本上具有相当优势。比较而言，d s p 适合取样速率低和软件复 杂程度高的场合使用；而当系统取样速率高( m h z 级) 、数据率高( 2 0 m b s 以 上) 、条件操作少、任务比较固定时，采用f p g a 更有优势。f p g a 已应用于逆 变器控制系统、直流电机调速、p w m 控制等。 单片机、d s p 、f p g a 等在电源电路的控制系统中得到了广泛的应用，虽然 它们较之模拟控制电路有许多共同的优良特性，但是它们也各有其独到之处。 随着电源电路的日趋高频化和复杂化，上述芯片的单一采用往往难以达到期望 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。 ( 1 ) 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，且对不同算法都有较强的适应能力。 ( 3 ) 嵌入d s p 模块的f p g a 。将具有基本数字信号处理功能的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 的性能可以达到每秒1 2 8 0 亿 m a c ，将大大高于目前主流d s p 的性能。 通用微处理芯片是为一般目的而设计的，运算的步骤必须通过程序编译后 生成的机器码指令加载到存储器中，然后在微处理芯片控制下，按时钟的节拍， 逐条取出指令、分析指令和执行指令，直至程序结束。微处理芯片中的内部总 线和运算部件也是为通用目的而设计，即使是专为某类控制设计的通用微处理 器，因为它的通用性，也不可能为某一个特殊的算法来设计一系列专用的运算 电路，而且其内部的总线宽度也不能随意改变，只能通过改变程序，才能实现 这个特殊的算法，因而其运算速度也受到限制。当前逆变控制器的发展越来越 趋于多样化、复杂化，在时间要求非常苛刻的场合，即使高速通用微处理芯片， 也常常无法在规定的时间内完成必要的运算。现有的以微处理芯片( d s p m c u ) 为核心的电路越发凸显局限性。 6 武汉理= 人学硕十学位论文 作为开发设备，f p g a 可以方便地实现多次修改。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，多则几万或几十万个等效门。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。大规 模的f p g a 则可以让我们将微处理器、专用硬件算法单元，专用波形发生单元、 信号采集处理单元等都集成于单芯片上，使之成为一个完整的电力电子控制系 统。应用在数字化电力电子设备中，可以大大简化控制系统结构，并可实现多 种专用高速算法，具有较高的性价比。与由纯软件控制的数字系统相比，它用 硬件连线实现其软件算法，加快了运算速度，可以实现真正意义上的并行计算， 提高了系统抗干扰性能。在集成度、速度和系统功能方面满足应用需要。同时， 借助于硬件描述语言( v h d l 或v e r i l o gh d l ) 来对系统进行设计，摈弃了传统的 从门级电路向上直至整体系统的设计方法。它采用三个层次的硬件描述和自上 而下从系统功能描述开始的设计风格，能对三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。试制成功后，如要大量生产，可以按照f p g a 的设计定做全定制a s i c 芯片，降低成本。 正因为此，近几年来逆变器单芯片实现技术的研究越来越受到关注，这种 专用控制电路的设计已成为逆变控制器发展的新方向之一，将进一步推动电力 电子设备的发展，为电力电子的产品世界带来一场新的革命。 f p g a 的上述优点，使其应用在数字化电力电子设备中，可以大大简化控 制系统结构，并可实现多种高速算法，具有较高的性价比。与由纯软件控制的 数字系统相比，它用硬件连线实现其软件算法，加快了运算速度，可以实现真 正意义上的并行计算，提高了系统抗干扰性能。f p g a 内部资源丰富，可根据 需要配置成锁相环、r o m 、r a m 、f i f o 等各种外围电路，从而真正实现电力 电子设备的专用控制芯片。 