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【摘要】 针对传统的逆变电源设计所采用的设计方法中存在的不足与缺陷,本文采用了基于CPLD的电子自动化设计技术,对逆变电源控制电路重新进行了设计,给出了硬件控制主电路的设计方案,并且采用Verilog HDL硬件编程语言完成了FPGA功能模块的设计。这些工作对于采用用CPLD/ FPGA设计逆变电源控制电路,提高逆变电源的可靠性和便携性,都具有一定的借鉴意义。
【关键词】 CPLD-FPGA;逆变控制;脉宽调制
【中图号】TL362+.7【文献标示码】 A 【文章编号】 1005-1074(2008)12-0155-01
1 引言
随着微电子技术的发展,可编程逻辑器件由于速度快,集成度高,编程方便,保密性强而越来越受到系统设计者的青睐。传统逆变器的控制电路是由数字电路或专用芯片构成的,因此存在着设计复杂、体积大、抗干扰能力差等问题。可复杂可编程逻辑器件(CPLD)的出现,为解决上述问题提供了有力的手段。本文采用Altera公司的Cyclone II系列FPGA芯片实现了基于移相PWM全桥控制模式的脉宽调制输出实现了大功率逆变电源的设计,简化了控制
电路,提高了可靠性。
2 控制电路的设计
由于在传统的逆变电源中一般采用的都是逆变器—工频变压器—滤波器的结构,使得整个逆变电源又大又笨重,难以达到人们对现代电源高功率密度、高效率、高可靠性、小型轻量化的要求。为了克服传统逆变器的缺点,现代电子技术开始采用CPLD-FPGA电子自动化设计技术设计逆变电源控制电路,从控制精度、控制可靠性等方面都有了很大的提升。把FPGA/CPLD应用于嵌入式控制系统,同单片机结合起来,更能体现其在系统可编程、使用方便灵活的特点。本文设计实现的数字化逆变电源控制电路,是利用单片机与可编程逻辑器件共同构建数字控制系统。如下图所示,为该控制电路的原理示意图。本设计采用的可编程逻辑芯片为Altera公司的Cyclone II系列的EP2C5T144C8的FPGA芯片,单片机部分选用富士通公司的16位增强型单片机MB90F352S见图1。
该逆变电源的主要控制思想为:系统通过霍尔电流反馈实时采样输出电流信号,将反馈通过16位富士通单片机中自带的10位A/D转换(最快转换速率达3μs),将模拟量转换为数字量并实时送入FPGA中。另外同时将面板参数给定也送入FPGA中,通过在FPGA中的PID算法模块生成控制PWM模块占空比的参数给定,最后由PWM模块输出四路驱动波形,从而完成了整个系统的一个周期的运转。
3 FPGA模块的设计
限于篇幅,仅重点对PID算法控制模块和PWM生成模块的具体功能和实现方法进行介绍。
3.1 PID算法控制模块的功能设计 在FPGA中实现PID算法控制功能的流程为:通过单片机的控制信号决定状态机流程,比例系数与积分系数都由单片机在开机后给定,然后通过FPGA中FIFO存储器接口,将反馈电流值与给定值源源不断传送到FPGA中,在FPGA中通过对给定值与反馈值的误差累积作为积分系数的被乘数,并将实时的反馈值与当前给定值的误差值作为比例系数的被乘数,最终生成一个10位的占空比控制数据用于输出到PWM生成模块中,控制即时输出PWM的占空比大小。需要注意的是,由于存在着饱和特性,当控制变量达到一定值后,系统的输出变量不再增长,系统进入饱和区,这就要求系统的控制输出量必须限制在最大占空比输出的范围之内,即对控制量的变化率也有限制,若计算得出的控制量超出了上述范围,系统实际执行的不是控制量的计算值,而是控制量的最大值,尤其在开机或大幅度改变给定值的情况下需要采用限幅PID算法。
3.2 PWM生成模块的设计 PWM生成模块的工作思想是:首先依据锁相环输出的100M的主时钟作为基准时钟信号,对其进行计数分频得到50kHz的固定时钟信号,则此模块的四路输出信号均依据此恒定的PWM信号作为基准源得到,从根本上保证了四路输出的同步性。在生成策略上,则是对输出的每个开关周期对主时钟按照由PID模块给定的占空比数值进行计数,从而得到占空比大小跟随输出响应的PWM波形,最终得到的是四路占空比不断跟随输出反馈变化的PWM波形,其频率为50kHz,占空比调整精度为1/1000。
4 结语
利用CPLD/FPGA作为硬件电路,采用VHDL 等硬件描述语言对硬件的功能进行编程,加快了系统的研发进程,采用数字化的控制方式,大幅度提高了逻辑控制的精确度,实时控制效果好,有效的缩小电路的硬件规模,提高了集成度,降低开发成本,提高系统的可靠性,为电源逆变控制电路的设计开辟了新的天地。
5 参考文献
[1] 陈国呈.新型电力电子变换技术[M].北京:中国电力出版社,2004.
