基于FPGA的多端DRI電源逆變器的控制算法的實(shí)現

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

面向工業(yè)應用的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)需要在時(shí)限和產(chǎn)品規范不斷變化的環(huán)境中進(jìn)行廣泛的研究和準備。雖然這個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)品上市時(shí)間不像消費類(lèi)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)力爭成為各自所在競爭領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)導者，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)有預定的行業(yè)領(lǐng)導者，從而需要先驅者設計、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(zhuān)心投入的工程師團隊，高級計算技術(shù)和全新材料，同時(shí)還取決于有沒(méi)有風(fēng)險投資者或者政府機構為這些能夠改善能源發(fā)電、分配、監控、計量和消費等領(lǐng)域充滿(mǎn)前景的方法提供資助。

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

開(kāi)發(fā)出的多端DRI(圖1)具有獨特的靈活性，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。該DRI 配備多個(gè)AC和DC 端子，能夠將電源路由到電網(wǎng)、微型電網(wǎng)、DC 能源存儲系統或動(dòng)態(tài)負載上?？删幊屉娫辞€(xiàn)和充電曲線(xiàn)可提高對發(fā)電機、負載和電池的控制，從而確保更高的效率。此外，使用大容量、較長(cháng)使用壽命的高級開(kāi)關(guān)可最大限度地提高可靠性。

普林斯頓電力系統展示了DRI 的眾多特性：提高電網(wǎng)的互聯(lián)性和效率，增強可再生能源系統的性能，以及幫助電動(dòng)車(chē)和分布式發(fā)電系統實(shí)現更高的集成度。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等。

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

賽靈思Spartan 技術(shù)

為了充分滿(mǎn)足工業(yè)產(chǎn)品設計的需求，像普林斯頓電力系統這樣的企業(yè)充分利用賽靈思目標設計平臺(TDP)等靈活開(kāi)發(fā)工具的優(yōu)勢，并得到其豐富的生態(tài)系統設計服務(wù)支持。在這種情況下，工程設計團隊面臨的第一個(gè)挑戰是決定如何擴展DRI 系統中數字信號處理器的輸入和輸出，以及如何實(shí)現并行工作的控制和通信接口。PDS Consulng 可為各種市場(chǎng)的可編程數字系統提供設計服務(wù)，其中包括航空航天與軍用、廣播、工業(yè)、科研和醫療等。該公司以賽靈思聯(lián)盟計劃成員的身份為這個(gè)項目提供工作支持。

PDS 咨詢(xún)團隊可提供現場(chǎng)實(shí)際操作系統調試和PCB 啟動(dòng)，以及非現場(chǎng)RTL和IP 設計等服務(wù)。此外，我們還向普林斯頓電力系統的開(kāi)發(fā)人員提出建議如何實(shí)現面向他們綠色電源控制算法的系統控制接口。最終，工程師選擇將賽靈思Spartan? XC3SD3400A FPGA 與DSP相結合，當作主系統控制組件(圖3)。

Spartan-3A FPGA 具有豐富的SelecOTM 功能，能夠為實(shí)現方案帶來(lái)高度的靈活性，對于觸發(fā)信號和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)行現場(chǎng)設計升級，可避免高昂的初始成本和冗長(cháng)的開(kāi)發(fā)周期，對比傳統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面向綠色能源轉換的專(zhuān)利控制算法成為現實(shí)。

實(shí)現DRI 系統的接口需要300 多組I/O，該接口能夠以超過(guò)900kbps 的速率訪(fǎng)問(wèn)8MB 閃存、256Mb SDRAM 以及USB/RS-232。此外，團隊還充分利用了Spartan 架構中固有的大量高速分布式32 位雙端口RAM 的優(yōu)勢?？膳渲眠壿媺K(CLB)查找表作為雙端口RAM 使用，可高效地在本地存儲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

普林斯頓電力系統的算法需要進(jìn)行大量的計算，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)普林斯頓電力系統項目，其中包括多電壓、多標準SelecTIO I/O 引腳;可配置邏輯塊;block RAM;以及可實(shí)現大量可編程觸發(fā)信號的存儲器接口等。這些信號生成和執行脈沖序列，用于觸發(fā)IGBT 等功率電子開(kāi)關(guān)，并控制負責在每個(gè)脈沖或定制高速串行接口上讀取重要系統測量值的大量高速ADC 通道。

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

如果沒(méi)有FPGA，這其中的一些功能要求就無(wú)法實(shí)現。其它功能將需要在DRI 的控制板上安裝更多的組件，或者需要更加復雜的軟件架構。普林斯頓電力系統的團隊知道應盡量避免出現后一種情況，因為控制板是DRI 系統的核心。

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

結果

一方面使用FPGA 的技術(shù)優(yōu)勢非常明顯(快速原型設計、靈活架構、用于快速系統內調試的賽靈思ChipScopeTM 集成邏輯分析器等高級支持工具)，另一方面這項決定也對普林斯頓電力系統的結果(bottom line)造成了影響。