[硕士论文精品]基于fpga的逆变电源控制器的研究

武汉理工大学硕士学位论文摘要随着电力电子变流技术的不断发展，各种先进的控制技术层出不穷。一方面重要部门、用电设备对高品质的电源需求日益增多，另一方面电力电子设备的大量使用、非线性负载的不断增加使得电网的谐波污染十分严重，形成了鲜明的供需矛盾，为此，近几年来高性能的PWM逆变器的研究越来越受到关注，控制器从过去的模拟电路时代逐渐进入到全数字控制时代。本文利用一个成熟的单相电压型PWM逆变器控制模型，依次对专用逆变电源控制器的系统功能进行划分，包括各功能模块的硬件算法，全系统的硬件设计及优化，流水线操作等问题进行了初步研究。首先简要介绍了基于FPGA的逆变电源控制器的设计方案及片内FPGA功能模块的划分。在给出逆变电源控制器应用目标的基础上，制定了FPGA目标器件的选择原则和芯片的技术规格，完成了器件的选择和相关开发环境和工具的选取。并系统阐述了FPGA的设计流程。对正弦信号数字化生成与同步技术进行了设计与研究，设计实现了基于FPGA的正弦信号发生器及数字锁相环的模块并给出了仿真结果。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。紧接着根据数字化自然采样法的基本原理，提出了一种基于EDA技术的正弦脉宽调制SPWM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VHDL硬件描述语言的设计灵活等特点，设计出基于FPGA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。引述了单相PWM逆变器的连续、离散时间模型，指出了连续和离散时间模型的差异，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。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FPGA的设计结构，完成了硬件PI算法单元、限幅单元的设计。最后分析了“流水线操作”等设计优化问题，并针对逆变器控制系统中，使用了一种“分层多级流水线”设计技术，有效地解决了复杂控制系统的流水线优化设计问题。关键词逆变器；FPGA；SPWMDDS；DPLL；硬件算法武汉理上人学硕十学位论文ABSTRACTTHEIMPORTANTDEPARTMENTSANDELECTRICEQUIPMENTSNEEDMOREANDMOREHI曲QUALITYPOWERSUPPLY,BUTTHEUTILITYPOWERISSTAINEDSTRICTLYBYHARMONICSWHICHMANYELECTRONICCOMPONENTSANDNONLINEARLOADSBRINGONTHECONFLICTISQUITEEVIDENTINRECENTYEARSTHERESEARCHESFORHIGHPERFORMANCEPWMINVERTERARETAKENMOREATTENTIONTHISTHESISUSEDAMATUREMODELOFSINGLEPHASEVOLTAGESOURCEPWMINVERTERTOREALIZECONTROLLEROFINVERTERWEHAVECARRIEDOUTPRELIMINARYRESEARCHONSYSTEMATICFUNCTIONPARTITION，HARDWAREALGORITHM，WHOLESYSTEMATICHARDWAREDESIGNANDOPTIMIZATION，PIPELINETECHNOLOGY,ETCFIRSTLY,WEHAVECARRIEDOUTTHEHARDWAREALGORITHMCONTROLUNITANDTHEN，S仃UCTUREANDTHEFEATUREOFFPGADEVICEHAVEBEENINTRODUCEDWEHAVEANALYZEDTHESELECTINGPRINCIPLEANDSPECIFICATIONSOFFPGA，ASWELLASTHERELATEDDEVELOPENVIRONMENTANDT001THENWESYSTEMATICALLYELABORATEDTHEDESIGNMETHODOLOGYOFFPGADESIGN，ANDTHEDEVELOPMENTPROCESSOFUSINGTHEQUARTUSIIONTHISFOUNDATION,THEHARDWAREALGORITHMOFDDSSTANDARDSINEWAVEGENERATORANDDIGITALPHASELOCKLOOPDPLLHAVEBEEDSTUDIEDWEHAVECOMPLETEDTHEMODULARDESIGNTHEPRINCIPLEOFSPWMTECHNIQUEISINTRODUCEDANDTHEDIGITIZATIONOFNATURALSAMPLINGBASEDSPWMISDISCUSSED，INTHESESITUATION,WEDESIGNANEWMETHODOFSPWMWITHFPGABASEDONNATURALSAMPLING,NAMEDDI【GLTALNATURALSAMPLINGSPWMWAVECANBEOBTAINEDTHROUGHDIGITALSINEWAVEMODULATINGCARRIERWAVETHISISTHEULTIMATEPRINCIPLEOFDILGITALSAMPLINGTHECARRIERWAVEFREQUENCYIS10KHZANDMODULATEWAVEFREQUENCYIS160HZCANBEMODULATEDTHECONTINUOUSANDDISCRETEMATHEMATICALMODELSOFASINGLEPHASEVOLTAGESOURCEPWMINVERTERALEESTABLISHED，THEDESIGNMETHODBASEDONPOLEASSIGNMENTISUSEDFORDESIGNOFINVERTERVOLTAGEANDCURRENTDUALLOOPCONTROLLERATTHESAMETIME，SIMULATIONANDEXPERIMENTALHAVEBEENGIVEN，WHICHINDICATESTHATINVERTERSYSTEMSPROVIDESFASTDYNAMICRESPONSEANDNICESTATICCHARACTERISTICSTHEHI曲SPEEDADVANTAGEOFFPGASOPERATIONISMADEHARDTODEMONSTRATEFORII武汉理T大学硕十学位论文THEINCONSEQUENCEINSTRUCTURALARRANGEMENTTHEPIPELINETECHNOLOGYHADWELLSOLVEDTHISPROBLEMWEPRESENTSANEWPIPELINEOPTIMIZATIONDESIGNOFTHEINVERTERCONTROLLERANALYZEDTHEDESIGNPROCESSINDETAILANDOFFEREDALINDOFTHOUGHTFORTHEPEOPLEWHODEVOTEDTOFPGASAPPLICATIONINPOWERELECTRONICFIELDTHESIMULATIVEANDEXPERIMENTALRESULTSVERIFIEDTHECORRECTNESSKEYWORDSINVERTER,FPGA，SPWM，DDS，DPLL，HARDWAREALGORITHMIII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11课题研究背景111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【11。目前，全球范围内该指标的平均数为40，已形成了全球600亿美元电力电子产品市场，支撑着5700亿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2010年80的电能将通过电力电子技术的处理121。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PWM控制方式，PWM逆变器的应用领域大致分为以下几类1交流稳定电源口H51；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UPS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UPS能够有效改善供电的品质，使之成为人们关注的焦点，图11是种典型的在线式UPS系统框图，其中的逆变器是整个系统的核心，对UPS的供电性能起决定性作用。交流输L图11在线式UPS结构图UPS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。112不问断电源的研究状况在国内，对于UPS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，UPS在国内市场上有相当大的潜力。因此，对UPS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50KVA以下的UPS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113不间断电源逆变器的类型与特点UPS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QSW采用两个方波逆变桥移相叠加产生，或用PWM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SW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30KVA以上的装置中。6脉宽调制型PWM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PWSW综合了PWM和SW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PROM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。114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UPS的控制技术提供了新的思路。人们希望UPS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。12逆变器的控制技术121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、32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PWM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MCUMCU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、PWM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DA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DSP控制DSP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FIFO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AD转换电路，并提供PWM信号输出。与MCU相比，DSP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、PWM分辨率高，采样周期短。DSP属于精简指令系统计算机RISC，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CISC，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ALU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DSP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、PWM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FPGA现场可编程门阵列FPGA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IO模块、可编程内部连线。由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA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FPGA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VHDL来对系统进行设计，采用三个层次行为描述、RTL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，DSP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MHZ级、数据率高20MBS以上、条件操作少、任务比较固定时，采用FPGA更有优势。