基于FPGA的多端DRI電源逆變器的控制算法的實(shí)現(xiàn)

賽靈思SPARTAN-3A FPGA 可強(qiáng)化面向多端DRI 電源逆變器的控制算法實(shí)現(xiàn)方案

面向工業(yè)應(yīng)用的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)需要在時(shí)限和產(chǎn)品規(guī)范不斷變化的環(huán)境中進(jìn)行廣泛的研究和準(zhǔn)備。雖然這個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)品上市時(shí)間不像消費(fèi)類電子產(chǎn)品那樣快，但是產(chǎn)品必須迅速生產(chǎn)交付，并具備盡可能多的用于發(fā)展新一代產(chǎn)品的關(guān)鍵性功能、特性和潛能。企業(yè)力爭(zhēng)成為各自所在競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，特別是在綠色能源等全新市場(chǎng)，因其尚處于起步階段，沒(méi)有預(yù)定的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，從而需要先驅(qū)者設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和推出全新的產(chǎn)品。成功不僅取決于倍受鼓舞、專心投入的工程師團(tuán)隊(duì)，高級(jí)計(jì)算技術(shù)和全新材料，同時(shí)還取決于有沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)投資者或者政府機(jī)構(gòu)為這些能夠改善能源發(fā)電、分配、監(jiān)控、計(jì)量和消費(fèi)等領(lǐng)域充滿前景的方法提供資助。

2011 年秋天，來(lái)自新澤西的高級(jí)電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品和替代能源系統(tǒng)制造商——普林斯頓電力系統(tǒng)(PPS)的工程師展示了他們最新的綠色電源產(chǎn)品。這種需求響應(yīng)逆變器(DRI)是PPS、美國(guó)能源部和桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)能電網(wǎng)整合系統(tǒng)(SEGIS)為期三年的合作成果。

開(kāi)發(fā)出的多端DRI(圖1)具有獨(dú)特的靈活性，相比目前可用的逆變器擁有更高的可靠性、更高的效率和更低的成本等眾多優(yōu)勢(shì)。該DRI 配備多個(gè)AC和DC 端子，能夠?qū)㈦娫绰酚傻诫娋W(wǎng)、微型電網(wǎng)、DC 能源存儲(chǔ)系統(tǒng)或動(dòng)態(tài)負(fù)載上?？删幊屉娫辞€和充電曲線可提高對(duì)發(fā)電機(jī)、負(fù)載和電池的控制，從而確保更高的效率。此外，使用大容量、較長(zhǎng)使用壽命的高級(jí)開(kāi)關(guān)可最大限度地提高可靠性。

普林斯頓電力系統(tǒng)展示了DRI 的眾多特性：提高電網(wǎng)的互聯(lián)性和效率，增強(qiáng)可再生能源系統(tǒng)的性能，以及幫助電動(dòng)車和分布式發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的集成度。DRI 是該公司“日光島”微電網(wǎng)演示(圖2)的組成部分。這個(gè)演示詳細(xì)地介紹了清潔技術(shù)和制造方面的重大進(jìn)步，其中包括200 千瓦太陽(yáng)能電池陣列和鋰離子電池系統(tǒng)等。

微型電網(wǎng)可以獨(dú)立于主要的公用電網(wǎng)運(yùn)行，提供可靠、低碳排放的能源。普林斯頓電力系統(tǒng)的DRI 與柴油或者汽油AC發(fā)電機(jī)相兼容，也可使用光伏(PV)或者風(fēng)電輸入。使用DRI 的小型社區(qū)可以減少對(duì)電網(wǎng)的依賴，減少碳足跡并降低公用設(shè)施成本。此外，DRI 還能為電網(wǎng)服務(wù)和光伏提供面向電動(dòng)車的存儲(chǔ)和充電服務(wù)。

賽靈思Spartan 技術(shù)

為了充分滿足工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求，像普林斯頓電力系統(tǒng)這樣的企業(yè)充分利用賽靈思目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺(tái)(TDP)等靈活開(kāi)發(fā)工具的優(yōu)勢(shì)，并得到其豐富的生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)服務(wù)支持。在這種情況下，工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)是決定如何擴(kuò)展DRI 系統(tǒng)中數(shù)字信號(hào)處理器的輸入和輸出，以及如何實(shí)現(xiàn)并行工作的控制和通信接口。PDS Consulng 可為各種市場(chǎng)的可編程數(shù)字系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)服務(wù)，其中包括航空航天與軍用、廣播、工業(yè)、科研和醫(yī)療等。該公司以賽靈思聯(lián)盟計(jì)劃成員的身份為這個(gè)項(xiàng)目提供工作支持。