1 2 2 逆变器控制方案 电力电子技术的发展离不开对功率器件、电路拓朴结构的研究，更离不开 各种控制理论的发展。从1 9 3 2 年奈奎斯特( h n y q u i s t ) 发表反馈放大器的稳 定性论文以来，控制理论学科的发展历经经典控制理论、现代控制理论和智能 控制等阶段。其控制对象也由简单的单输入单输出的常系数线性系统，拓展为 复杂的多输入多输出非线性系统、柔性系统及离散事件动态系统等。 7 武汉理t 大学硕士学位论文 从技术发展角度看，要获得高输入功率因素、快速暂态响应、优良的稳态 精度和智能化的高性能u p s ，离不开优良的数字逆变控制技术，一些基于现代 控制理论和智能控制策略的数字控制技术和控制思想得以在u p s 电源逆变控制 中实现，造就了今天u p s 逆变电源控制策略的众多成果，在逆变器波形控制方 面都出现了许多令人满意的控制技术。 p i d 控制作为一种结构简单、易于理解与实践的典型控制理论，广泛用于工 程实践中。比例p 调节影响系统的稳定性，积分i 调节消除静态误差、增加稳 态精度。传统的u p s 逆变电源多以模拟p i d 控制为主，采用单纯的输出电压反 馈，利用p i d 控制器进行调节。随着m s c 5 1 等通用型单片机的普及与广泛应用， 引入了数字p i d 控制技术，提高了逆变电源的性能。 瞬时内环反馈控制是通过负反馈使反馈量接近给定，并抑制反馈环所包围 的环节的参数变动或扰动所引起的偏差。因此在逆变器控制中，若给定为正弦， 瞬时值内环控制能使输出电压波形尽量接近j 下弦，从而减小输出电压畸变率。 电压电流的双环控制可以避免单环控制在抵抗负载扰动方面的缺点，同时 具备优异的动、静态特性，是一种高性能的波形控制方法。但是它也有自身的 不足，就是电流内环的设计要求具备足够宽的带宽，这就使得对数字控制器提 出了很高的要求，d s p 的处理速度往往因此被使用到极刚删。 无差拍控制( d e a d b e a tc o n t r 0 1 ) 是一种基于计算的p w m 控制方案。其 基本思想是利用u p s 系统的状态变量构成状态方程，通过检测反馈u p s 的输出 状态信号计算下一周期的逆变输出的脉宽调制p w m 。与传统p i d 控制方式最大 的不同之处在于它不再需要各种模拟信号发生器，取而代之的是一个指令化的 基准正弦波。其所有的控制算法以指令化语句完成，特别利于u p s 逆变控制的 数字化实现。 重复控制现已广泛应用于逆变器的波形控制。它的基本思想源于控制理论 中的内模原理。在重复信号发生器内模的作用下，控制器进行逐周期点对应 式的积分控制，通过对波形误差的逐点补偿，实现稳态时无静差的控制效果。 带辅助状态向量的自适应控制是一种常见的控制方、法【伦l ，同数字p i d 控制、 无差拍控制一样，其经常与重复控制相配合，以减少周期负载的静态误差，提 高动态性能。 除了上述几种u p s 控制策略外，针对u p s 逆变电路的不同控制要求，还提 出了许多其他的控制理论和控制方法。例如：针对无差拍控制系统的鲁棒性不 8 武汉理工人学硕十学位论文 强的特点，人们提出滑模变结构控制3 卜n 4 1 、自适应控$ 1 j t l 5 1 、模糊控制6 1 等，还 有将各种控制相互接合的控制方式，以弥补各自控制方式自身的不足。将这些 先进的数字化控制手段应用于u p s 逆变控制必将是u p s 发展的主要方向。 1 3 课题研究的意义与主要研究内容 1 3 1 课题的来源与目的 本文研究的是基于f p g a 的数字化逆变控制器。数字化逆变控制器多以 m c u d s p 为核心，以软件实现离散域的运算及控制。这种以软件为主的方案较 大程度上依赖于处理器的性能。而逆变控制器大规模的控制运算将会占用较多 的c p u 时间，常使其无法进行时序事件控制管理，限制其性能的发挥。再者， 现代数字控制算法复杂，而目前处理器进行运算多数还是串行方式，很难保证 算法的实时性和高速性。采用多m c u 并联系统又会增加成本，使控制器结构复 杂，降低其可靠性。 纵观电力电子设备的发展，全数字化、模块化是它的一个重要趋势。由于 电力电子设备中强电和弱电的同时存在，使得系统的电磁兼容问题尤为突出。 