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基于SOPC的变频控制器IP核的研究 武汉科技大学 硕士学位论文 基于SOPC的变频控制器IP核的研究 姓名:王孟 申请学位级别:硕士 专业:控制理论与控制工程 指导教师:陈林 20080428 武汉科技大学 硕士学位论文 第1页 摘要 以可编程片上系统SOPC(SystemOnaProgrammableChip)为核心的电子产品,是近几 年集成电路中发展最快的产品。随着SOPC性能的高速发展和设计人员自身能力的提高, SOPC进一步扩大适用领域,将复杂专用芯片推向高端和超复杂应用。另外,随着能源、 环保等问题的日益突出,...

基于SOPC的变频控制器IP核的研究
武汉科技大学 硕士学位论文 基于SOPC的变频控制器IP核的研究 姓名:王孟 申请学位级别:硕士 专业:控制理论与控制工程 指导教师:陈林 20080428 武汉科技大学 硕士学位论文 第1页 摘要 以可编程片上系统SOPC(SystemOnaProgrammableChip)为核心的电子产品,是近几 年集成电路中发展最快的产品。随着SOPC性能的高速发展和设计人员自身能力的提高, SOPC进一步扩大适用领域,将复杂专用芯片推向高端和超复杂应用。另外,随着能源、 环保等问题的日益突出,节能效果显著的变频器市场规模日益扩大,但国内的变频器目前 仅占据25%左右的市场份额。运用SOPC技术开发核心控制芯片,是改变这一现状的有效措 施之一。 本文基于FPGA解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的SOPC,实现对SPWM变频控制器口核的研究。文中首 先对变频调速的基本原理以及变频控制技术中的正弦脉宽调$1](SPWM)相关内容进行研 究,在深入研究SPWM控制原理、各种SPWM的实现算法以及SPWM模式的优化方法的 基础上,给出本文SPWM的实现方法。然后具体介绍SOPC系统的设计与实现方法,最后 在QUARTUSII开发软件中,综合VHDL硬件描述语言以及宏功能模块的设计方法,采用 数字化自然采样法,实现变频控制器P核的设计,并对口核的部分功能进行时序仿真验 证。文中,对如何实现变频控制器P核的设计,进行详细的阐述。 .‘为验证本文变频器D核的设计方法的可行性,最后以ACEXlK系列的FPGA/SOPC开发 板为实验测试平台,对D核进行测试。通过对测试结果的分析,进一步验证采用本文的方 法来设计变频器P核的有效性和可行性。该P核的设计完全可以满足电机驱动和逆变电源 的要求,其中开关频率,死区时间等参数可以进行修改,P核可移植性好,稍加优化改进 后,可应用到交流电机驱动控制系统中。 关键词:可编程片上系统,FPGA,正弦脉宽调制,VHDL,IP核 第1I页 武汉科技大学 硕士学位论文 Abstract ElectronicproductsusingSOPCascoresarethefastestgrowingintegratedcircuitproduct recentyears.WiththerapiddevelopmentofSOPCcapabilityandtheimprovementofdesigners’ ability,SOPCfurtherexpandthefieldsofapplication,andcomplexASICwillbededicatedto hi曲-endandultra-complexapplications.Inaddition,asenergy,environmentalprotectionand otherissueshavebecomeincreasinglyprominent,energy-savingsignificantinverteris expandingthesizeofthemarket,butdomesticinvertercurrentlyonlyoccupyabout25percent marketshare.UsingSOPCtodevelopcontrolcorechipiSoneoftheeffectivemeasuresto changethestatus. ThepaperistoachievetheresearchofSPWMinverterIPcorebasedonSOPC.Firstly,the basicprinciplesoffrequencycontroltechnologyandthecontentsrelatingtoSPWMarcstudied. Basedonin-depthstudySPWMcontrolprinciple,therealizationofvariousSPWMalgorithms andtheoptimizationmethodSPWMmodel,therealizationofSPWMinthispaperisgiven. Then,thedesignandtherealizationmethodofSOPCareintroducedspecifically.Lastly,under theQUARTUSIIsoftwareenvironment,usingVHDLandmacrofunctionsmoduledesign method,andusingthedi西talnaturalsampling,thedesignoftheinverterIPCOreisachieved. SomefunctionsoftheIPcorearesimulatedbytiming.Inthispaper,howtoachievethedesign oftheinverterIPCOrewillbedescribeddetailed. TovenfythefeasibilityofthedesignmethodofthisinverterIPcore,theACEXlKseriesof