專利名稱：基于fpga的數(shù)字電源控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于電子與通信技術領域，涉及一種基于FPGA的數(shù)字電源控制系統(tǒng)。
背景技術：
隨著電力電子技術的高速發(fā)展，數(shù)字電源得到了廣泛的應用，而日新月異的高科技產(chǎn)品對數(shù)字電源提出了更高的要求。數(shù)字電源模擬控制技術發(fā)展了很多年，已經(jīng)比較成熟，但是卻無法克服固有的缺點控制電路復雜、元器件比較多、不利于小型化；控制電路設計好后很難修改，調(diào)試不方便；控制不靈活，復雜的控制方法也難以用模擬方法實現(xiàn)。因此使用數(shù)字技術來設計和開發(fā)數(shù)字電源勢在必行。目前實現(xiàn)數(shù)字電源數(shù)字控制主要有以下兩種方法。一是使用單片機通過外接AD轉(zhuǎn)換芯片進行采樣，采樣后對得到的數(shù)據(jù)進行運算和調(diào)節(jié)，再把結(jié)果通過DA轉(zhuǎn)換后傳到PWM芯片中，實現(xiàn)單片機對數(shù)字電源的間接控制。這種方法的技術目前已經(jīng)比較成熟，設計方法容易掌握，不但克服了模擬控制的固有缺陷，而且對單片機的要求不高，成本比較低。但是控制電路由于用多個芯片，電路比較復雜，電源的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度不夠高。另外一種方法是使用高性能數(shù)字芯片如DSP對電源進行直接控制，數(shù)字芯片完成信號采樣AD轉(zhuǎn)換和PWM輸出等工作，這樣就可以簡化控制電路的設計，由于這些芯片有較高的采樣速度和運算速度，可以快速有效的實現(xiàn)各種復雜控制算法， 實現(xiàn)對電源的有效控制，有較高的動態(tài)性能和穩(wěn)壓精度。但是DSP芯片結(jié)構(gòu)復雜，所有任務共享處理器內(nèi)核寄存器、內(nèi)部和外部存儲器等資源，一個任務很有可能和其他任務相互影響，從而導致系統(tǒng)出現(xiàn)故障。另外傳統(tǒng)通用的DSP，數(shù)據(jù)傳輸仍然是串行的，并非針對實時信號處理而設計，數(shù)據(jù)的輸入輸出能力相對于其處理能力要低得多，在一些電力電子系統(tǒng)的控制中，難以滿足實時性，因此性能受到一定的限制?；贔PGA的數(shù)字電源的數(shù)字化控制目前在國內(nèi)尚處于研究開發(fā)階段，其與目前已經(jīng)得到較多應用的MCU、DSP芯片來比較，集成度更高、任務執(zhí)行速度更快，開發(fā)過程投資小、周期短、可反復編程修改，移植性強，開發(fā)工具智能化等優(yōu)點。因此，采用FPGA構(gòu)造電力電子裝置的控制單元具有簡單靈活、控制精確、易修改、可現(xiàn)場編程等優(yōu)點，這對于用FPGA 實現(xiàn)全數(shù)字化控制，提供了一個良好的途徑。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術問題是提供一種基于FPGA的數(shù)字電源控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于FPGA強大硬件并行處理能力，可實現(xiàn)電壓閉環(huán)控制，控制速度快、效率高，可根據(jù)被控對象的需求提供任意路數(shù)、任意形式的相位可調(diào)、占空比可調(diào)的高頻、高精度數(shù)字電源控制信號。本實用新型的技術方案如下一種基于FPGA的數(shù)字電源控制系統(tǒng)，其特征在于，包括主控制器、用于驅(qū)動主電路的驅(qū)動電路、用于產(chǎn)生電源電壓的主電路、ADC轉(zhuǎn)換電路、用于進行系統(tǒng)信號數(shù)字顯示的數(shù)字顯示模塊；所述的驅(qū)動電路、ADC轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字顯示模塊均與所述的主控制器連接，主控制器與上位機通信連接；所述的驅(qū)動電路連接主電路，所述的主電路與所述的ADC轉(zhuǎn)換電路連接；所述的主控制器采用FPGA。本實用新型的有益效果本裝置基于FPGA強大硬件并行處理能力，可實現(xiàn)電壓閉環(huán)控制，控制速度快、效率高，可根據(jù)被控對象的需求提供任意路數(shù)、任意形式的相位可調(diào)、占空比可調(diào)的高頻、高精度數(shù)字電源控制信號。同時采用FPGA作為系統(tǒng)主控制器，使整個系統(tǒng)集成度更高、任務執(zhí)行速度更快，具有簡單靈活、控制精確、易修改、可現(xiàn)場編程等特點。本裝置的優(yōu)點還體現(xiàn)在開發(fā)過程投資小、周期短、可反復編程修改，移植性強等優(yōu)點。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本實用新型實施例1中具體的結(jié)構(gòu)原理圖；圖3為本實用新型實施例1中PI控制器算法示意圖。
具體實施方式
