现场可编程门阵列在逆变器控制系统中的应用.pdf

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1、第 3 0卷第 1期 2 0 0 2年 1月 同济大学学报 j O L r R N A LO FT O N G 3 I U N既 S r Vo l 3 0 N0 1 J a n 2 0 9 2 现场可 编程门阵列在 逆变器控制 系统 中的应用 胡兵，陶生桂，毛 明平(同济大学沪西拉区 电气工程系。上海2 0 0 3 3 1)摘要：介绍了现场可编程门阵列(F P G A)器件的内部结构特点及其在三点式逆变器控制电路上的应用，缩出了该 设计 的仿真渡形，最后分 析了使用 F P G A的优点 关键词：现场可编裎 门列 阵；甚高速集成 电路 硬件 描述语 言；逆 变器控制 中国分类号：TM 9 2

2、1 5 1 文献标识码：A 文章 编号：0 2 5 3 3 7 4 X(2 0 0 2)0 1 0 0 9 70 4 Appl i c a t i o n o f Fi el d Pr og r a mma b l e Ga t e Ar r a y i n I n v er t e r c on t r o l l i n g Sy s t em HU Bi n，T AO S h e n gg u i，MAO l l i n gpi n g (p t L o f E t e c t r ic d E n g i n e e ri n g，T o n g j i Ut t iv e r A W

3、【C a mp u s，S h a n g h a l 2 0 0 3 3 1，C h i n o)A b s t r a c t：T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e a p p l i c a t i o n a n d i mp l e me n t a t i o n me t h o d o f F P C-A(f i e l d p r o g r a mma b l e g a t e a r r a y)d e v i c e i n i n v e r t e r c o n t r o l l i n g s y s t e

4、 m，t a k i n g t r e el e v e l i n v e r t e r f o r e x a mp l e，g i v e s t h e s i mu l a t i o n -a v es t h e d e s i g n a n d f i n a l l y a n a l y s e s t h e me r i t o f F P GA b a s e d s t r a t e g y K e y,rd s：fi d d p r le g a t e a r r a y；v e r y h ig h 唰i n t e g r a t e d d rc

5、u it h a r d w a r e d e s c r i p t io n Ia r】g Lla g e；in v m c o n t ro 随着 国民经济的发展，逆变器的应用越来越广泛，其发展的动力主要来 自两个方 面：一是器件的更新 换代 从 G T O，G T R，MO S F E T，I G B T到 I P M，每次有新的器件问世，都使控制电路简化，性能提高 二是 电路的改进 从单脉 i 中到 P WM 控制，且随着三点式 P WM 调制技术的出现使电机 电流的谐波分量减少，电机转矩 的脉动分量减少，电机的效率提高，调速性能变好t 在从事逆变器的研制 中发现，对于大功率逆变器

6、，因为装置的尺寸、体积较大，且考虑到结构和散热 的 条件，主控板上产生 的 P WM 信号需要经过较长的距离才能送到驱动模块中 为保证 P WM 信号传输的准 确性和可靠性，必须解决 以下几个问题：首先是抗干扰问题，变频器工作时，模块 的开关动作会产生高频干 扰信号；其次是保证 P WM 信号的前、后铪质量，减少模块开关动作的过渡过程；最后是减少布线电感，尽 可能缩短 P WM 信号传输距离，避免过多的内部连接 而在故 障信号的检测、显示 以及直 流侧和交流侧电 压、电流的检测、显示部分，只需要一些简单 的芯片(如 7 4 L S 3 7 3，7 4 L S 2 4 5，I)4 0 8 3，C

7、 D 4 O l 1等)就可实现 其功能，但所需芯片数量较多 为此，在从事三点式大功率逆变器的研制 中，以微处理器 8 O c l 9 6 Kc为核 心，配合 F P G A器件对 I P M 模块触发脉冲的分配与传送、各种故障信号的检测、显示以及直流侧和交流侧 电压、电流的显示等部分进行了研究与仿真，实现了交流变频调速系统的全数字化设计，克服了以往在板 级设计中因使用中小规模数字电路所带来的繁琐和不可靠等特点，并且具有现场设计、现场编程、现场配 置、现场修改以及现场验证等优点，因而大大提高了控制电路的设计灵活性和脉1 中触发的可靠性 1 F P G A内部结构特点及其设计语言 V H D L

8、 X i l i n x公 司推 出的 F P G A 是一种 可 以编程 的专 用集成 芯片，它 主要 由三部分 组成：可 编程逻辑 收稿 日期：2 棚 1 0 3 2 7 作者筒卉：胡兵n邮1 一)男 胡北襄樊 凡 砸 士生 维普资讯 http:/ h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛同济大学学报 第 3 0卷(C L B)，主要包括多路选择器、D触发器及组台逻辑电路，用来实现逻辑功能；可编程输人输 出功能(1 O B)，主要进行输入、输出转换，实现输入输

