CN202003209U - 基于fpga的数字电源控制系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种基于FPGA的数字电源控制系统，其特征在于，包括主控制器、用于驱动主电路的驱动电路、用于产生电源电压的主电路、ADC转换电路、用于进行系统信号数字显示的数字显示模块；所述的驱动电路、ADC转换电路和数字显示模块均与所述的主控制器连接，主控制器与上位机通信连接；所述的驱动电路连接主电路，所述的主电路与所述的ADC转换电路连接；所述的主控制器为现场可编程逻辑门阵列(FPGA)。本装置基于FPGA强大硬件并行处理能力，可实现电压闭环控制，控制速度快、效率高，可根据被控对象的需求提供任意路数、任意形式的相位可调、占空比可调的高频、高精度数字电源控制信号。

Description

基于FPGA的数字电源控制系统
技术领域
本实用新型属于电子与通信技术领域，涉及一种基于FPGA的数字电源控制系统。
背景技术
随着电力电子技术的高速发展，数字电源得到了广泛的应用，而日新月异的高科技产品对数字电源提出了更高的要求。数字电源模拟控制技术发展了很多年，已经比较成熟，但是却无法克服固有的缺点：控制电路复杂、元器件比较多、不利于小型化；控制电路设计好后很难修改，调试不方便；控制不灵活，复杂的控制方法也难以用模拟方法实现。因此使用数字技术来设计和开发数字电源势在必行。目前实现数字电源数字控制主要有以下两种方法。一是使用单片机通过外接AD转换芯片进行采样，采样后对得到的数据进行运算和调节，再把结果通过DA转换后传到PWM芯片中，实现单片机对数字电源的间接控制。这种方法的技术目前已经比较成熟，设计方法容易掌握，不但克服了模拟控制的固有缺陷，而且对单片机的要求不高，成本比较低。但是控制电路由于用多个芯片，电路比较复杂，电源的动态性能和稳压精度不够高。另外一种方法是使用高性能数字芯片如DSP对电源进行直接控制，数字芯片完成信号采样AD转换和PWM输出等工作，这样就可以简化控制电路的设计，由于这些芯片有较高的采样速度和运算速度，可以快速有效的实现各种复杂控制算法，实现对电源的有效控制，有较高的动态性能和稳压精度。但是DSP芯片结构复杂，所有任务共享处理器内核寄存器、内部和外部存储器等资源，一个任务很有可能和其他任务相互影响，从而导致系统出现故障。另外传统通用的DSP，数据传输仍然是串行的，并非针对实时信号处理而设计，数据的输入输出能力相对于其处理能力要低得多，在一些电力电子系统的控制中，难以满足实时性，因此性能受到一定的限制。
基于FPGA的数字电源的数字化控制目前在国内尚处于研究开发阶段，其与目前已经得到较多应用的MCU、DSP芯片来比较，集成度更高、任务执行速度更快，开发过程投资小、周期短、可反复编程修改，移植性强，开发工具智能化等优点。因此，采用FPGA构造电力电子装置的控制单元具有简单灵活、控制精确、易修改、可现场编程等优点，这对于用FPGA实现全数字化控制，提供了一个良好的途径。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于FPGA的数字电源控制系统，该系统基于FPGA强大硬件并行处理能力，可实现电压闭环控制，控制速度快、效率高，可根据被控对象的需求提供任意路数、任意形式的相位可调、占空比可调的高频、高精度数字电源控制信号。
本实用新型的技术方案如下：
一种基于FPGA的数字电源控制系统，其特征在于，包括主控制器、用于驱动主电路的驱动电路、用于产生电源电压的主电路、ADC转换电路、用于进行系统信号数字显示的数字显示模块；所述的驱动电路、ADC转换电路和数字显示模块均与所述的主控制器连接，主控制器与上位机通信连接；所述的驱动电路连接主电路，所述的主电路与所述的ADC转换电路连接；
所述的主控制器采用FPGA。
本实用新型的有益效果：