FPGA/SOPCdevelopmentboardastheexperimentaltestplatformisusedtotesttheIPcore.The analysisofthetestresultsfurthervalidatethevalidityandfeasibilityofthemethodusedto designthisinverterIPcore.ThedesignoftheIPcoreisfullysatisfiedwiththerequirementsof themotordriveandtheinverterpowerSOurCe,andtheswitchingfrequency,thedeadtime,and otherparametersCanbemodified.ThisIPcorehasgoodportability,andCanbeappliedtothe ACmotordrivecontr01systemafteralittleimprovementandoptimization. Keywords:SOPC,FPGA,SPWM,VHDL,IPCore 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文是本人在导师指导下,独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明. 申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。 论文作者签名:圭皇 日期:塑垒:鱼:.f 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有,其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定, 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本,允许论文被查 阅和借阅,同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名:垒垒 指导教师签名: !睑 日 期:o硼。6.厂 武汉科技大学 硕士学位论文 第l页 1.1SOPC概述 I.I.ISOPC的发展情况 第一章绪论 近年来,随着半导体技术的飞速发展,现代高密度现场可编程逻辑器件FPGA(Field ProgrammableGateArray)的设计性能及性价比已完全能够与ASIC(ApplicationSpecific IntegratedCircuit)抗衡。在这样的背景下,一种被称为SOPC(System011aProgrammableChip) 的新技术出现了。SOPC技术可以使设计人员充分利用FPGA的逻辑单元以及植入FPGA内 部的存储模块和DSP模块,并使用FPGA制造厂商提供的软核处理器,设计出可灵活裁减、 扩充、可升级的嵌入式处理系统【l】。在过去的几年中,几种RISC(ReducedInstructionSet Computer精简指令集)软核处理器相继面世。使用SOPC开发产品或进行产品的原型设计, 可有效降低产品上市风险、降低开发成本、缩短产品上市周期。 可编程逻辑器件已经得到广泛的应用。PLD(ProgrammableLogicDevice)和FPGA的系 统门数已经发展到百万级,为了简化设计,降低成本和缩短产品周期,可编程逻辑器件供 应商以其芯片灵活性和功能完备性的技术优势,掀起了一场设计可编程片上系统的潮流【2】。 SOPC技术,其实质就是将PLD中嵌入更多模块,特别是高端的微处理器和数字信号处理器。 目前,已有众多厂商推出了SOPC产品,现列举几个主要供应商的主流产品,它们分 别是: Altera公司的ExcaliburEPXM系列SOPC产品集成了200MHZ的MIPS4KCPU内核和 MIPS系统总线,它可以与AlteraAPEXPLD组合使用,是一个参数化的嵌入逻辑分析仪。 Xilinx公司的Virtex和Spartan.II系列嵌/X,ARCcore32位可配置处理器,包含40款可参数 化配置IPC核心的全面坤库。 Triscend公司新推出了可配置片上系统CSOC(ContigurableSystemOnaChip)产品,它 是一颗整合8051的Tubro核,可以进行在线实时调试。 同样,SOPC技术在我国也受到前所未有的重视,如国家科技部超大规模集成电路SOC 专项工作,内容包括:关键电子信息产品核心芯片开发;SOC设计关键技术和制造技术; 超大规模集成电路设计产业化环境建设等。此外,我国在嵌入式微处理器口核方面也有了 长足进展,如北大计算机系的JBCore32中芯微系统的方舟一号,中科院计算机所的 GODSON,这些32位微处理器核可以证明中国的IC设计师已具有了设计较高性能的微处理 器核的能力。 1.1.2SOPC技术应用现状 虽然大多数设计者希望采用系统集成技术来实现产品设计与开发,从而达到节省功 第2页 武汉科技大学 硕士学位论文 耗、空间和成本的目的,但是他们中的绝大多数还未接触过系统级集成,仍需依赖于离散 标准产品的某种组合,如处理器、存储器、数字信号处理器和可编程逻辑器件等,来实现 微电子应用产品开发。这种现实与愿望之间的差距就成为半导体供应商尚未涉及的真空地 带,而解决方案则是创建混合产品,即可编程片上系统SOPC,它可以在一块现成的可编 程芯片上提供产品所需的系统级集成。 许多IC供应商已经在可编程系统级集成的实现方面迈出了可喜的步伐。这些新的器件 所提供的系统功能包括处理器、存储器和可编程逻辑,从而解决了与ASIC相关的Ⅻ也(非 经常性工程)费用或制造周期太长的问题。可编程系统级芯片提供了掩膜ASIC的高集成度 (低功率、小尺寸、低成本)及FPGA的低风险、灵活性和快速上市的特性,从而受到了极大 的欢迎,这也是SOPC技术目前遍及整个微电子行业的最为根本的原因。 目前已有几家IC供应商能够提供SOPC,其中最为典型和著名的公司有Atmel、Xilinx 和Altera。