9、出功能；可编程互连资源(P I)，用来实现内部各块的互连 由于具有 功能强、速度高、灵话性大和设计周期短等特点，F P G A在交流变频调速系统 中得到了日益广泛的应用 在 F P G A的设计中，可使用 VHD L语言、A B E L语言、原理图 本设计采用 r H DL语言，它是硬件描述 语言中比较常用 的一种，非常类似于其它的流行语言(如 c和 P A S C AL)，但它是一种硬件描述语言，因而 又有 自己的特点 VHD L采用 3个层次的硬件描述和 自上而下()P 1)_)wN)的设计风格，能实现 3个层次 描述的分别仿真和混台仿真 其第一层为行为及描述，主要是功能描述；第二层是 R

10、 T L描述，主要是逻辑 表达式的描述，这层的描述要考虑硬件电路的构成，如多路选择器，触发器的选择等；第三层是 门级描述，即用门电路进行描述 的，这层的描述已涉及到基本的与门、或门等 一 2 F P G A器件在三点式逆变器中的设计与实现 在所研制 的三点式逆变器系统中，F P G A器件用作微处理器 8 0 C 1 9 6 KC与被测电路问的数字接 口，其 硬件电路如图 1 所示，系统以 8 0 C 1 9 6 K C微处理器作为主控芯片，通过 MA x3 2 3 2同 P C机进行串行通信，以MA x6 9 1作为电源监视和看门狗电路，防止系统程序因故障而“飞掉”，A L E作 为 F P

11、 G A内部具有地址 锁存功能的控制信号，R D，WR作为内部具有数据锁存功能的控制信号，HS 0 0HS 0 5为 8 0 C1 9 6 K C提 供的触发脉冲 而 t r a n s p u l s e 0-t r a n s p u l s e 1 1为三点式逆变器的 1 2个 I P M 模块提供触发脉冲 F O p r o t e c t 为向8 0 C 1 9 6 K C发 出封锁脉冲的触发信号，c l o e e p u l s e为 8 0 C 1 9 6 KC发出的脉冲封锁信号 c o n v e r t e r F O 0 c o n v e r t e r F O 1 1

12、为 I P M模块故障的输 出与显示，s e n s o r F O为逆变器直流侧和交流侧 的电压传感器与电 流传感器的故障输入，b Y)d i s p l a y 0 F O d i s p l a y l 1为 I P M 模块单元的故障显示 C L R用于故障显示的复位 信号 C L K为 F P GA内部 3 8译码电路功能模块提供时钟信号 C S 0，C S 1，C S 2，c s 3 C S 7分别为 RO M，R A M，键盘显示接口8 2 7 9，模拟多路开关 3 3 6的芯片选择信号 RL 8 2 7 9，A OO UT 8 2 7 9为芯片 g 2 7 9的键盘 扫描恢复信

13、号、数据段码输 出信号 d s p l a y l，d i s p l a y 2将 8 2 7 9送来的 A O OUT 8 2 7 9，RL 8 2 7 9信号经 F P GA 内部锁 图 1 F P GA接口的基本结构 F 1 B a s i c s l l-u c t l l r e o f F P GA c o n n e c t i o n 换 与 分 维普资讯 http:/ h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛第 1期 胡兵 等：现场可缩翟门阵列

14、在逆变器控制系统 中的鹿用 离，变为数据总线 D a t a和地址总线 a d d r e s s，分别送到 R AM，R OM 和 8 2 7 9，8 2 7 9再将采集来的经过处理的 直流侧电压电流，交流侧电压电流及转速送至显示部分 显示部分采用了液晶显示I 4 2 1 F P G A内部结构框图 F P G A内部实现的功能框图如图 2 所示 采用自顶向下和自底向上相结合的系统设计方法完成整个 F m A 的层次化设计 框图内所有模块均采用*v 2-L工业标准硬件描述语言编写 与原理图设计输入方式相比这种方 式具有通用性强、效率高、适合进行大规模数字系统设计的优点 在本设计中 F P G

15、 A所要取代的主要是 7 4 L S 3 7 3，7 4 L S 2 4 5，7 4 L S 1 3 8 I 7 5 4 5，C D 4 0 8 1，C I N0 4 3，C I N 0 1 1，(i i N0 7 2等中小规模芯片，编程设计并不太复杂 围 2 F P G A内部功能框图 Fi g 2 F P GA i n n e rf u n e t i o tr t f r a me 2 2 仿真与调试结果 利用 F P G A 器件 和 l i n x公 司研 制 的 F o u n d a ti o n x i e s 2 L i 软件进行了初步设计和仿真调试，其设计的流 程如图3所示