采用f p g a 作为其控制核心实现软件控制硬件化可以有效地增强控制器的抗干 扰能力。基于f p g a 实现的高速硬件算法和专用的功能部件可以独立于m c u 运行，不占用控制m c u c p u 时间，使电力电子设备的控制更富效率。目前各 f p g a 生产商大力推广的嵌入式软核处理器( 例如a l t e r a 公司的n i o s 系列) 为电力电子控制器的进一步集成提供了极大方便。大规模的f p g a 让我们可以 将微处理器、专用硬件算法单元，专用波形发生单元、信号采集处理单元都集 成于单芯片上，使之成为一个完整的电力电子专用控制系统。这种控制器的设 计将进一步推动电力电子设备的发展，为电力电子的产品世界带来一场新的革 命。 f p g a 的上述优点，使其应用在数字化电力电子设备中，可以大大简化控制 系统结构，并可实现多种高速控制算法，具有较高的性价比。与由纯软件控制 的数字系统相比，它用硬件连线实现其软件算法，加快了运算速度，可以实现 真正意义上的并行运算，提高系统抗干扰的性能。f p g a 内部资源丰富，可根据 需要配置成锁相环、r o m 、r a m 、f i f o 等外围电路，从而真j 下实现电力电子设 9 武汉理上人学硕十学位论文 备的专用控制器。 1 3 2 课题研究的内容与方法 本课题主要研究的是基于f p g a 的逆变器的控制系统，所采用的双环控制 算法结构简单，可以避免单环控制在抵抗负载扰动方面的缺点，同时具备优异 的动、静态特性。在q u a r t u si i 软件环境下对双环控制算法进行了模块划分，并 使用v h d l 语言完成对各模块的设计。实践证明，采用f p g a 来实现逆变器的 控制算法是可行的。本课题主要完成以下几个方面的工作： ( 1 ) 在查阅大量国内外参考文献的基础上，对课题研究的意义有了更深入 的认识，对逆变器及其控制器的国内外发展现状及研究趋势做了详细的研究。 对逆变器的发展和应用有比较全面的了解，明确了选题的目的。 ( 2 ) 给出基于f p g a 的逆变电源控制器设计方案。对基于双环控制的单相 电压型p w m 逆变器的系统功能进行模块划分，包括标准正弦波发生器，电压电 流双环控制算法单元，硬件p i 算法单元，s p w m 波形发生器，三角波发生器， 死区控制器。介绍了f p g a 器件的背景资料、f p g a 开发工具、编程语言v h d l 和开发流程。分析f p g a 器件的特征和结构，在给出本课题应用目标的基础上， 制定了f p g a 目标器件的选择，完成了器件选型及相关的开发环境和工具的选 取。 ( 3 ) 对正弦信号数字化生成与同步技术进行了研究。设计实现了基于f p g a 的正弦信号发生器以及数字锁相环的模块并给出了仿真结果。所分析的数字锁 相技术在逆变器中得到实现，锁相时保证逆变器输出电压与同步信号同步。 ( 4 ) 根据数字化自然采样法的基本原理，提出了一种基于e d a 技术的正 弦脉宽调$ 1 j ( s p w m ) 全数字化解决方案。 利用计数器和通过查表的方法，得出一种生成数字化正弦信号的算法，并 通过对正弦信号的频率和幅值的调制，结合v h d l 硬件描述语言的设计灵活等 特点，设计出基于f p g a 的数字化正弦信号发生器，仿真和试验结果表明，该 方法具有实用价值。 研究了数字化自然采样法的基本原理，利用f p g a 设计中模块化的设计思 路，设计出了占空比可调的s p w m 信号发生器。仿真和实验证明了设计电路的 正确性。 l o 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 5 ) 引述了单相p w m 逆变器的连续、离散时间模型，指出了连续和离散 时问模型的差异，再介绍了单相逆变器电感电流内环电压外环的双环控制系统 的设计方法。这种设计方法动态响应快速、稳定，静态精度高，且具有自限流 功能，对逆变器在过流故障情况下提供保护。双环控制尽管电路结构较单环控 制复杂，但适合于性能指标要求极高的逆变器系统。 在此基础上，针对电流内环电压外环双环控制器，给出了电压幅值波形控 制单元的f p g a 的设计结构，完成了硬件p i 算法单元、限幅单元的设计。