关键词：高精度;开关电源;fpga;nios;pwm

1 引言

　　在信息技术高速发展的今天,电子系统数字化已经成为有目共睹的趋势,从传统应用中小规模芯片构造电路系统到广泛地应用单片机,到今天dsp及fpga在系统设计中的应用,电子设计技术已迈入了一个全新阶段。fpga不仅具有容量大,逻辑功能强的特点,而且兼有高速、高可靠性。随着eda技术的发展和vlsi工艺技术的进步,特别是软/硬件ip芯核产业的迅猛发展,可编程片上系统(sopc)己经大量使用。本文通过对高精度数字电源系统的研发,提出了fpga在数字电源控制器的应用思路。

2 系统组成

　　本系统是以单片现场可编程门阵列(fpga)为基础的全数字控制的高精度开关电源。数字控制的h桥脉宽调制的dc-dc变换器电源系统如图1所示。

　　图中,功率主电路由三相整流器、低频lc滤波电路、dc-dc功率变换器、输出高频滤波电路等几部分构成;控制及调节功能主要由基于fpga的数字电源控制器完成,可以按设计要求来调节电源输出电压、电流。

　　fpga中主要分两大模块,第一个模块是由软核cpu组成的通讯管理模块;第二个模块由几个dsp块组成,主要完成调节器的pi或pid运算、高分辨率pwm信号的产生以及数字滤波等。

　　在pwm开关电源中,pwm波形的产生及其准确调制至关重要。当使用fpga数字控制器时,电流环及电压环的调节方式为数字化的pi(比例积分)或pid(比例积分微分)调节,反馈电流或电压信号经过a/d(模拟/数字)转换后输入到控制器,由控制器调节脉冲的宽度。

　　采用上述方案的数字化电源相对于传统的模拟控制方式,具有显而易见的优势。对于不同的负载对象,可以通过在软件中修改调节器参数来满足指标要求,并且可以按照实际需要自由配置成为单环或双环控制系统。这些都是在软件中完成的,系统控制调节单元的硬件无需重复配置。

3 软核nios cpu

　　在quartusii开发软件中使用sopc builder开发工具可以快速构造一个nios软核cpu,嵌入到fpga器件中,nios软核cpu如图2所示。在本例中构造了uart-rs232、ethernet通讯功能,lcd液晶屏显示功能,数字量、开关量i/o及外部数据存储管理等功能,通过nios ii的集成开发环境nios ii ide,使用c/c++高级语言对nios软核cpu进行编程。就能完成fpga同上位机rs232口或者ethernet网的通讯、本地信息采集及显示、数据存储管理等。在fpga内部通过地址总线和数据总线来管理其他dsp块或ip核的协调工作。

4 调节器算法(pi或pid)

调节器的算法在数字电源是一个至关重要的环节,它的好坏直接影响到电源系统的各项性能指标。

　　以某加速器六极磁铁所需电源为对象,主要参数如下:

磁铁:rm=0.14h,lm=0.266mω

电源:un=70v,电压纹波小于1×10^-3(1khz以下);

in=200a,电流纹波小于5×10^-5,跟踪误差小于1×10^-4。

　　若采用电流单闭环控制,并采用pi调节器,仿真的系统模型如图3所示。

　　图3中,上位电流给定信号通过16位dac转换后,与dcct输出的电流反馈信号进行比较,得到误差信号,此误差经过误差放大器放大后送入pi调节器,由调节器的输出来控制pwm并驱动功率器件,从而实现负载对象所要求的高精度输出电流。

　　在matlab/simulink中对图3所示系统加以斜坡给定,可仿真得到系统响应如图4所示。可以看出系统无超调,跟踪误差小于0.02a(0.02/200=1×10^-4),满足系统要求的指标。