本装置基于FPGA强大硬件并行处理能力，可实现电压闭环控制，控制速度快、效率高，可根据被控对象的需求提供任意路数、任意形式的相位可调、占空比可调的高频、高精度数字电源控制信号。同时采用FPGA作为系统主控制器，使整个系统集成度更高、任务执行速度更快，具有简单灵活、控制精确、易修改、可现场编程等特点。本装置的优点还体现在开发过程投资小、周期短、可反复编程修改，移植性强等优点。
附图说明
图1为本实用新型的结构框图；
图2为本实用新型实施例1中具体的结构原理图；
图3为本实用新型实施例1中PI控制器算法示意图。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，一种基于FPGA的数字电源控制系统，其特征在于，包括主控制器、用于驱动主电路的驱动电路、用于产生电源电压的主电路、ADC转换电路、用于进行系统信号数字显示的数字显示模块；所述的驱动电路、ADC转换电路和数字显示模块均与所述的主控制器连接，主控制器与上位机通信连接；所述的驱动电路连接主电路，所述的主电路与所述的ADC转换电路连接，所述的主控制器采用FPGA，所述的FPGA包括数字PI控制器、PWM信号发生单元、时钟管理模块、ADC控制器以及与外部设备进行通讯的通讯接口。
数字电源由主电路和控制电路两部分组成。控制电路的功能是在输入电压、内部参数、接负载变化时，调节主电路开关器件的导通时间，使数字电源的输出电压或者电流保持恒定。控制电路通过调节主电路开关器件的占空比来控制主电路的输出，其原理框图如图2所示。
A/D转换位于闭环控制的反馈通道，它的精度高低将直接影响到系统的输出精度。本系统选用TI公司的ADS7951，由FPGA内部的ADC采样控制器与外部的ADC ADS7951构成数字控制开关变换器的采样电路。时钟管理模块的一路输出提供给ADC控制器产生ADC控制信号的正常工作时序，完成对负载电流或电压值得采样，并将所得采样值经AD转换成数字量后送回主控制器的数字PI(比例积分)控制器单元。数字PI控制器是在FPGA上进行VHDL(超高速集成电路硬件描述语言)的实现，其算法结构图如图3。数字PI控制器的乘法器和加法器以及累加器单元用于完成数据之间的逻辑运算，寄存器单元REG用于锁存偏差信号或输出信号的初始值和中间值，限幅单元用于保证控制逻辑输出的信号在物理设备承受范围之内。通过对各路信号进行比例、积分并进行并行计算之后输出PI控制调节量(占空比值或相位值)提供给PWM发生单元进行脉宽信号调制。PI控制器充分发挥FPGA硬件并行执行能力，延时非常短，大大提高了运算的速率。PWM发生单元为数字方式的脉宽调制器，采用定时计数器计数的方式来产生三角波，通过将该计数值与特定的周期值/脉宽值比较来得到方波输出，实现占空比可调以及相位可调的高频、高精度数字电源控制信号。另外时钟管理模块还产生高频率，高稳定性的时钟，提供给PWM发生单元的定时器模块以及提供给PI控制器进行逻辑运算，以达到同步信号的作用。本系统还采用FPGA，利用VHDL语言设计了通讯接口，与上位机(PC)以及数字显示模块(LCD)进行通讯，通信具有传输线少(四根线)、成本低、可靠性高等优点。

Claims (2)

1.一种基于FPGA的数字电源控制系统，其特征在于，包括主控制器、用于驱动主电路的驱动电路、用于产生电源电压的主电路、ADC转换电路、用于进行系统信号数字显示的数字显示模块；所述的驱动电路、ADC转换电路和数字显示模块均与所述的主控制器连接，主控制器与上位机通信连接；所述的驱动电路连接主电路，所述的主电路与所述的ADC转换电路连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的主控制器采用现场可编程逻辑门阵列。
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