并分 别进行了详细的说明，最后给出了在q u a r t - u si i 环境中得到的仿真图形。一方面， 形成了专用的硬件算法控制单元，另一方面，这些硬件算法控制单元可以进一 步的优化为口核，以方便移植到整流器、逆变器、电机拖动等电力电子设备的 控制领域。使采用f p g a 设计各类电力电子设备专用控制芯片成为可能，大大 拓展了f p g a 的应用领域。 ( 6 ) 分析“流水线操作”等设计优化问题，并针对逆变器控制系统中，控制 系统算法呈多层结构，且层与层之间还有数据流联系，其执行顺序和数据流的 走向较为复杂，不利于直接采用流水线技术进行设计的特点。采用“分层多级 流水线设计技术，即先将多层结构作转化为多个单层结构的等效处理，再对 各个单层分别进行流水线优化设计，最后还原成原系统，经过整合后得到原控 制系统的流水线结构。利用这一流水线优化技术完成了部分逆变控制单元的优 化设计。 武汉理工人学硕十学位论文 第2 章基于f p g a 的逆变电源控制器设计方案 划分系统结构的依据主要是按照不同的功能划分模块，各个模块之间较为 独立，但同时也要考虑到芯片设计的其他特殊因素，重要的参数是芯片的系统 时钟和模块实时实现需要的时钟，即实时时钟。很多的运算器规模是比较大的， 在系统时钟高于实时时钟的时候，在不改变电路功能的前提下，对运算器进行 复用，可以节约面积，除了这两个因素以外，在实际操作的时候，还要注意顶 层下子模块和子模块之间规模不应该相差很大，否则很难优化。因此在划分模 块时，模块过大或者过小，都会影响到最后优化出来的电路质量。 划分模块带来的好处就是可以单独设计和测试单个模块，可以使项目并行 进行，同时，通过对单个模块的测试也可以较为容易的找出影响系统性能的原 因，这也会有益于实现系统的优化。由于综合工具的局限性，一个模块不应超 过5 1 0 万门。此外，模块划分还需要考虑的是模块间尽量不能有逻辑，模块 的输出尽量采用寄存器输出。 在上述的工作完成时，在系统架构方面还需要考虑芯片的验证计划 ( v e r i f i c a t i o np l a n ) 等，按照以上原则并参考文献，对芯片做合理的划分。 2 1 逆变电源控制器设计 按照至上而下( t o p d o w m ) 的设计方法，将逆变电源控制器划分为锁相环、 正弦波生成模块、双环控制器，p w m 波形发生器、硬件同步状态机这五个主要 的功能模块，其系统工作过程设计如下：当系统上电启动后，锁相环工作，送 出频率控制字至正弦波生成模块，正弦波生成模块按照全局时钟频率调频调相， 给出响应正弦表值送入双环控制器，双环控制器进行幅值调节后，得到一比较 值送p w m 模块，叠加死区控制后得到实时p w m 波形。其模块划分如图2 1 所 示。 1 2 武汉理工人学硕十学位论文 图2 1 逆变电源控制器功能模块划分 由于整个系统控制结构复杂，算法单元和控制模块多，对数据流和控制流 模块的设计提出了较高的要求，设计时考虑了两个方案。一是采用全局硬件同 步状态机对数据流进行控制。二是采用n i o s 软核处理器，n i o s 软核强大的功 能使它完全可以胜任复杂控制系统各模块的控制和各项任务的妥善调度，相比 与硬件同步状态机的调度控制，总体设计灵活，修改验证相当方便，并且在接 口和时序上的要求不如硬件实现苛刻。 整个系统都采用硬件算法，因此在本设计中采用全局硬件同步状态机对数 据流进行控制，具体来说，需要设计一个全局硬件同步状态机，在三角波计数 器正峰点，给出如下模块的激活信号。 ( 1 ) 刷新三角波计数器增减标志位，用以控制p w m 发生器状态控制机完 成死区控制； ( 2 ) 读入上一周期双环控制器计算出的比较值，激活p w m 发生器，产生 实时p w m 波形； ( 3 ) 读取锁相模块给定频率控制字，激活正弦表产生模块完成频率相位计 算，查表一次，刷新表值寄存器； ( 4 ) 表值寄存器值稳定后，激活双环控制器模块完成实时计算，得到下一 周期送入p w m 发生器的比较值，并锁存； 一个数据控制周期至此结束。 