16、 在各底层编程完毕后即可进行原代码的 语法分析、逻辑综合和门级功能仿真 在验证各个子模块 功能正确后，即可进行顶层模块的综合和门级功能仿真 顶层模块功能验证正确后即可产生一个 E D I F格式 网表 文件*E D N 然后进行 F l ea芯片的布局布线 首先，读 人上一阶段得出的 E DI F网表并转化为*N G D网表，接 着在物理级实现 自动优化布局布线 且可根据需要对 自 动布局布线结果进行手工调整 该过程由 I MP I E NT子 工具完成且每一步都有相应 的状态指示，使用起来很方 便 布局布线后 可产生包含延时信息的 E DI F格式文件*D 再将该文件进行延时后仿真，以上各步

17、骤可反 复执行，直至得到所需结果 在本设计中 F l eA器件在系 统调试时用被动串行配置方式，在芯片功能正确后即改 为主动串行配置方式 这样可快速、可靠地开发出所需功 围 3 F P GA设计、仿真流 程图 F 3 FI o*v c h a r t o fF P GA d e ig n e d a n d s i mu l a t e d 维普资讯 http:/ h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛同济大学学报 第 3 0卷 能的 H 芯 片l 3 l3 F

18、 P G A设计的仿真波形如图4所示 模拟在 8 0 C 1 9 6 K C微处理器上采用 1 6MI-I z 晶振和 4 个状态周期读 写一次条件下 R】G A芯片的响应能力 由图可看出，在 A L E的上升沿，地址馓 据复用信号D a t a a d d r e s s 先送 地址信号，在下降沿时，锁存地址信号，同时传送数据信号，从而达到了地址与数据 的分时复用 在微处理器 8 0 C1 9 6 K C发出的脉冲信号 H S O的过程中，当发生传感器故障s e n s o r F O或 I P M模块故障时，均会产生一个触 发信号 F Op r o t e c t，使微处理器发出一个封锁信

19、号 d c a e p u l s e，使 I P M模块停止工作 时序仿真结果表明在这种 较严格条件下，F I GA设计时延为 1 0-2 0 n s，能够满足系统的设计要求 t r a ns p u l s e r t FO F Od i s pl a y F Op r o t e c 1 3结论 图 4 仿真 波形 Fi g 4 S i mu l a t i o n R 日-，实践表明，采用 F P GA技术控制电路有很多优点 首先，对三点式逆变器控制系统来说，F P G A需要 1 1 0个左 右 I 0 端 口，选 用 X C A 0 0 5系列(I O 数为 1 1 2)即可满 足

20、 要求，其价 格 大约 7 0元，而若 用 7 4 L S 3 7 3，7 4 L S 2 4 5，C D4 0 8 1，C D4 叭1等芯片硬件来实现其功能，加上印刷 电路板费用则需要一百多元；其 次，用 ,T I DL语言可以根据需要在短时间内设计 出要求的控制 电路，并且可 以任意擦写程序，改变功能，因此开发周期短，开发成本低，使用方便灵活；再则，F I GA集成度非常大，一 片 F P GA少则几千个等效门，多则几万个等效 门，因此，非常复杂的控制逻辑 电路 可以放在一片 F P G A 中，实现 了许多中、小规模集成 电路和许多分离元件组合构成的电路所实现的功能，这样使电路 的体积减

21、小，可靠性提高，成本下降 同 时，F P G A器件的速度可以做得非常高，可达几十兆赫兹，如 X i l i n x公 司的产品可达到 5 0 MHz 甚至更高，这样的速度在交流变频调速 系统 中已经足够了 而且，随着 F P G A结构及其功能的增强，现在已可利用 F P G A在交流变频系统中实现基于空间矢量的 P WM 调制、逆变器单元的驱 动、设计及交流变频词速系统 的各种控制理论(矢量控制与直接转矩控制等)的应用 可以预见，用专用集成 电路取代分离元件和中、小 模块集成电路将会成为一种趋势，而且 F P G A在交流传动领域 中也会越来越受到青睐 参考文献 1 张燕宾 S P WM 变频调速系统应用技术 M北京：机械工业出版牡，1 9 9 8 2 朱明程 F P G A原理及应用设计 M北京：电子工业出版牡 1 9 9 4 3 侯伯亨，顾新 V I )L硬件描述语言与数字逻辑电路设计(修订版)M 西安：西安电子科技大学出版社，1 9 9 7 4 孙涵芳【mL 1 6 位单片机 M 北京：北京航空航天大学出版杜 1 9 9 6 一 一 维普资讯 http:/ h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