Atmel公司于1999年开发出首个基于RISC的现场可编程系统级集成电路 (FPSL脚ieldProgrammableSystemLevelIC卜-AT40KFPGA。Xilinx公司和Altera公司也 于2000年宣布开发各自的可编程系统的产品,2001年亦已投产。Xilinx公司的SOC芯片型 号为Spartan、Spartan.II、Virtex、Virtex.Ⅱ、XC4000和XC9500系列,Altera公司的SOC芯片 为APEXEP20KE系列。除此之外,推出SOPC芯片的公司还有:Tri.scend、IDT、Genesis、 Cygnal、Cypress等公司。这些SOPC芯片的技术基本代表了当今SOPC技术水平。 而在中国,清华大学科教仪器厂的TPG.EDA/SOPC教学实验平台则为高校的学生提供 了一个非常灵活的实验环境,学生可以使用它构建自己项目所需的硬件和软件,从而可以 完成自己感兴趣的各种不同的项目。同时,对于学生或者教师而言,如果希望全面学习 SOPC技术,最好的方法就是完成一个系统设计,因此除了需要使用SOPC软件工具,还会 用到数字电子技术、计算机体系结构、C语言编程以及VHDL和Verilog编程语言等相关背 景知识。所以,应用SOPC技术开展电子系统设计及相关课程的教学,不仅可以使学生了 解并掌握电子系统设计的方法,也符合现代电子技术的发展趋势和应用实际,有利于提高 学生的综合素质和培养学生的创新精神,符合培养高素质、高层次、多样化、创造性人才 的总体培养目标。 1.1.3SOPC技术的发展方向 一直以来,在开发一个典型的系统时,设计人员仍不得不采用各种昂贵的、分立的模 拟器件配合可编程逻辑器件或者混合信号的ASIC作为解决方案。固定的架构以及其他技术 缺陷阻碍了将分立器件集成到一块单一的、低成本的、能够符合各种需求的芯片中。模拟 技术是当今应用的关键系统元素,但越来越多的模拟信号通过转换为数字信号,进而采用 数字电路来测量和控制。在进行数字信号处理时,整个系统对嵌入式处理器的性能要求也 随之日益提高,从8位逐步向32位过渡。这一切的需求,都迫切需要设计人员能够把所有 的功能设计集中在一个芯片上。而SOPC是具有所有这些属性的现成部件,利用它可以方 便地选择器件来构成一个系统,而且可以根据系统的需要对处理器的资源进行裁剪。此外, 武汉科技大学 硕士学位论文 第3页 由于各个器件之间通过总线之间的连接是自动生成的,这就大大缩短了系统的开发周期, 因此,针对于特定器件IP核的设计以及P核的重用成为SOPC技术发展的关键。 基于SOPC的设计技术主要包括以下3个方面13】: (1)基于单片集成系统的软硬件协同设计和验证技术:主要是面向不同目标系统的软 硬件功能划分理论和设计空间搜索技术。 (2)口核生成及复用技术:口资源复用是指在集成电路设计过程中,先继承、共享或购 买所需的智力产权内核,然后再利用电子设计自动化(EDA)工具进行设计、综合和验证, 从而加速流片设计过程,降低开发风险。 (3)模块以及模块界面间的综合分析和验证技术:综合分析和验证是难点,要为硬件 和软件的协同描述、验证及综合提供自动化的集成开发环境。与传统方法相比,SOPC的 设计方法必须有根本的改变,即从以功能设计为基础的传统流程,转变到以功能组装为基 础的全新流程。 总之,SOPC技术的目标就是试图将尽可能大而完整的电子系统,包括嵌入式处理器 系统、接口系统、硬件协处理器或加速器系统、DSP系统、数字通信系统、存储电路以及 普通数字系统等,在单一可编程片上系统中实现,使得所设计的电路系统在规模、可靠性、 体积、功耗、功能、性能指标、上市周期、开发成本、产品维护及其硬件升级等多方面实 现最优化,而这也正是SOPC技术的发展的根本方t4j。 1.2变频器研究现状 变频调速技术现在已被列为通用节能技术加以推广。变频调速装置具有体积小、重量 轻、精度高、通用性强、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便等优点, 是节能、降耗、优质、高产的理想设备,是21世纪的首选传动技术。以SOPC为核心的电 子产品,是近几年集成电路中发展最快的产品。随着SOPC性能的高速发展和设计人员自 身能力的提高,SOPC将进一步扩大适用领域,将复杂专用芯片挤向高端和超复杂应用。 目前,SOPC的发展趋势主要体现在以下4个方面:一是向更高密度、更大容量的千万门系 统级方向迈进;二是向低成本、低电压、微功耗、微封装和绿色化方向发展;三是m资源 复用理念将得到普遍认同并成为主要的设计方式;四是嵌入式处理器IP核将成为SOPC的核 心。 近十年,国外已公开发表了很多关于变频控制器系统集成方面的文纠5】-【91,而且还相 应地提出了一些便于用EDA方法及CPLD/FPGA器件实现的变频控制,如电压空间矢量 PW-M[10】等。目前国外在变频控制器的集成研究方面已经比较先进,从公开发表的文献上 看,诸如基于矢量控制【ll】【121、直接转矩控制【9】【131的控制器已经可以用单片FPGA或CPLD实 现,省去了MCU、DSP,其功能都由硬件来实现,从而大大提高了运算速度,提高了运行 性能,并且可移植能力强;最近几年,更新颖的控制手段如模糊控制、神经网络控制、自 适应控制、专家控制等智能控制也已经有人实现了模块化,做成TASIC[14】【15】。从最新市 场情况看,目前一些国外厂家已经做出了能自动检测电机类型的智能型的集成控制器,具 第4页 武汉科技大学 硕士学位论文 有多种控制模式。随着技术的进一步发展,未来5年内有可能把模拟电路或模数混合电路 也很方便地由用户做成符合自己要求的ASIC。 在国内,从各种刊物上看,进行同类研究的文章比较少,而且大部分进行的只是SPWM 的模块化研究【161[1711181,其它的也只是在理论上探讨了一些,但不深入,而且尚未进行实质 性的开发。市场上也未见国内厂家自主开发生产的高水平产品。因此,变频控制器的单片 集成化研究已经成为控制领域的一个新的发展方向,也是技术发展的必然趋势。 