1 3 武汉理t 大学硕士学位论文 2 2f p g a 器件的选择 f p g a ( f i e 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) 是可编程逻 辑器件，它们是在p a l 、g a l 等逻辑器件的基础上发展起来的。f p g a 的规模 比较大，它可以替代几十甚至几千块通用i c 芯片。比较典型的就是x i l i n x 公司 的f p g a 器件系列，它具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围 广等特点。它又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准 产品无需测试、质量稳定以及可适时在线检测等优点，被广泛应用于产品的原 型设计和产品生产之中。 f p g a 的“真正优势”有两方面：一是能用可靠的标准部件迅速进行开发，而 且可以方便的修改，以添加新的特性；二是能在开发期间或在产品生命期内修 正错误。而且，f p g a 作为内置标准还带有更多功能，如可测试性或j t a g 接口， 这可节约设计时间和成本。 f p g a 可以由用户编程实现专门的功能，这是由于它们的内部都包含有以下 三大部分2 4 】： ( 1 ) 位于芯片中央的可编程功能单元； ( 2 ) 位于芯片四周的可编程i o 模块； ( 3 ) 分布在芯片各处的可编程布线资源。 f p g a 作为特殊的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：f p g a 芯片的规模越来越大，它所能实现的功能越来越强，同时也 可以实现系统集成。f p g a 芯片在出场之前都做过百分百的测试，不需要设计人 员承担相关风险和费用。所以，f p g a 的资金投入小。用户可以反复的编程、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功能。f p g a 软 件包中有各种输入工具和仿真工具，版图设计工具和编程器等全线产品，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。电路设计人员使用f p g a 进行电路设计时，不需要具备专门的集 成电路深层次的知识，可以用自己熟悉的方法：如原理图输入或硬件描述语言 来完成相当优秀的f p g a 设训2 5 1 。 目前f p g a 种类非常多。主要的生产厂家有x i l i n x 、a l t e r a 和a c t e l 等。参 考逆变控制器需要实现的功能，确定了f p g a 器件的几个主要性能指标： ( 1 ) 标准频率 5 0 m h z ； 1 4 武汉理丁大学硕士学位论文 ( 2 ) 等效门数不低于十万门，内部r a m 不小于2 5 k b y t e s ； ( 3 ) 具有丰富的i o 资源，能够连接多个外部设备( a d ，r a m 等) ； ( 4 ) 配套的开发软件容易获得和使用。 综上所述，c y c l o n ei i 系列成为候选器件。a l t c r a 公司生产的c y c l o n ei i 系 列( 标注) f p g a 器件采用全铜层、低k 值、1 2 伏s r a m 工艺设计，裸片尺 寸被尽可能最小的优化。采用3 0 0 毫米晶圆，以t s m c 成功的9 0 n m 工艺技术 为基础，c y c l o n ei i 器件提供了4 ，6 0 8 到6 8 ，4 1 6 个逻辑单元( l e ) ，并具有一整 套最佳的功能，包括嵌入式1 8 比特x 1 8 比特乘法器、专用外部存储器接口电路、 4 k b i t 嵌入式存储器块、锁相环( p l l ) 和高速差分i o 能力瞄】。 c y c l o n ei i 器件扩展了f p g a 在成本敏感性、大批量应用领域的影响力，延续了 第一代c y c l o n e 器件系列的成功。表2 1 所示为c y c l o n ei if p g a 系列的特性和 器件 e p 2 c 5e p 2 c 8e p 2 c 1 5e p 2 c 2 0e p 2 c 3 5e p 2 c 5 0e p 2 c 7 0 逻辑单元 4 6 0 88 2 5