基于FPGA的UPFC控制器IP設(shè)計(jì)

　0 引言

　　統(tǒng)一潮流控制器(Unified Power Flow Con-troller，簡稱UPFC)是一種可以較大范圍地控制電流使之按指定路經(jīng)流動(dòng)的設(shè)備，它可在保證輸電線輸送容量接近熱穩(wěn)定極限的同時(shí)又不至于過負(fù)荷。控制系統(tǒng)是UPFC的核心部分，它的主要功能是監(jiān)測交流電網(wǎng)的傳輸和控制輸出逆變波形，不但能使輸出波形的頻率跟定電網(wǎng)頻率，而且可對輸出波形的幅值和相位進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新器件和新的設(shè)計(jì)方法不斷出現(xiàn)，使得UPFC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)也在不斷發(fā)展。近年來，隨著IC集成度的不斷提高而出現(xiàn)的現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FieldProgrammable Gate Array，簡稱FPGA)就是由可編程邏輯器件PLD(Programmable Logic Device)發(fā)展而來的新型器件，F(xiàn)PGA不但可以用于單個(gè)控制器件，而且可以用于整個(gè)系統(tǒng)。因而又誕生了一種新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法——片上可編程系統(tǒng)SOPC(System on a Programmer ChIP)。這是一種基于IP核(Intellectual Property core)的新系統(tǒng)。它既具有軟件的靈活性，又同時(shí)具有硬件的處理速度，更重要的是，它可以和微處理器軟核等IP核構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)，還可以根據(jù)需要對該系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，從而提高系統(tǒng)的靈活性、可靠性，以及抗干擾能力。本文利用Altera公司的Quartus開發(fā)工具設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Avalon總線接口的UPFC控制器IP核，以便于和NiosII組成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。

　　1 UPFC控制器IP的主要功能

　　UPFC控制器的IP主要用來輸出3路相位分別相差2π／3的正弦波形數(shù)據(jù)和3路相位分別相差2π／3的三角載波波形數(shù)據(jù)。由于UPFC控制系統(tǒng)采用SPWM調(diào)制技術(shù)，所以要求UPFC控制器IP輸出的正弦波頻率應(yīng)跟電網(wǎng)頻率保持一致，輸出的正弦波幅值和相位可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)；而輸出的三角載波頻率、幅值和相位則保持不變。

　　UPFC控制器IP核主要基于Avalon總線接口，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它有7種輸入信號和2組輸出信號。其中輸入信號分別為時(shí)鐘信號clk、低有效復(fù)位信號reset_n、地址信號address、高有效寫信號write、32位的數(shù)據(jù)信號writedata[31..0]、同步信號load、激勵(lì)信號multi_freq等；輸出信號主要是三路相位分別相差2π／3的正弦波(sin_a，sin_b，sin_c)和1路三角載波(tri_out)。
 

　　2 IP核結(jié)構(gòu)

　　UPFC控制器的IP核主要由以下6個(gè)模塊構(gòu)成：設(shè)置正弦波幅值和相位模塊，正弦波尋址模塊，正弦波數(shù)據(jù)查找模塊，正弦幅值計(jì)算模塊，三角波尋址模塊和三角波數(shù)據(jù)查找模塊。圖2是利用uartus工具對其進(jìn)行綜合后的RTL整體結(jié)構(gòu)圖。
 

　　由于正弦波和三角波都是通過查找預(yù)先存儲在ROM表中的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的波形；唯一不同的是正弦波的頻率跟電網(wǎng)頻率保持一致，幅值和相位可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，而三角載波的頻率、幅值和相位保持不變。鑒于實(shí)現(xiàn)三角波形相對簡單。下面主要闡述正弦波尋址模塊、正弦波數(shù)據(jù)查找模塊和正弦幅值計(jì)算模塊的實(shí)現(xiàn)方法。

　　2.1 正弦波幅值和相位模塊

　　UPFC控制器IP核含有相位寄存器、幅值寄存器以及3個(gè)相位偏移參數(shù)。其中相位寄存器主要用于保存設(shè)置的初始相位值，它的實(shí)際變化范圍為0～719。幅值寄存器則用于保存設(shè)置幅值相對于存儲波形幅值的變化量，它的變化范圍為0～64。相位偏移參數(shù)是指某一路正弦波在初始相位為0時(shí)，相對標(biāo)準(zhǔn)正弦波的相位偏移量，流量通常是個(gè)常量，分別為0、2π／3、4π／3。

