一文解析FPGA在數字電源控制器的應用思路

1 引言

在資訊科技高速發展的今天,電子系統數位化已經成為有目共睹的趨勢,從傳統應用中小規模晶元構造電路系統到廣泛地應用微控制器,到今天dsp及fpga在系統設計中的應用,電子設計技術已邁入了乙個全新階段。

fpga不僅具有容量大,邏輯功能強的特點,而且兼有高速、高可靠性。隨著eda技術的發展和vlsi工藝技術的進步,特別是軟/硬體ip芯核產業的迅猛發展,可程式設計片上系統(sopc)己經大量使用。

本文通過對高精度數字電源系統的研發,提出了fpga在數字電源控制器的應用思路。

2 系統組成

本系統是以單片現場可程式設計門陣列(fpga)為基礎的全數字控制的高精度開關電源。數字控制的h橋脈寬調變的dc-dc變換器電源系統如圖1所示。

圖中,功率主電路由三相整流器、低頻lc濾波電路、dc-dc功率變換器、輸出高頻濾波電路等幾部分構成;控制及調節功能主要由基於fpga的數字電源控制器完成,可以按設計要求來調節電源輸出電壓、電流。

fpga中主要分兩大模組,第乙個模組是由軟核cpu組成的通訊管理模組;第二個模組由幾個dsp塊組成,主要完成調節器的pi或pid運算、高解析度pwm訊號的產生以及數字濾波等。

在pwm開關電源中,pwm波形的產生及其準確調製至關重要。當使用fpga數字控制器時,電流環及電壓環的調節方式為數位化的pi(比例積分)或pid(比例積分微分)調節,反饋電流或電壓訊號經過a/d(模擬/數字)轉換後輸入到控制器,由控制器調節脈衝的寬度。

採用上述方案的數位化電源相對於傳統的模擬控制方式,具有顯而易見的優勢。對於不同的負載物件,可以通過在軟體中修改調節器引數來滿足指標要求,並且可以按照實際需要自由配置成為單環或雙環控制系統。這些都是在軟體中完成的,系統控制調節單元的硬體無需重複配置。

3 軟核nios cpu

在quartusii開發軟體中使用sopc builder開發工具可以快速構造乙個nios軟核cpu,嵌入到fpga器件中,nios軟核cpu如圖2所示。

在本例中構造了uart-rs232、ethernet通訊功能,lcd液晶屏顯示功能,數字量、開關量i/o及外部資料儲存管理等功能,通過nios ii的整合開發環境nios ii ide,使用c/c++高階語言對nios軟核cpu進行程式設計。

4 調節器演算法(pi或pid)

調節器的演算法在數字電源是乙個至關重要的環節,它的好壞直接影響到電源系統的各項效能指標。

以某加速器六極磁鐵所需電源為物件,主要引數如下:

磁鐵:rm=0.14h,lm=0.266mω

電源:un=70v,電壓紋波小於1×10-3(1khz以下);

in=200a,電流紋波小於5×10-5,跟蹤誤差小於1×10-4。

若採用電流單閉環控制,並採用pi調節器,**的系統模型如圖3所示。

圖3中,上位電流給定訊號通過16位dac轉換後,與dcct輸出的電流反饋訊號進行比較,得到誤差訊號,此誤差經過誤差放大器放大後送入pi調節器,由調節器的輸出來控制pwm並驅動功率器件,從而實現負載物件所要求的高精度輸出電流。

在matlab/simulink中對圖3所示系統加以斜坡給定,可**得到系統響應如圖4所示。可以看出系統無超調,跟蹤誤差小於0.02a(0.02/200=1×10-4),滿足系統要求的指標。

**完成後可以通過dspbuilder系統設計工具構造乙個含有hdl語言的pid功能的dsp塊。這個dsp塊可以作為乙個ip核供fpga直接呼叫。其輸出用於pwm調製。

5 高精度pwm脈衝的生成

fpga實現pwm部分設計框圖如圖5所示。

pwm的生成主要由脈寬暫存器、緩衝暫存器、週期暫存器、死區暫存器、死區發生器、數值比較器、控制邏輯等部分組成。

脈寬暫存器,決定各路pwm訊號的脈寬;緩衝暫存器,實現對脈寬資料的緩衝;週期暫存器,決定pwm的斬波週期;死區暫存器,決定h橋臂的死區時間。

脈寬暫存器在每個開關週期更新一次,其輸出資料經緩衝後與基準計數器進行數值比較,得到各路pwm訊號。再經死區電路處理,最後產生4路pwm驅動訊號,驅動相應的功率器件。

基準計數器,用來產生類似模擬電路中的三角波基準,是乙個最小計算值為0,最大計算值為週期暫存器中儲存的數值、計數方向交替變換的可逆計數器。

基準計數單元在最大計數值時產生乙個同步訊號syn,當其有效時將4個脈衝寬度的資料存入各自的緩衝暫存器,實現雙緩衝,使各個脈衝寬度暫存器在syn無效時可依次更新而不影響最終的功率器件導通。

6 結束語

本文以fpga晶元ep1c20為核心,敘述了實現數位化電源控制調節器的一種方法,根據現場工藝要求在fpga中可靈活配置控制方案而無需重新配置硬體,外圍電路(如adc、dac等)選用高精度、低溫漂的器件,從而實現高精度的數位化電源,這是模擬系統所不及的。

同時,由於控制調節的核心採用了數位化電路,系統自身的抗干擾能力明顯優於模擬系統。