基于CPLD-FPGA的电源逆变控制电路的设计

基于CPLD-FPGA的电源逆变控制电路的设计

摘要：针对传统的逆变电源设计所采用的设计方法中存在的不足与缺陷，本文采用了基于CPLD的电子自动化设计技术，对逆变电源控制电路重新进行了设计，给出了硬件控制主电路的设计方案，并且采用Verilog HDL硬件编程语言完成了FPGA功能模块的设计。这些工作对于采用用CPLD/ FPGA设计逆变电源控制电路，提高逆变电源的可靠性和便携性，都具有一定的借鉴意义。

关键词：CPLD-FPGA；逆变控制；脉宽调制

1 引言

随着微电子技术的发展，可编程逻辑器件由于速度快，集成度高，编程方便，保密性强而越来越受到系统设计者的青睐。传统逆变器的控制电路是由数字电路或专用芯片构成的，因此存在着设计复杂、体积大、抗干扰能力差等问题。

可复杂可编程逻辑器件(CPLD)的出现，为解决上述问题提供了有力的手段。本文采用Altera公司的Cyclone II系列FPGA芯片实现了基于移相PWM全桥控制模式的脉宽调制输出实现了大功率逆变电源的设计，简化了控制电路，提高了可靠性。

2 控制电路的设计

由于在传统的逆变电源中一般采用的都是逆变器—工频变压器—滤波器的结构，使得整个逆变电源又大又笨重，难以达到人们对现代电源高功率密度、高效率、高可靠性、小型轻量化的要求。为了克服传统逆变器的缺点，现代电子技术开始采用CPLD-FPGA电子自动化设计技术设计逆变电源控制电路，从控制精度、控制可靠性等方面都有了很大的提升。 把FPGA/CPLD应用于嵌入式控制系统，同单片机结合起来，更能体现其在系统可编程、使用方便灵活的特点。本文设计实现的数字化逆变电源控制电路，是利用单片机与可编程逻辑器件共同构建数字控制系统。如下图所示，为该控制电路的原理示意图。本设计采用的可编程逻辑芯片为Altera公司的Cyclone II系列的EP2C5T144C8的FPGA芯片，单片机部分选用富士通公司的16位增强型单片机MB90F352S。

图1 电源逆变控制主电路原理图

该逆变电源的主要控制思想为：系统通过霍尔电流反馈实时采样输出电流信号，将反馈通过16位富士通单片机中自带的10位A/D转换（最快转换速率达3μs），将模拟量转换为数字量并实时送入FPGA中。另外同时将面板参数给定也送入FPGA中，通过在FPGA中的PID算法模块生成控制PWM模块占空比的参数给定，最后由PWM模块输出四路驱动波形，从而完成了整个系统的一个周期的运转。

3 FPGA模块的设计

限于篇幅，仅重点对PID算法控制模块和PWM生成模块的具体功能和实现方法进行介绍。

3.1PID算法控制模块的功能设计

在FPGA中实现PID算法控制功能的流程为：通过单片机的控制信号决定状态机流程，比例系数与积分系数都由单片机在开机后给定，然后通过FPGA中FIFO存储器接口，将反馈电流值与给定值源源不断传送到FPGA中，在FPGA中通过对给定值与反馈值的误差累积作为积分系数的被乘数，并将实时的反馈值与当前给定值的误差值作为比例系数的被

基于CPLD-FPGA的电源逆变控制电路的设计

乘数，最终生成一个10位的占空比控制数据用于输出到PWM生成模块中，控制即时输出PWM的占空比大小。需要注意的是，由于存在着饱和特性，当控制变量达到一定值后，系统的输出变量不再增长，系统进入饱和区，这就要求系统的控制输出量必须限制在最大占空比输出的范围之内，即对控制量的变化率也有限制，若计算得出的控制量超出了上述范围，系统实际执行的不是控制量的计算值，而是控制量的最大值，尤其在开机或大幅度改变给定值的情况下需要采用限幅PID算法。

3.2PWM生成模块的设计

PWM生成模块的工作思想是：首先依据锁相环输出的100M的主时钟作为基准时钟信号，对其进行计数分频得到50kHz的固定时钟信号，则此模块的四路输出信号均依据此恒定的PWM信号作为基准源得到，从根本上保证了四路输出的同步性。在生成策略上，则是对输出的每个开关周期对主时钟按照由PID模块给定的占空比数值进行计数，从而得到占空比大小跟随输出响应的PWM波形，最终得到的是四路占空比不断跟随输出反馈变化的PWM波形，其频率为50kHz，占空比调整精度为1/1000。

4 结语

利用CPLD/ FPGA作为硬件电路，采用VHDL 等硬件描述语言对硬件的功能进行编程，加快了系统的研发进程，采用数字化的控制方式，大幅度提高了逻辑控制的精确度，实时控制效果好，有效的缩小电路的硬件规模，提高了集成度，降低开发成本，提高系统的可靠性，为电源逆变控制电路的设计开辟了新的天地。