FPGA已应用于逆变器控制系统、直流电机调速、PWM控制等。单片机、DSP、FPGA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DSP结构。比如，在UPS中，DCDC，ACDC的控制可以采用单片机，而DCAC的控制则采用运算速度和频率更高的DSP芯片。2DSPFPGA结构。DSP具有软件的灵活性，而FPGA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DSP模块的FPGA。将具有基本数字信号处理功能的DSP模块嵌入到FPGA中，这样FPGA提供的DSP的性能可以达到每秒1280亿MAC，将大大高于目前主流DSP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DSPMCU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，FPGA可以方便地实现多次修改。由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少则几千个等效门，多则几万或几十万个等效门。一片FPGA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FPGA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VHDL或VERILOGHDL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FPGA的设计定做全定制ASIC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。FPGA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。FPGA内部资源丰富，可根据需要配置成锁相环、ROM、RAM、FIFO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。122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1932年奈奎斯特HNYQUIST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UPS，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UPS电源逆变控制中实现，造就了今天UPS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。PID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UPS逆变电源多以模拟PID控制为主，采用单纯的输出电压反馈，利用PID控制器进行调节。随着MSC51等通用型单片机的普及与广泛应用，引入了数字PID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，DSP的处理速度往往因此被使用到极刚删。无差拍控制DEADBEATCONTR01是一种基于计算的PWM控制方案。其基本思想是利用UPS系统的状态变量构成状态方程，通过检测反馈UPS的输出状态信号计算下一周期的逆变输出的脉宽调制PWM。与传统PID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UPS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PID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UPS控制策略外，针对UPS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N41、自适应控1JTL51、模糊控制61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UPS逆变控制必将是UPS发展的主要方向。13课题研究的意义与主要研究内容131课题的来源与目的本文研究的是基于FPGA的数字化逆变控制器。数字化逆变控制器多以MCUDSP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CPU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MCU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FPGA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FPGA实现的高速硬件算法和专用的功能部件可以独立于MCU运行，不占用控制MCUCPU时间，使电力电子设备的控制更富效率。目前各FPGA生产商大力推广的嵌入式软核处理器例如ALTERA公司的NIOS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FPGA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。FPGA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。FPGA内部资源丰富，可根据需要配置成锁相环、ROM、RAM、FIFO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。132课题研究的内容与方法本课题主要研究的是基于FPGA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QUARTUSII软件环境下对双环控制算法进行了模块划分，并使用VHDL语言完成对各模块的设计。