基于FPGA的高精度數(shù)字電源

1 引言

在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天,電子系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)成為有目共睹的趨勢(shì),從傳統(tǒng)應(yīng)用中小規(guī)模芯片構(gòu)造電路系統(tǒng)到廣泛地應(yīng)用單片機(jī),到今天DSP及FPGA在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,電子設(shè)計(jì)技術(shù)已邁入了一個(gè)全新階段。FPGA不僅具有容量大,邏輯功能強(qiáng)的特點(diǎn),而且兼有高速、高可靠性。隨著EDA技術(shù)的發(fā)展和VLSI工藝技術(shù)的進(jìn)步,特別是軟/硬件IP芯核產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,可編程片上系統(tǒng)(SOPC)己經(jīng)大量使用。本文通過(guò)對(duì)高精度數(shù)字電源系統(tǒng)的研發(fā),提出了FPGA在數(shù)字電源控制器的應(yīng)用思路。

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)是以單片現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)為基礎(chǔ)的全數(shù)字控制的高精度開(kāi)關(guān)電源。數(shù)字控制的H橋脈寬調(diào)制的DC-DC變換器電源系統(tǒng)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(gòu)成;控制及調(diào)節(jié)功能主要由基于FPGA的數(shù)字電源控制器完成,可以按設(shè)計(jì)要求來(lái)調(diào)節(jié)電源輸出電壓、電流。

FPGA中主要分兩大模塊,第一個(gè)模塊是由軟核CPU組成的通訊管理模塊;第二個(gè)模塊由幾個(gè)DSP塊組成,主要完成調(diào)節(jié)器的PI或PID運(yùn)算、高分辨率PWM信號(hào)的產(chǎn)生以及數(shù)字濾波等。

在PWM開(kāi)關(guān)電源中,PWM波形的產(chǎn)生及其準(zhǔn)確調(diào)制至關(guān)重要。當(dāng)使用FPGA數(shù)字控制器時(shí),電流環(huán)及電壓環(huán)的調(diào)節(jié)方式為數(shù)字化的PI(比例積分)或PID(比例積分微分)調(diào)節(jié),反饋電流或電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D(模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換后輸入到控制器,由控制器調(diào)節(jié)脈沖的寬度。

采用上述方案的數(shù)字化電源相對(duì)于傳統(tǒng)的模擬控制方式,具有顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于不同的負(fù)載對(duì)象,可以通過(guò)在軟件中修改調(diào)節(jié)器參數(shù)來(lái)滿足指標(biāo)要求,并且可以按照實(shí)際需要自由配置成為單環(huán)或雙環(huán)控制系統(tǒng)。這些都是在軟件中完成的,系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)單元的硬件無(wú)需重復(fù)配置。

3 軟核Nios CPU

在QuartusII開(kāi)發(fā)軟件中使用SOPC Builder開(kāi)發(fā)工具可以快速構(gòu)造一個(gè)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(gòu)造了UART-RS232、Ethernet通訊功能,LCD液晶屏顯示功能,數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量I/O及外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理等功能,通過(guò)Nios II的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Nios II IDE,使用C/C++高級(jí)語(yǔ)言對(duì)Nios軟核CPU進(jìn)行編程。就能完成FPGA同上位機(jī)RS232口或者Ethernet網(wǎng)的通訊、本地信息采集及顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理等。在FPGA內(nèi)部通過(guò)地址總線和數(shù)據(jù)總線來(lái)管理其他DSP塊或IP核的協(xié)調(diào)工作。

4 調(diào)節(jié)器算法(PI或PID)

調(diào)節(jié)器的算法在數(shù)字電源是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié),它的好壞直接影響到電源系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

以某加速器六極磁鐵所需電源為對(duì)象,主要參數(shù)如下:

磁鐵:Rm=0.14H,Lm=0.266mΩ

電源:Un=70V,電壓紋波小于1×10-3(1kHz以下);