[2] I kuo Yamato, Norikazu Tokunaga,Yasuo Matsuda,et al.New conversion system for ups using high frequency link[J].IEEE PESC’1988,(4):658-663.
[3] 毛继志,李建华,许家栋.基于FPGA的高速数传系统研究[J].微电子学与计算机,2005,22(11):104-107.
【关键词】 CPLD-FPGA;逆变控制;脉宽调制
【中图号】TL362+.7【文献标示码】 A 【文章编号】 1005-1074(2008)12-0155-01
1 引言
随着微电子技术的发展,可编程逻辑器件由于速度快,集成度高,编程方便,保密性强而越来越受到系统设计者的青睐。传统逆变器的控制电路是由数字电路或专用芯片构成的,因此存在着设计复杂、体积大、抗干扰能力差等问题。可复杂可编程逻辑器件(CPLD)的出现,为解决上述问题提供了有力的手段。本文采用Altera公司的Cyclone II系列FPGA芯片实现了基于移相PWM全桥控制模式的脉宽调制输出实现了大功率逆变电源的设计,简化了控制
电路,提高了可靠性。
2 控制电路的设计
由于在传统的逆变电源中一般采用的都是逆变器—工频变压器—滤波器的结构,使得整个逆变电源又大又笨重,难以达到人们对现代电源高功率密度、高效率、高可靠性、小型轻量化的要求。为了克服传统逆变器的缺点,现代电子技术开始采用CPLD-FPGA电子自动化设计技术设计逆变电源控制电路,从控制精度、控制可靠性等方面都有了很大的提升。把FPGA/CPLD应用于嵌入式控制系统,同单片机结合起来,更能体现其在系统可编程、使用方便灵活的特点。本文设计实现的数字化逆变电源控制电路,是利用单片机与可编程逻辑器件共同构建数字控制系统。如下图所示,为该控制电路的原理示意图。本设计采用的可编程逻辑芯片为Altera公司的Cyclone II系列的EP2C5T144C8的FPGA芯片,单片机部分选用富士通公司的16位增强型单片机MB90F352S见图1。
该逆变电源的主要控制思想为:系统通过霍尔电流反馈实时采样输出电流信号,将反馈通过16位富士通单片机中自带的10位A/D转换(最快转换速率达3μs),将模拟量转换为数字量并实时送入FPGA中。另外同时将面板参数给定也送入FPGA中,通过在FPGA中的PID算法模块生成控制PWM模块占空比的参数给定,最后由PWM模块输出四路驱动波形,从而完成了整个系统的一个周期的运转。
3 FPGA模块的设计
限于篇幅,仅重点对PID算法控制模块和PWM生成模块的具体功能和实现方法进行介绍。
3.1 PID算法控制模块的功能设计 在FPGA中实现PID算法控制功能的流程为:通过单片机的控制信号决定状态机流程,比例系数与积分系数都由单片机在开机后给定,然后通过FPGA中FIFO存储器接口,将反馈电流值与给定值源源不断传送到FPGA中,在FPGA中通过对给定值与反馈值的误差累积作为积分系数的被乘数,并将实时的反馈值与当前给定值的误差值作为比例系数的被乘数,最终生成一个10位的占空比控制数据用于输出到PWM生成模块中,控制即时输出PWM的占空比大小。需要注意的是,由于存在着饱和特性,当控制变量达到一定值后,系统的输出变量不再增长,系统进入饱和区,这就要求系统的控制输出量必须限制在最大占空比输出的范围之内,即对控制量的变化率也有限制,若计算得出的控制量超出了上述范围,系统实际执行的不是控制量的计算值,而是控制量的最大值,尤其在开机或大幅度改变给定值的情况下需要采用限幅PID算法。
3.2 PWM生成模块的设计 PWM生成模块的工作思想是:首先依据锁相环输出的100M的主时钟作为基准时钟信号,对其进行计数分频得到50kHz的固定时钟信号,则此模块的四路输出信号均依据此恒定的PWM信号作为基准源得到,从根本上保证了四路输出的同步性。在生成策略上,则是对输出的每个开关周期对主时钟按照由PID模块给定的占空比数值进行计数,从而得到占空比大小跟随输出响应的PWM波形,最终得到的是四路占空比不断跟随输出反馈变化的PWM波形,其频率为50kHz,占空比调整精度为1/1000。
4 结语
利用CPLD/FPGA作为硬件电路,采用VHDL 等硬件描述语言对硬件的功能进行编程,加快了系统的研发进程,采用数字化的控制方式,大幅度提高了逻辑控制的精确度,实时控制效果好,有效的缩小电路的硬件规模,提高了集成度,降低开发成本,提高系统的可靠性,为电源逆变控制电路的设计开辟了新的天地。
5 参考文献
[1] 陈国呈.新型电力电子变换技术[M].北京:中国电力出版社,2004.
[2] I kuo Yamato, Norikazu Tokunaga,Yasuo Matsuda,et al.New conversion system for ups using high frequency link[J].IEEE PESC’1988,(4):658-663.
[3] 毛继志,李建华,许家栋.基于FPGA的高速数传系统研究[J].微电子学与计算机,2005,22(11):104-107.