实践证明，采用FPGA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FPGA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PWM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PI算法单元，SPWM波形发生器，三角波发生器，死区控制器。介绍了FPGA器件的背景资料、FPGA开发工具、编程语言VHDL和开发流程。分析FPGA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FPGA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FPGA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EDA技术的正弦脉宽调1JSPWM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VHDL硬件描述语言的设计灵活等特点，设计出基于FPGA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FPGA设计中模块化的设计思路，设计出了占空比可调的SPWM信号发生器。仿真和实验证明了设计电路的正确性。LO武汉理T大学硕士学位论文5引述了单相PWM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FPGA的设计结构，完成了硬件PI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QUARTUSII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FPGA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FPGA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FPGA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510万门。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VERIFICATIONPLAN等，按照以上原则并参考文献，对芯片做合理的划分。21逆变电源控制器设计按照至上而下TOPDOWM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，PWM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PWM模块，叠加死区控制后得到实时PWM波形。其模块划分如图21所示。12武汉理工人学硕十学位论文图21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NIOS软核处理器，NIOS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PWM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PWM发生器，产生实时PWM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PWM发生器的比较值，并锁存；一个数据控制周期至此结束。13武汉理T大学硕士学位论文22FPGA器件的选择FPGAFIELDPROGRAMMABLEGATEARRAY，现场可编程门阵列是可编程逻辑器件，它们是在PAL、GAL等逻辑器件的基础上发展起来的。FPGA的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用IC芯片。比较典型的就是XILINX公司的FPGA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。FPGA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，FPGA作为内置标准还带有更多功能，如可测试性或JTAG接口，这可节约设计时间和成本。FPGA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24】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IO模块；3分布在芯片各处的可编程布线资源。FPGA作为特殊的ASIC芯片，它们除了具有ASIC的特点之外，还具有以下几个优点FPGA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。FPGA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，FPGA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。FPGA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FPGA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FPGA设训251。目前FPGA种类非常多。主要的生产厂家有XILINX、ALTERA和ACTEL等。参考逆变控制器需要实现的功能，确定了FPGA器件的几个主要性能指标1标准频率50MHZ；14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RAM不小于25KBYTES；3具有丰富的IO资源，能够连接多个外部设备AD，RAM等；4配套的开发软件容易获得和使用。综上所述，CYCLONEII系列成为候选器件。ALTCRA公司生产的CYCLONEII系列标注FPGA器件采用全铜层、低K值、12伏SRAM工艺设计，裸片尺寸被尽可能最小的优化。采用300毫米晶圆，以TSMC成功的90NM工艺技术为基础，CYCLONEII器件提供了4，608到68，416个逻辑单元LE，并具有一整套最佳的功能，包括嵌入式18比特X18比特乘法器、专用外部存储器接口电路、4KBIT嵌入式存储器块、锁相环PLL和高速差分IO能力瞄】。CYCLONEII器件扩展了FPGA在成本敏感性、大批量应用领域的影响力，延续了第一代CYCLONE器件系列的成功。