In=200A,電流紋波小于5×10-5,跟蹤誤差小于1×10-4。

若采用電流單閉環(huán)控制,并采用PI調(diào)節(jié)器,仿真的系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3中,上位電流給定信號(hào)通過(guò)16位DAC轉(zhuǎn)換后,與DCCT輸出的電流反饋信號(hào)進(jìn)行比較,得到誤差信號(hào),此誤差經(jīng)過(guò)誤差放大器放大后送入PI調(diào)節(jié)器,由調(diào)節(jié)器的輸出來(lái)控制PWM并驅(qū)動(dòng)功率器件,從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載對(duì)象所要求的高精度輸出電流。

在Matlab/Simulink中對(duì)圖3所示系統(tǒng)加以斜坡給定,可仿真得到系統(tǒng)響應(yīng)如圖4所示?？梢钥闯鱿到y(tǒng)無(wú)超調(diào),跟蹤誤差小于0.02A(0.02/200=1×10-4),滿足系統(tǒng)要求的指標(biāo)。

仿真完成后可以通過(guò)DSPBuilder系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具構(gòu)造一個(gè)含有HDL語(yǔ)言的PID功能的DSP塊。這個(gè)DSP塊可以作為一個(gè)IP核供FPGA直接調(diào)用。其輸出用于PWM調(diào)制。

5 高精度PWM脈沖的生成

FPGA實(shí)現(xiàn)PWM部分設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

PWM的生成主要由脈寬寄存器、緩沖寄存器、周期寄存器、死區(qū)寄存器、死區(qū)發(fā)生器、數(shù)值比較器、控制邏輯等部分組成。脈寬寄存器,決定各路PWM信號(hào)的脈寬;緩沖寄存器,實(shí)現(xiàn)對(duì)脈寬數(shù)據(jù)的緩沖;周期寄存器,決定PWM的斬波周期;死區(qū)寄存器,決定H橋臂的死區(qū)時(shí)間。脈寬寄存器在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期更新一次,其輸出數(shù)據(jù)經(jīng)緩沖后與基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器進(jìn)行數(shù)值比較,得到各路PWM信號(hào)。再經(jīng)死區(qū)電路處理,最后產(chǎn)生4路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào),驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率器件。

基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器,用來(lái)產(chǎn)生類似模擬電路中的三角波基準(zhǔn),是一個(gè)最小計(jì)算值為0,最大計(jì)算值為周期寄存器中保存的數(shù)值、計(jì)數(shù)方向交替變換的可逆計(jì)數(shù)器?；鶞?zhǔn)計(jì)數(shù)單元在最大計(jì)數(shù)值時(shí)產(chǎn)生一個(gè)同步信號(hào)SYN,當(dāng)其有效時(shí)將4個(gè)脈沖寬度的數(shù)據(jù)存入各自的緩沖寄存器,實(shí)現(xiàn)雙緩沖,使各個(gè)脈沖寬度寄存器在SYN無(wú)效時(shí)可依次更新而不影響最終的功率器件導(dǎo)通。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以FPGA芯片EP1C20為核心,敘述了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電源控制調(diào)節(jié)器的一種方法,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝要求在FPGA中可靈活配置控制方案而無(wú)需重新配置硬件,外圍電路(如ADC、DAC等)選用高精度、低溫漂的器件,從而實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)字化電源,這是模擬系統(tǒng)所不及的。同時(shí),由于控制調(diào)節(jié)的核心采用了數(shù)字化電路,系統(tǒng)自身的抗干擾能力明顯優(yōu)于模擬系統(tǒng)。

目前,在很多應(yīng)用領(lǐng)域中,需要數(shù)十臺(tái)甚至更多電源同時(shí)協(xié)調(diào)工作,即適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化電源應(yīng)用,而上述方案的數(shù)字化電源,通過(guò)Nios軟核CPU的強(qiáng)大通訊功能,可以很方便的實(shí)現(xiàn)批量電源的網(wǎng)絡(luò)化管理。