1.3论文研究意义 硬件电路设计的软件化是电路设计的发展趋势,用硬件描述语言来描述模拟数字电路 系统是这一趋势的重要组成部分。由于开发工具的通用性、设计语言的标准化以及设计过 程几乎与所用的CPLD/FPGA器件的硬件结构没有关系,所以设计成功的各类逻辑功能块有 很好的兼容性和可移植性,它几乎可用于任何型号的CPLD/FPGA中,由此还可以知识产权 的方式得到确认,并被注册成为所谓的口芯核,从而使得片上系统的产品设计效率大幅度 提高。由于相应的软件功能完善而强大,仿真方式便捷而实时,开发过程形象而直观,兼 之硬件因素涉及甚少,因此可以在很短时间内完成十分复杂的系统设计。这正是产品快速 进入市场的最宝贵的特征。 采用FPGA和CPLD不仅是电子设计自动化技术发展的必然趋势,而且也是衡量产品技 术先进性和竞争力的一个重要标志。基于EDA的CPLD原PGA的应用和技术推广,将是我国 未来电子设计技术发展的主流。这些新型器件的出现,为我们进行变频集成控制器的研究 提供了物质基础和技术手段,大大地拓广了我们的设计思路,使得诸如变频控制器等的片 上系统集成有了可能。片上系统的出现,对大幅度降低功耗、提高抗干扰性、增加技术保 密性以及减少电路板面积等都提供了良好的解决方案;在系统可编程(ISP)技术又使得设计 者可以随时通过软件对器件编程,从而达到改变硬件结构的目的。所以,基于片上可编程 系统(SOPC)技术和CPLD/FPGA器件,进行变频控制器系统的研究将是未来变频控制领域 的一个重要发展方向。 本文主要内容及结构安排 本文基于SOPC技术的嵌入式解决方案,通过在FPGA芯片中嵌入NIOSⅡ软核处理器和 正弦脉宽调N(SPWM)W核,实现SPWM变频控制器的研究。着重研究基于SOPC的正弦脉 宽调制口核的设计,以及采用参考波注入三次谐波法对SPWM模式进行优化。本文主要工 作和内容结构安排如下: 第一章介绍本文研究的技术背景,以及变频控制器的研究现状,给出论文的研究意 义及主要的工作。 第二章介绍论文研究的理论基础。阐述SPWM变频控制原理,在对各种SPWM算法进 行比较分析以及对SPWM模式的优化方法进行研究,提出本文SPWM的实现方法。 第三章阐述SOPC系统的开发流程,介绍基于SOPC的变频控制器系统的实现方法, 武汉科技大学 硕士学位论文 第5页 对如何实现变频控制器IP核进行深入的研究。 第四章详细介绍SPWM变频控制器P核的实现过程。在QU咏TUSⅡ软件中,综合 VHDL硬件描述语言以及宏功模块的设计方法,实现SPWM变频控制器P核。着重介绍基 于数字化自然采样法的SPWM的实现方法和过程。 第五章对所设计的变频器P核进行硬件测试。在ACEXlK系列的FPGMSOPC开板上, 通过实验测试,进一步验证本文变频器口核设计方法的有效性和可行性。 第六章对本文所做工作的总结。指出本文研究的不足之处,对下一步工作进行展望。 第6页 武汉科技大学 硕士学位论文 第二章变频控制的理论基础 本章主要介绍变频调速的基本原理,然后对变频控制技术中的正弦脉宽调匍](SPWM) 进行阐述,详细介绍SPWM控制原理、各种SPWM的实现算法以及SPWM模式的优化,给 出本文SPWM采用的实现方法。 2.1变频调速的理论 根据电机学原理,异步电机的同步转速是由电源频率和电机极对数决定的,在改变供 电频率时,电机的同步转速也相应地改变。当电机在负载条件下运行时,电机转速低于电 机的同步转速,转差的大小与电机的负载有关【19】【201。异步电机的T型等效电路如图2.1所示。 图2.1 异步电机的T型等效电路 电机定子每相的感应电动势的有效值为 E。=4.44f,N。ku①胁 (2.1), ·式(2.1)中,晟为气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值m;石为定子频率(Hz); 越为定子每相绕组串联匝数;‰为基波绕组系数:西m为每极气隙磁通(啪)。 而步电机的转速方程为 刀=60f,(1一s)/p (2.2) 式(2.2)中,n为电动机的转数,石为电源频率,s为转差率,p为定子旋转磁场的极对数, 由公式(2.2)可以看出,要想改变电动机的转速,可以改变五,s,P这三个量中的任意一个, 就能够实现调速,其中改变电源频*fs是比较方便和有效的方法,只要改变了电源频率卮就 能够改变电动机的转速。由公式(2.1)可以看出,如果减,JⅥ,而届保持不变,那么西m必然 变大,因为电机的磁路设计都是按照一定的磁通量设计的,如果①m增大,那么磁路有可能 就进入了饱和状态,丽磁通出现饱和后将会电机中的励磁电流过大,增加电机的铜耗和铁 耗,使电机温升过高,严重时会烧毁电机。因此在改变电机频率时,应对电机的感应电动 势进行控制,以保持纠石恒定值,即可以保持磁通①m不变。忽略定子阻抗压降,认为定子 相电压以≈最,则磁通可以用式(2.3)表示,并保持为恒定值。 武汉科技大学 硕士学位论文 第7页 dO==K U,s*=∞瑚f‘ (2.3) 由式(2.3)可见,如果同时均匀地改变电动机定子供电电压和频率,则可以平滑地改变 电动机的同步转速。这就是恒压频比(V/F)控制方式【2l】。 2.2交流调速的脉宽调制(PwM)控制技术 所谓脉宽调$1J(PulscWidthModulation---PWM)技术是利用全控制型电力电子器件的导 通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列,实现变压、变频控制并且消除谐波的 技术,简称PWM技术【22】.【251。 目前PWM技术已经广泛应用到变频调速系统中。利用微处理器实现PWM数字化后, PWM技术不断优化和翻新,从追求电压波形正弦,到电流波形正弦,再到磁通波形正弦; 从效率最优,转矩形脉动最小,再到消除谐波噪声等。变频调速系统采用PWM技术不仅能 够及时、准确地实现变压变频的控制要求,而且更重要的意义是抑制逆变器输出电压或电 流中的谐波分量,降低或消除变频高速时电机的转矩脉动,提高电机的工作效率,扩大调 速系统的调速范围。 