表21所示为CYCLONEIIFPGA系列的特性和器件EP2C5EP2C8EP2C15EP2C20EP2C35EP2C50EP2C70逻辑单元460882561444818752332165052868416M4KRAM块4K比26365252105129250特512校验比特总比特数11980816588239616296164838405944321152000嵌入式18X18乘法器131826263586150PLLS2244444最多用户IO管脚158182315315475450622差分通道587713213220519326223FPGA的设计流程FPGA设计大体分为设计输入、综合、功能仿真前仿真、实现、时序仿真后仿真、配置下载等六个步骤，设计流程如图22所示鲫。15武汉理F大学硕士学位论文图22FPGA开发流程示意图1设计输入设计输入包括使用硬件描述语言HDL、状态图与原理图输入三种方式。HDL设计方式是现今设计大规模数字集成电路的良好形式。HDL语言描述在状态机、控制逻辑、总线功能方面较强，使其描述的电路能在特定综合器作用下以具体硬件单元较好地实现而原理图输入在顶层设计、数据通路逻辑、手工最优化电路等方面具有图形化强、单元节俭、功能明确等特点。常用方式是以HDL语言为主，原理图为辅，进行混合设计以发挥二者各自特色。在进行混合设计时，设计者应当严格遵循自上而下或自下而上的结构化设计方法。2设计综合综合，就是针对给定的电路实现功能和实现此电路的约束条件，如速度、功耗、成本及电路类型等，通过计算机进行优化处理，获得一个能满足上述要求的最优或者接近最优的电路设计方案。综合包括分析、综合和优化三个步骤。以HDL描述为例，分析是采用标准的HDL语法规则对HDL源文件进行分析并纠正语法错误；综合是以选定的FPGA结构和器件为目标，对HDL和FPGA网表文件进行逻辑综合；优化则是根据用户的设计约束对速度和面积进行逻辑优化，产生一个优化的FPGA网表文件，以供FPGA布局和布线工具使用。综合与优化可以分两步独立进行，在两步之间进行约束指定，如时钟的确定、通路与端口的延时、模块的算子共享、寄存器的扇出等。如果设计模型较大，可以采用层次化方式进行综合，先综合下级模块，后综合上级模块，使设计与综合过程合理化。综合后形成的网16武汉理T大学硕士学位论文表可导入FPGA设计厂商提供的可支持第三方设计输入的专用软件中，就可进行后续的FPGA芯片的实现。综合完成后可以输出报告文件，列出综合状态与综合结果，如资源使用情况、综合后层次信息等。3仿真验证从广义上讲，设计验证包括功能与时序仿真和电路验证。仿真是指使用设计软件对已实现的设计进行完整测试，模拟实际物理环境下的工作情况。前仿真是指仅对逻辑功能进行测试模拟，以了解其实现的功能否满足原设计的要求，仿真过程没有加入时序信息，不涉及具体器件的硬件特性，如延时特性；而在布局布线后，提取有关的器件延迟、连线延时等时序参数，并在此基础上进行的时序仿真称为后仿真，它是接近真实器件运行的仿真。4设计实现实现是利用FPGA厂商的实现工具把综合后逻辑映射到目标器件结构的资源中，决定逻辑的最佳布局，选择逻辑与输入输出功能连接的布线通道进行连线，并产生相应文件如配置文件与相关报告。通常可分为如下五个步骤。A转换TRANSLATE将多个设计文件进行转换并合并到一个设计库文件中。B映射MAP将网表中逻辑门映射成物理元素，即把逻辑设计分割到构成可编程逻辑阵列内的可配置逻辑块与输入输出块及其它资源中的过程。C布局与布线PLACEANDROUTE布局是指从映射取出定义的逻辑和输入输出块，并把它们分配到FPGA内部的物理位置，通常基于某种先进的算法来完成；布线是指利用自动布线软件使用布线资源选择路径完成所有的逻辑连接。可以使用约束条件操作布线软件，完成设计规定的性能要求。在布局布线过程中，可同时提取时序信息形成报告。D时序提取TIMESIM产生一反标文件，供给后续的时序仿真使用。E配置CONFIG产生FPGA配置时的需要的位流文件。5时序分析在设计实现过程中，在映射后需要对一个设计的实际功能块的延时和估计的布线延时进行时序分析；而在布局布线后，也要对实际布局布线的功能块延时和实际布线延时进行静态时序分析。静态时序分析允许设计者详尽地分析所有关键路径并得出一个有次序的报告，而且报告中含有其它调试信息。静态时序分析器可以用来检查设计的逻辑和时序，以便计算各通路性能，识别可靠的路径，检测建立和保持时间的配合。17武汉理T大学硕士学位论文6下载验证下载是在功能仿真与时序仿真J下确的前提下，将综合后形成的位流下载到具体的FPGA芯片中，也叫芯片配置。因FPGA大多支持IEEE的JTAG标准，所以使用芯片上的JTAG端口是常用下载方式。将位流文件下载到FPGA器件内部后进行实际器件的物理测试即为电路验证，当得到正确的验证结果后就证明了设计的正确性。24硬件描述语言VHDLFPGA的设计一般都采用HDL语言HARDWAREDESCRIPTIONLANGUAGE，硬件描述语言。HDL语言的出现将硬件设计转化为软件设计。目前国际通行的HDL语言有两种VHDL和VERILOGHDL，这两种语言都已成为IEEE标准。VHDL语言标准由美国军方制定，较适合于高层次的系统描述，语法结构相对比较严谨；VERILOGHDL语言由民间公司开发，低层次的描述语法丰富，编程比较灵活。VHDL程序设计有行为描述法和结构描述法【21。行为描述法对设计人员的电路知识要求较少，设计工程师只要把电路的行为“描述，告诉”给EDA工具即可，具体电路结构由EDA工具生成。在资源利用率高，是需要求严格，电路性能复杂的设计中，一般用结构描述法进行设计。采用VHDL语言设计综合的过程如下【2S11设计要求的定义；2用VHDL语言进行设计描述系统描述与代码设计；3原代码模拟前仿真或称为功能仿真；4设计综合、优化和设计的布局布线；5布局、布线后的设计模块模拟后仿真或称时序仿真；6器件编程。一个完整的VHDL语言程序基本结构如图32所示。武汉理工大学硕士学位论文酣三垂库嚣燃嫠妻器黧蓑荐什么动作或功能VHDL设计基本单元0三亘描戮雾述图23VHDL程序基本结构25QUARTUSII简介ALTERA公司的第四代可编程逻辑开发软件QUARTUSII提供了一个完整高效的设计环境。同时QUARTUSII开发软件提供了多操作系统版本，可以提供易用的设计输入、快速的编译和直接易懂的器件编程。QUARTUSII设计软件通过POWERFIT适配技术和LOGICLOCK增强了技术提高了设计效率。QUARTUSII系统包含了一个集成设计环境4】F29】【30】，设计者可以在层次化的项目管理中组合各种不同的设计文件，可以为每一个功能模块选择最佳的设计输入方式。设计者可以首先使用BLOCKEDITOR来生成框图，而生成的这些框图可以在设计的顶层来描述系统结构，然后使用其它框图、