PDS 咨詢團(tuán)隊(duì)可提供現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作系統(tǒng)調(diào)試和PCB 啟動(dòng)，以及非現(xiàn)場(chǎng)RTL和IP 設(shè)計(jì)等服務(wù)。此外，我們還向普林斯頓電力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員提出建議如何實(shí)現(xiàn)面向他們綠色電源控制算法的系統(tǒng)控制接口。最終，工程師選擇將賽靈思Spartan? XC3SD3400A FPGA 與DSP相結(jié)合，當(dāng)作主系統(tǒng)控制組件(圖3)。

Spartan-3A FPGA 具有豐富的SelecOTM 功能，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)方案帶來(lái)高度的靈活性，對(duì)于觸發(fā)信號(hào)和ADC 輸入通道而言尤為如此。賽靈思Spartan-3A 系列因其FPGA 允許進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)升級(jí)，可避免高昂的初始成本和冗長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期，對(duì)比傳統(tǒng)ASIC 固有的低靈活性，因而可完美替代ASIC。Spartan-3A 支持的集成技術(shù)可讓普林斯頓電力系統(tǒng)面向綠色能源轉(zhuǎn)換的專利控制算法成為現(xiàn)實(shí)。

實(shí)現(xiàn)DRI 系統(tǒng)的接口需要300 多組I/O，該接口能夠以超過(guò)900kbps 的速率訪問(wèn)8MB 閃存、256Mb SDRAM 以及USB/RS-232。此外，團(tuán)隊(duì)還充分利用了Spartan 架構(gòu)中固有的大量高速分布式32 位雙端口RAM 的優(yōu)勢(shì)。可配置邏輯塊(CLB)查找表作為雙端口RAM 使用，可高效地在本地存儲(chǔ)ADC 提供的全新能源波形采樣，同時(shí)可讓DSP 讀取此前的采樣波形，以及PicoBlaze ?嵌入式處理器分析來(lái)自第二個(gè)端口的新值。

賽靈思FPGA 的優(yōu)勢(shì)

普林斯頓電力系統(tǒng)的算法需要進(jìn)行大量的計(jì)算，這只能由浮點(diǎn)DSP 才能完成，但FPGA 具有很多DSP 不具備的特性。賽靈思FPGA 的一些特性非常適用于這個(gè)普林斯頓電力系統(tǒng)項(xiàng)目，其中包括多電壓、多標(biāo)準(zhǔn)SelecTIO I/O 引腳;可配置邏輯塊;block RAM;以及可實(shí)現(xiàn)大量可編程觸發(fā)信號(hào)的存儲(chǔ)器接口等。這些信號(hào)生成和執(zhí)行脈沖序列，用于觸發(fā)IGBT 等功率電子開(kāi)關(guān)，并控制負(fù)責(zé)在每個(gè)脈沖或定制高速串行接口上讀取重要系統(tǒng)測(cè)量值的大量高速ADC 通道。

FPGA 不僅幫助普林斯頓電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了完美符合其特定要求的定制外設(shè)，同時(shí)還為輸入值的處理提供了更充裕的計(jì)算資源，否則這些處理工作將需要由DSP 完成?；赟parant-3FPGA 的設(shè)計(jì)能完成多個(gè)流程：使用連接到DSP 的ADC 的讀取值來(lái)完成系統(tǒng)錯(cuò)誤檢查;實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)工作，比如在必要時(shí)精準(zhǔn)地讀取ADC;完成ADC 值的平均計(jì)算。

如果沒(méi)有FPGA，這其中的一些功能要求就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。其它功能將需要在DRI 的控制板上安裝更多的組件，或者需要更加復(fù)雜的軟件架構(gòu)。普林斯頓電力系統(tǒng)的團(tuán)隊(duì)知道應(yīng)盡量避免出現(xiàn)后一種情況，因?yàn)榭刂瓢迨荄RI 系統(tǒng)的核心。

普林斯頓電力系統(tǒng)的研發(fā)經(jīng)理Frank Hoffman 指出：“雖然現(xiàn)在越來(lái)越多的DSP 能夠提供之前沒(méi)有的外設(shè)，但FPGA 的使用仍具有重要意義。隨著每一代產(chǎn)品的面世， 從Spartan-3 到Spartan-6，F(xiàn)PGA 內(nèi)部的計(jì)算資源數(shù)量不斷增加，現(xiàn)在已經(jīng)可以把更多的計(jì)算工作分配給FPGA。這就意味著可以用更快的速度運(yùn)行我們復(fù)雜的控制算法，從而改善生成的輸出質(zhì)量，比如DRI 的輸出。”

結(jié)果

一方面使用FPGA 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯(快速原型設(shè)計(jì)、靈活架構(gòu)、用于快速系統(tǒng)內(nèi)調(diào)試的賽靈思ChipScopeTM 集成邏輯分析器等高級(jí)支持工具)，另一方面這項(xiàng)決定也對(duì)普林斯頓電力系統(tǒng)的結(jié)果(bottom line)造成了影響。