实际工程中主要采用的PWM技术是正弦PWM(E|]SPWM),这是因为变频器输出的电压 或电流波形更接近于正弦波形。 2.2.1正弦脉宽调制法的基本思想 在采样控制理论中有一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的 环节上,其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同指环节的输出响应波形基 本相同。如果对各输出波形用傅氏变换进行分析,则其低频特性非常接近,仅在高频段略 有差异。这一结论是PWM控制的重要理论基础。 对于正弦PWM来说,可以把正弦半波分为N等份,如图2.2(a)所示(图中N.=6),然后把 每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替, 矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合,如图2.2(b)。这样由N个等幅而不等宽的矩 形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。同样,正弦波的负半周也可用相同的方法来 等效。 图2.2(b)所示的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形,就是所希望逆变器输出的SPWM波 形。由于每个脉冲的幅值相等,所以逆变器可由恒定的直流电源供电,也就是说,这种交 ——直——交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了。当逆变器各功率开 关器件都是在理想状态下工作时,驱动相应功率开关器件的信号也应为与图2.2(b)开关一致 的一系列脉冲波形。 第8页 武汉科技大学 硕士学位论文 (a)电压正弦 (b)等效的SP 图2.2正弦半波与正弦半波等效的等幅矩形脉冲序列波 在SPWM中常用等腰三角波作为载波,因为等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波 形,当它与一个正弦波曲线相交时,在交点时刻产生控制信号,用来控制功率开关器件的 通断,就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲,这 就是SPWM法的基本思想。 2.2.2正弦脉宽调制法的工作原理 图2.3(a)是SPWM变频器的主电路,VTl~VT6是逆变器的六个IGBT功率开关器件,各 有一个续流二极管反并联连接,逆变器所需要的恒值直流电压由三相整流器提供。图2.3(b) 是它的控制电路,由参考信号发生器提供一组三相对称可调正弦参考电压信号UMA,UMB, uMc,其频率决定逆变器输出的基波频率。参考信号的幅值也可在一定范围内变化,以决 定输出电压的大小。三角载波信号1lC是共用的,分别与每相参考电压比较后,给出“正”或 “零”的饱和输出,产生SPWM脉冲序列波lldA,u,m,UdC,作为逆变器功率开关器件的控制 信号。为了分析方便,设功率开关器件为理想开关,因而当逆变器任一相功率开关器件导 通时,电机绕组上所获得的对直流电源假想中点0的电位为+Ud/2或-Ud/2。 改变参考信号UM的幅值时,脉宽随之改变,从而改变了逆变器输出电压的大小,当改 变UM的频率时,输出电压频率也随之改变。但一般情况下参考信号的最大幅值必须小于三 角波幅值,否则输出电压的大小和频率将失去所要求的配合关系。 : (a)主电路 武汉科技大学 硕士学位论文 第9页 2.2.3SPWM信号生成方法 (b)控制电路框图 图2.3 SPWM变频器电路原理图 (1)单极性三角波调制法 单极性SPWM调制是指参加调制的载波三角波和正弦波参考信号极性不变。单极性调 制时,在正弦波的半个周期内每相只有一个开关器件开通和关断。单极性调制的基本原理 如图2.4所示。电压比较器反向输入端输入的三角波调制电压与同极性的参考电压比较,如 图2.4(a),输出单极性的PWM脉冲信号图2.4(b),在将单极性的PWM脉冲信号与所示的反 相器信号图2.4(c)相乘,得正负半波对称的PWM脉冲信号图2.4(d)。 “ 图2.4单极性调制原理.图 (2)双极性三角波调制法 双极性SPWM调制是指载波三角波Uc和正弦参考信号“是具有正负性变化的信号。双 极性调制时,逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断,处于互补的方式。将正负交变 的双极性三角波与参考波电压在电压比较器两端输入,通过直接比较就得到双极性PWM脉 冲,如图2.5所示。 第lO页 武汉科技大学 硕士学位论文 J l (叠) ^ ^ ^ ^ A ^ ^ ^ ,栅 \ /潲八八八八/。 垤V;V}V/|;、\V1讨;Vi £, 罗|■好一 ● | { i :; 秭 图2.5双极性调制原理图 对于双极性调制,由于同一桥臂上的两个开关器件始终是轮流交替通断,而一般开关 器件的关断时间总是比开通时间长,因此,容易引起电源短路,为此必须增加延时触发装 置,即“死区时间”控制。而单极性调制,当同一桥臂上的两个开关器件中一个按正弦规律 在半个周期内开通和关断的同时,另一个开关器件始终是关断的,因此可以省去延时触发 环节,既简化了线路,又防止了延时引起的失真。此外,由于减少了开关次数,可以大在 降低开关损耗,提高了整个逆变器的输出效率。但也应该指出,采用单极性调制,随着负 载的变化,当同臂上下两个开关器件均为不导通时,会出现输出端电压的不确定性,从而 对输出电压波形会产生一定影响。 , 综合两种调制方法的优缺点,本文选用双极性调制的方法来实现SPWM调制信号。 2.2.4正弦脉宽调制(SP'WIVI)信号的调制方式 在SPWM逆变器中,载波频率尼与调制波频@fM(flP逆变器输出的基波频瓤)之比 ⅣCM糸饷称为载波比,也称调制比。对于单极式调制而言,由于一个周期内有2N个脉冲, 则ⅣcM=2Ⅳ;而双极性调制由于一周期内有N个脉冲,则^,CM=.