　　2.2 正弦波尋址模塊

　　要使輸出的正弦波的頻率跟電網(wǎng)頻率fe保持一致，可通過鎖相環(huán)PLL把電網(wǎng)頻率fe倍頻720倍后作為正弦波輸出的激勵(lì)信號feq。雖然Altera的Cyclone系列也帶有PLL，但是它的PLL功能非常有限。由于它只能對固定頻率信號進(jìn)行一定的倍頻，而不能對變化的頻率信號在一定范圍內(nèi)任意倍頻。所以必須用模擬鎖相環(huán)PLL把電網(wǎng)頻率fe倍頻后作為UPFC控制器IP核的multi_freq輸入信號。當(dāng)電網(wǎng)頻率fe的第一個(gè)上升沿到來時(shí)，load為高電平，此后UPFC控制器IP核開始計(jì)算正弦波的地址。正弦波的地址等于電網(wǎng)頻率fe個(gè)數(shù)的累加值與相位寄存器、相位偏移參數(shù)之和。下面為其實(shí)現(xiàn)的偽代碼：
 

　　2.3 正弦波數(shù)據(jù)查找模塊

　　正弦波數(shù)據(jù)查找模塊由正弦信號發(fā)生器和正弦數(shù)據(jù)存儲器ROM構(gòu)成。構(gòu)成ROM的初始化數(shù)據(jù)文件有兩種格式：Memory Initialization File(.mif)和Hexadecimal (Intel-Formal)File (.hex)，應(yīng)用時(shí)可選其中任意一種。但設(shè)計(jì)之前必須考慮所用FPGA片上ROM的大小，同時(shí)也要考慮輸出數(shù)據(jù)的分辨率。因?yàn)閁PFC控制器IP核的地址變化范圍為0～719，輸出的波形數(shù)據(jù)是16位，所以正弦數(shù)據(jù)ROM應(yīng)由720個(gè)16位數(shù)據(jù)構(gòu)成。

　　為了輸出數(shù)據(jù)的分辨率，同時(shí)也為了能使正弦波的幅值得到調(diào)整，必須預(yù)先存儲一組合適的正弦波形數(shù)據(jù)。選取的正弦波形函數(shù)為：

　　f(x)=1023×[sin(πx／360)+1]／2

　　正弦波的數(shù)值可在0～1023中變化。在設(shè)計(jì)正弦信號發(fā)生器時(shí)，可以利用Quartus提供的MegaWizard。Plug -In Manage工具提供的LPM_ROM來定制正弦信號數(shù)據(jù)ROM宏功能塊，然后將其在上層文件中實(shí)例化。
 

　　2.4 正弦波幅值計(jì)算模塊

　　由于定制的正弦數(shù)據(jù)存儲器ROM的最大數(shù)據(jù)是1023，即只占用了10位數(shù)據(jù)寬度，還有6位數(shù)據(jù)寬度用于調(diào)節(jié)正弦波形的幅值。正弦波形的幅值最大調(diào)節(jié)量是其選擇波形的64倍。實(shí)際上，輸出正弦波形的數(shù)據(jù)等于查找到的正弦信號數(shù)據(jù)與幅值寄存器的乘積。雖然Verilog語言提供了乘法功能，但是它在有的綜合器中是不能被綜合的，所以必須自己設(shè)計(jì)一個(gè)乘法器。該乘法器同樣可以利用MegaWizard Plug-In Manage工具提供的LPM_MULT來定制一個(gè)16×16的乘法器。

　　3 系統(tǒng)驗(yàn)證

　　使用Quartus5.1對UPFC控制器IP核的Verilog程序進(jìn)行綜合時(shí)，可選用Altera公司的CycloneIIEP2C35評估板。該板有33216個(gè)邏輯單元，105個(gè)M4k存儲模塊，35個(gè)18×18乘法單元，4個(gè)PLL和475個(gè)I／O腳。UPFC控制器IP核在Quartus 中編譯通過，即可利用波形編輯器對其進(jìn)行功能仿真。圖3是其功能仿真波形。實(shí)際上，Quartus提供有嵌入式邏輯分析儀SignalTap II，可以對輸出信號進(jìn)行實(shí)時(shí)測試。在實(shí)際監(jiān)測中，通過SignalTap II可將測得的樣本信號暫存于目標(biāo)器件的嵌入式RAM中，然后通過器件的JTAG端口和USB Blaster下載線將采得的信息傳出，并送入主機(jī)進(jìn)行分析。圖4為UPFC控制器IP核輸出的實(shí)際波形圖。

　　4 結(jié)束語

　　本UPFC控制器IP能使輸出正弦波頻率跟電網(wǎng)頻率保持一致，且輸出正弦波的幅值和相位可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)；輸出的三角載波的頻率、幅值和相位保持不變。同時(shí)，將UPFC控制器IP核和Nios II相結(jié)合還可提高系統(tǒng)的抗干擾能力。