實施例1 如圖1所示，一種基于FPGA的數(shù)字電源控制系統(tǒng)，其特征在于，包括主控制器、用于驅(qū)動主電路的驅(qū)動電路、用于產(chǎn)生電源電壓的主電路、ADC轉(zhuǎn)換電路、用于進行系統(tǒng)信號數(shù)字顯示的數(shù)字顯示模塊；所述的驅(qū)動電路、ADC轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字顯示模塊均與所述的主控制器連接，主控制器與上位機通信連接；所述的驅(qū)動電路連接主電路，所述的主電路與所述的ADC轉(zhuǎn)換電路連接，所述的主控制器采用FPGA，所述的FPGA包括數(shù)字PI控制器、PWM 信號發(fā)生單元、時鐘管理模塊、ADC控制器以及與外部設備進行通訊的通訊接口。數(shù)字電源由主電路和控制電路兩部分組成?？刂齐娐返墓δ苁窃谳斎腚妷?、內(nèi)部參數(shù)、接負載變化時，調(diào)節(jié)主電路開關器件的導通時間，使數(shù)字電源的輸出電壓或者電流保持恒定。控制電路通過調(diào)節(jié)主電路開關器件的占空比來控制主電路的輸出，其原理框圖如圖2所示。A/D轉(zhuǎn)換位于閉環(huán)控制的反饋通道，它的精度高低將直接影響到系統(tǒng)的輸出精度。 本系統(tǒng)選用TI公司的ADS7951，由FPGA內(nèi)部的ADC采樣控制器與外部的ADC ADS7951構(gòu)成數(shù)字控制開關變換器的采樣電路。時鐘管理模塊的一路輸出提供給ADC控制器產(chǎn)生ADC 控制信號的正常工作時序，完成對負載電流或電壓值得采樣，并將所得采樣值經(jīng)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送回主控制器的數(shù)字PI (比例積分)控制器單元。數(shù)字PI控制器是在FPGA上進行VHDL(超高速集成電路硬件描述語言)的實現(xiàn)，其算法結(jié)構(gòu)圖如圖3。數(shù)字PI控制器的乘法器和加法器以及累加器單元用于完成數(shù)據(jù)之間的邏輯運算，寄存器單元REG用于鎖存偏差信號或輸出信號的初始值和中間值，限幅單元用于保證控制邏輯輸出的信號在物理設備承受范圍之內(nèi)。通過對各路信號進行比例、積分并進行并行計算之后輸出PI控制調(diào)節(jié)量 (占空比值或相位值)提供給PWM發(fā)生單元進行脈寬信號調(diào)制。PI控制器充分發(fā)揮FPGA硬件并行執(zhí)行能力，延時非常短，大大提高了運算的速率。PWM發(fā)生單元為數(shù)字方式的脈寬調(diào)制器，采用定時計數(shù)器計數(shù)的方式來產(chǎn)生三角波，通過將該計數(shù)值與特定的周期值/脈寬值比較來得到方波輸出，實現(xiàn)占空比可調(diào)以及相位可調(diào)的高頻、高精度數(shù)字電源控制信號。 另外時鐘管理模塊還產(chǎn)生高頻率，高穩(wěn)定性的時鐘，提供給PWM發(fā)生單元的定時器模塊以及提供給PI控制器進行邏輯運算，以達到同步信號的作用。本系統(tǒng)還采用FPGA，利用VHDL 語言設計了通訊接口，與上位機(PC)以及數(shù)字顯示模塊(LCD)進行通訊，通信具有傳輸線少(四根線)、成本低、可靠性高等優(yōu)點。
權利要求1.一種基于FPGA的數(shù)字電源控制系統(tǒng)，其特征在于，包括主控制器、用于驅(qū)動主電路的驅(qū)動電路、用于產(chǎn)生電源電壓的主電路、ADC轉(zhuǎn)換電路、用于進行系統(tǒng)信號數(shù)字顯示的數(shù)字顯示模塊；所述的驅(qū)動電路、ADC轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字顯示模塊均與所述的主控制器連接，主控制器與上位機通信連接；所述的驅(qū)動電路連接主電路，所述的主電路與所述的ADC轉(zhuǎn)換電路連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的主控制器采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列。
專利摘要本實用新型公開了一種基于FPGA的數(shù)字電源控制系統(tǒng)，其特征在于，包括主控制器、用于驅(qū)動主電路的驅(qū)動電路、用于產(chǎn)生電源電壓的主電路、ADC轉(zhuǎn)換電路、用于進行系統(tǒng)信號數(shù)字顯示的數(shù)字顯示模塊；所述的驅(qū)動電路、ADC轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字顯示模塊均與所述的主控制器連接，主控制器與上位機通信連接；所述的驅(qū)動電路連接主電路，所述的主電路與所述的ADC轉(zhuǎn)換電路連接；所述的主控制器為現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)。本裝置基于FPGA強大硬件并行處理能力，可實現(xiàn)電壓閉環(huán)控制，控制速度快、效率高，可根據(jù)被控對象的需求提供任意路數(shù)、任意形式的相位可調(diào)、占空比可調(diào)的高頻、高精度數(shù)字電源控制信號。
文檔編號G05B19/418GK202003209SQ201120077799
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權日2011年3月23日
發(fā)明者葉自清 申請人:中南林業(yè)科技大學