Ⅳ。根据载波比的变化与否, SPWM逆变器可以有同步调制和异步调制两种调制方式。而为了使输出波形保持三相对称 且谐波少,可采用同步调制与异步调制相结合的分段同步调制。 (1)同步调制 载波比ⅣCM等于常数,即在变频时使载波信号的频率与调制波信号的频率保持同步变 化的调制方式称为同步调制。在该调制方式中,调制波信号频率变化时,载波比Ⅳ凶不变, 因而,逆变器输出电压半个周期内的矩形脉冲数是固定的。在三相PW'M逆变器中‰为 3的整数倍,以使三相输出波形严格对称。 当逆变器输出频率很低时,由于在半周期内输出脉冲的数目是固定的,所以相邻两脉 冲间的间距增大,谐波会显著增加,使负载电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声,给电 动机的工作带来不利影响。 (2)异步调制 为了消除上述同步调制的缺点可以采用异步调制方式。这种载波信号和调制波信号不 保持同步关系的调制方式称为异步调制。在异步调制方式中,在逆变器的整个变频范围内, 武汉科技大学 硕士学位论文 第1I页 载波比ⅣcM是不等于常数的。一般在改变调制波信号频率加时保持三角波频率尼不变,因而 提高了低频时的载波比,这样逆变器输出电压半周期内的矩形脉冲数可随输出频率的降低 而增加,相应地可减少负载电机的转矩脉冲和噪声,改善了低频工作特性。 异步调制在改善低频特性的同时,又会失去同步调制的优点,当载波比随输出频率的 改变而连续变化时,势必使逆变器输出电压的波形及其相位都发生变化,很难保持三相输 出间的对称关系。另一方面,当逆变器输出频率增高时,载波比减小,半周期内输出脉冲 的数目减少,输出脉冲的不对称影响就变大,同时输出波形和正弦波之间的差异也变大, 从而使输出特性变坏,引起电动机工作的不平稳。 ‘ 为了扬长避短,可将同步和异步两种调制方式结合起来,成为分段同步的调制方式。 (3)分段同步调制 在一定频率范围内,采用同步调制,保持输出波形对称的优点。当频率降低较多时, 使载波比分段有级地增加,又发挥了异步调制的优势,这就是分段同步调制。具体地说, 将逆变器输出的整个变频范围划分为若干个频段,在每个频段内都保持载波比ⅣCM为恒定, 不同频段载波比不同。在输出频率为高频段时,采用较低的载波比使载波频率不致过高, 以满足功率开关器件对开关频率的限制。在输出频率为低频段时,采用较高的载波比,以 使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。表2.1给出一个变频器实际系统的频段和载波 比分配。 表2.1分段同步调制的频段和载波比 逆变器输出基波频率fM(HZ) 载波比ⅣcM 开关频率疋(Hz) 7~9.5 201 1407~1909 l帖14 147 1470-2058 15~2l 99 1485~2079 22~3l 69 1518~2139 32—45 45 1440~2025 46一石l 33 1518-2013 62 21 1302 2.2.5正弦脉宽调制的微机算法 SPWM波就是根据三角载波与正弦调制波的交点而得到的一系列脉冲,其幅值不变而 宽度按正弦规律变化126]-129】。SPWM波可以通过模拟电子电路、数字电路或专用的集成电路 芯片等硬件实现,也可以用微型计算机通过软件实现。模拟电路结构复杂,难以实现精度 的控制,但它的原理是其他控制方法的基础。数字控制是sPwM目前常用的控制方法。可 以采用微机存储预先计算好的数据表,控制时根据指令调出或通过软件实时的生成SPWM 波形,此外还可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWIVl信号。 (1)自然采样法 在载波三角波与调制正弦波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断,这种生成 SPWM波的方法称为自然采样法闭】。由于正弦波在不同相位角时其幅值不同,因而与三角 第12页 武汉科技大学 硕士学位论文 波相交所得到的脉冲宽度也不同。另外,当正弦波频率变化或幅值变化时,各脉冲的宽度 也相应变化。所以要准确生成SPWM波,就要准确地计算出正弦波与三角波的交点,即功 率开关器件的导通时刻tA和关断时刻tB。功率开关器件导通的区间就是脉冲宽度tptI,其关断 区间就是脉冲的间隙时间to仃和t|o仃,如图2.6所示。 ‘么 Yu B/\/UMAK_—1\ 一{\ /l / tAVb \。 -— t-, —toII—l—t·。一?广t磕。 l E丑l -卜一Tc————一 图2.6生成SPWM波的自然采样法 自然采样法虽然能真实反映脉冲产生和结束的时刻,却难以在实时控制中在线实现。 当然也可以事先把计算出的数据存入计算机内存中,控制时利用查表法来获取数据,这样 做,当调速系统频率变化范围较大时,将占用较多的内存空间。所以,此法仅适于调速范 围有限的场合。 . (2)规则采样法 规则采样法是利用载波三角波的正峰值点、负峰值点所对应的正弦函数值来代替三角 波与正弦波自然交点处正弦函数值这一规则求取脉冲宽度来生成SPWM波的方法。在规则 采样法中,每个载波周期的开关点都是确定的。 依据脉冲的中点是否以相应的三角波峰值为对称,有对称规则采样法和不对称规则采 样法【3l】。 .“ ①对称规则采样法 对称规则采样法只在三角载波的底点采样,求取脉宽的计算量小,易于微机或可编程 逻辑器件的实现,其采样原理如图2.7所示. 一 瓦 .牟一 一 式7\ / \ / ‘\彰面c?,,r / \ 7 \ - / Vrl 薹 / 弋-— -— ◆ 图2.7对称规则采样法生成SPWM 武汉科技大学 硕士学位论文 第13页 图2.7中,珥、以为三角载波和基波的幅值,正为采样周期, 三角波的顶点和底点。经过简单的数学推倒,可得: 丁 f∥=詈(1+Msinot2) 二 式(2.4)中:M为调制比,且M-IⅥk。 ②不对称规则采样法 为脉宽时间,t1、t2别对应 (2.4) 不对称规则采样法同时在三角载波的顶点和底点采样,与对称规则采样法相比,虽然 其求取脉宽的计算量增加了,但是其PWM输出波形更接近于自然采样的结果,其采样原理 如图2.8所示.经数学推倒可得: , 。=≥(1砒in国t1) (2.5) 。=≥(1椭inot2) (2.6) 。=扣争删1+sinot2) J(2.7) 式(2.5)、(2.6)、(2.7)中:五和瓦分别为采样周期与载波周期,且正_2瓦。 L 一瓦一 ;一 瓦 一{ 忒/ ‘\ / ‘\ 7\配Shlt≥r ∥ \ f \ . / N‘ ?≯/ \i{ ●L ~! 图2.8不对称规则采样法生成SPWM波 在由微机实现对称和不对称规则采样法的SPWM波时,可把幅值为1的调制正弦波的函 数值(sin∞。t)预先计算出来,存储在程序存储器EPROM中,以形成基准的正弦函数表。另外, 为了改善SPWM波形,可采用分段同步的调制方式,在整个调整范围内,载波比ⅣCM取若 干不同的值,根据指令频@fi,确定该频率区段的ⅣCM值,由此计算出三角波的周期 耻1/(ⅣCM掌向)。同时,调制系数m与指令频率厢也有确定的关系,可由所要求的硼曲线 来确定。可以将此曲线预先算出制成表格,存储在EPROM中。 在介绍SPWM变压变频器的原理时,把逆变器中的功率开关器件都看成是理想的开关, 也就是它们的导通和关断都随其驱动信号同步地、无时滞地完成。但实际上功率开关器件 都不是理想的开关,它们都存在导通时延与关断时延。因此,为了保证逆变电路的安全工 第14页 武汉科技大学 硕士学位论文 作,必须在同一桥臂上、下两个开关器件的通断信号问设置一段死区时间td(或称滞时)。即 在上(下)边器件得到关断信号后,要经过td时间才允许给下(上)边器件送入导通信号;以防 止其中一个器件尚未完全关断,另一个器件已被导通,而导致上、下两器件同时导通,逆 变器直流侧被短路的事故。死区时间一般随所用开关器件的开关频率而有所不同,一般对 BJT元件可选1呲0¨s,对IGBT元件为5“s左右。死区时间的存在使得SPWM变压变频器不 能完全精确地复现SPWM控制信号的理想波形,必然产生更多的谐波,并影响电气传动系 统在低速下的运行性能。 2.2.6SPWM模式的优化 正弦波脉宽调制法,虽然各脉冲面积之和与正弦波下的面积成正比例,使其调制波形 更接近于正弦波,谐波分量已很小。但一般在正常工作情况下,要求正弦波参考信号的UM 最大幅值UMm不能大于三角波幅值U伽,即调NmSl。当m>l时,正弦波脉宽调制波中将出 现饱和现象。不但输出电压与频率失去所要求的配合关系,而且输出电压中的谐波分量增 大,特别是较低次的谐波分量增加较大,对电机运行不利。 为了解决这个问题,可以在正弦参考波UM上叠加适当幅度与相位的三次谐波分量 UM3(如图2.9所示)。使得合成的参考信号urM最大值减小,这样做虽然会在逆变器输出电压 中产生大量三次谐波分量,但由于三相交流电机负载的连接方式,可使线电流中不出现三 次谐波,并不影响电机的运行。 U 图2.9正弦参考波上叠加三次谐波分量 由于在正弦参考波UM上叠加了适当幅度和相位的三次谐波,使合成参考信号u’M最大值 减小,从而可以进一步提高正弦参考波uM的幅值,即可以使m>l,而且高次谐波分量又不 大增加,从而进一步发挥了脉宽调制法的优点。 由理论分析,在正弦参考信号uM上叠加正弦基波的1/6幅值的三次谐波,其结果是按 O.866的系数降低了uM波形的幅值。按系数k增加调制正弦基波的幅值,以重新利用逆变器 的满输出电压,这是可能的,因此,调制波变为 uM=耕sin9+sin(30)/6】 (2.8) 假定没有最小脉宽的限制,U’Mm可以等于l,如果原设计的U。Mm为0.866,则有l=0.866k, 即k=1.155。即叠力H1/6幅值的三次谐波后,在调制波不发生饱和的条件下,使正弦参考信 号ur的幅值增加15.5%,使m>l。最终,可使主回路输出相电压基波幅值产生15.5%的增量。 武汉科技大学 硕士学位论文 第15页 从而使系统在不增加高次谐波分量的条件下,又充分利用了逆变器回路的输出电压,使得 逆变器输出电压几乎等于交流电源送给逆变器的电压。 2.3本章小结 本章对变频调速原理和正弦脉宽调制(SPWM)相关知识进行研究,从而为本论文的设 计实现提供了基本理论知识。通过对SPWM的工作原理、SPWM信号的生成方式和调制方 式、算法的研究,综合考虑,本文的SPWM信号采用数字化自然采样法、双极性生成方式 来实现,并采用正弦波参考信号叠加三次谐波的方法对其优化。在后面的第四章将做详细 的介绍。 第16页 武汉科技大学 硕士学位论文 第三章SOPC系统的设计与实现 3.1SOPC系统的开发流程 与传统的嵌入式系统设计不同,基于NIOSII软核处理器的SOPC系统开发分为硬件开 发和软件开发两个流程。硬件开发过程包括由用户定制系统硬件的构建,然后由计算机完 成硬件系统的生成;软件开发则与传统的方式比较接近,在构建的硬件系统之上建立软件 设计。图3.2为基于NIOSII的SOPC系统开发整体设计流程【32】。 图3.1基于NIOSII的SOPC系统开发整体流程 一般来说,基于SOPC系统的开发流程具体将分为以下几个步骤【331: (1)在QUARTUSII软件中创建一个工程,并指定合适的参数,包括:工程所在的目录、 工程名,需要包含的硬件模型库,需要用到的第三方EDAT具信息,所选用的FPGA参数 左盘 号予。 武汉科技大学 硕士学位论文 第17页 (2)在工程中创建一个原理图设计文件,并使其保存的文件名和工程名相同。尽管 QUARTUSII还支持其他多种输入描述,包括Verilog、VHDL文本描述等,但是电路原理图 是最直观的。此时创建的原理图将作为整个工程的顶层设计模块,最后该原理图将被综合, 得到FPGA的配置文件。 (3)调用SOPCBuilder,以便得到一个基于SOPC的片上可编程系统。在这一步中,需 要做的工作有:指定使用Verilog还是VHDL作为硬件描述语言,从p核库或自定义的口核 中选择合适的口核,并对他们进行合适的配置,确定口之间的相互连接关系、I/O地址空间 分配、中断资源分配,以及一些系统启动选项,包括系统复位时的程序开始运行地址,程 序代码存放在区域等。最后,就可以命令SOPCBuilder自动生成相应的硬件描述文件和软 件函数代码。 (4)在完成上一步操作后,SOPCBuilder还会自动生成一个原理符号(Symb01)。打开第 二步所创建的原理图,将刚才利用SOPCBuilder生成的新系统的Symbol放置到原理图中, 然后添加合适的外部I/O引脚,从而得到一个完成的系统设置图。 (5)完成系统原理图以后,可以调用QUARTUSII进行系统硬件的综合工作。综合过程 将分为以下几个部分:设计文件分析、设计文件编程、针对FPGA器件进行布局和布线、 时序分析、生成硬件仿真文件。完成编译工作以后,得到的是一个FPGA配置文件。硬件 综合过程相当复杂,因此速度比较慢,尤其是在布局和布线阶段。 (6)得到FPGA的配置文件,就意味着硬件部件工作基本上结束。下面的工作是进行用 户程序开发。在第三步中,SOPCBuilder已经自动为用户生成了一些底层的支撑函数,包 括对定时器的配置、利用UART进行数据接受和发数函数等,因此用户可以直接进行调用。 另外,SOPCBuilder已经为用户自动设置好了开发环境,包括系统头文件的引用、库函数 的引用,各种编程工具的路径。 ” (7)自定义外围器件的驱动和例程,并将文件夹加入到系统软件开发驱动程序目录中, 为应用程序的编写打好基础。 (8)调用NIOSIIIDE,以便创建系统的应用程序。在这一步中,需要做的工作有,新 建一个C/C++应用工程,选择相应硬件系统的配置文件,套用系统自带的工程 模板 个人简介word模板免费下载关于员工迟到处罚通告模板康奈尔office模板下载康奈尔 笔记本 模板 下载软件方案模板免费下载 (n-7以 选择嵌入操作系统的工程模板),然后根据系统设计要求编写应用程序。同时产生一个系 统描述库,该库提供硬件系统的基本信息。 . (9)设置系统库相关的属性,调用NIOSIIIDE集成的开发环境中的C/C++编译整个软 件系统。 (10)在QUARTUSII程序中,调用FPGA编程器,将第五步得到的FPGA配置文件下载 到开发板中。 (11)在NIOSIIIDE集成开发环境中,调用运行命令,将用户应用程序下载到开发板中。 (12)当用户程序下载以后,将自动运行。用户可以观察程序的执行情况,判断是硬件 的错误还是软件的错误。如果是硬件的错误,则需要返回到第三步进行检查,然后再重新 综合、下载、测试。如果是软件的错误,则需要回到第八步,找出错误的地方,重新进行 第18页 武汉科技大学 硕士学位论文 编译、下载、测试。这个下载——测试一修改——编译——再下载的过程需要反复进行, 直到系统运行正常。由于本文所要设计的系统同时包括硬件和软件两个部分,而且两个部 分关系非常密切,因此在这个过程中要花费大量的时间和精力。 3.2基于SOPC的变频控制系统 本文使用集成在QUARTUSⅡ中的SOPCBuilder工具来配置生成变频控制器硬件的片 上系统,其硬件系统主要分为片内和片外两个部分。片外部分主要包括静态随机访问存储 器SRAM,大容量可擦写的存储器FLASH,以及网络控制芯片RTLS019。之所以将这些器 件放到FPGA的外面,是因为芯片本身的限制。比如,它片上的存储空间有限,它不能处 理物理层等模拟信号。片外的硬件系统通过Avalontristate数据总线与片内的NIOSCPU相 连。 FPGA芯片内的硬件模块也分为两个部分,分别是用户自定义的口核模块,以及NIOS 开发系统自带的硬件口核。为了完成控制系统设计目标,本文自行设计了一个P核,即自 定义的SPWM变频控制D核,该Ⅲ核根据实际电机控制系统的要求,产生一组或几组不同 的控制信号,来控制不同的电机,这两个D模块通过FPGA芯片内的数据和指令总线直接与 NIOSCPU相连。变频控制器SOPC系统设计框图如图3.2所示。 FPGA Nios 32位CPU ,1 卜、 ~ 《 \广—一1/ 。自定义变$黪 控越器lp核# SDRk秒 SRAM ~ AMl旷 ROM心 》 A V UART A 电平 /L矧uARTk≥ L 蚓F甜b一FLASH转换 犷 o ]/1 器 N l TIMERk》 总 线 AVALONl 刊控器篓口}一网络控吲三繁线P 一制芯片l LED忙纠LED接口k≥ IlRJ45I 图3.2变频控制器SOPC系统设计框图 对于NIOS开发系统自带的硬件P核,可以直接在SOPCBuilderdP进行配置,实现起来 比较容易。而自定义变频控制器触发口核的实现,将是本文重点研究的对象[341。 3.3SPWM变频控制器触发IP核 在第二章,已经介绍三相正弦脉宽调制的原理、调制方式以及实现方法。在此基础上, 结合SOPC设计的方法,给出本文三相SPwM变频控制器触发D核的实现框图【35】【36】,如图 3.3所示。由图3.3可知,变频控制器触发口核电路主要包括两个部分:接口部分和主电路功 能实现部分。 武汉科技大学 硕士学位论文 第19页 图33三相SPWM变频控制器触发lP核实现框图 接口部分通过Aavlon总线实现与MOSCPU的通信,根据P核的功能将其设计成为被动 工作模式(slave)。其接口按照Avalon从端口接口要求设置8个接口信号。接口部分主要包括: 地址数据总线译码器、总线控制单元、寄存器组、初始化寄存器、控制寄存器。 主电路部分的功能是用数字的方法生成三角波信号和用ROM查找表的方式生成三相 正弦波,通过比较,产生三相六路的脉冲序列,并对输出的六路脉冲进行脉冲延迟和封锁 处理。主电路部分主要包括:时钟分频、三角载波发生器、正弦波寻址、正弦波数据ROM、 触发封锁。主电路部分功能模块介绍如下: (1)三角载波信号生成模块:它用于生成三角载波,设计中,充分结合FPGA器件的特 点,利用加减计数器得到数字三角载波数据,与正弦信号生成
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