基于SOPC的直流变频风扇控制芯片设计与研究

摘要

近年来，FPGA的集成度迅速提高，逻辑资源也日益丰富，在现在的芯片设计过程中，FPGA通常用来作为验证平台，当芯片在FPGA上验证通过后再进行流片生产。本文以直流变频风扇为控制对象，采用SOPC技术在FPGA上设计一款直流变频风扇专用控制芯片。直流变频风扇是近些年发展起来的风扇创新技术，它采用变频技术对风扇电机进行控制，具有省电、静音、无级调速等特点，是风扇发展的一个趋势。设计直流变频风扇的专用控制芯片，可以大大降低系统成本，提高系统性能，有利于直流变频风扇的推广。
　　本文通过分析风扇电机----永磁同步电机的数学模型，给出了直流变频风扇的矢量控制方案，并针对直流变频风扇对成本敏感的特点，采用双电阻电流采样方式进行电流采样，采用霍尔传感器方式进行速度检测和位置细分。根据直流变频风扇双闭环矢量控制的特点，首先对芯片的软硬件功能进行划分，完成了对直流变频风扇控制芯片的片上规划，即对于速度要求较高的电流内环控制，采用硬件IP核来实现，而对于速度要求相对较低的速度外环的控制则通过NiosⅡ处理器用软件实现。然后在QuartusⅡ开发环境下以Verilog HDL硬件描述语言完成了基于Avalon总线的自定义IP核设计，如cordic三角函数计算模块IP核、SVPWM模块IP核、双电阻电流采样接口IP核、霍尔传感器接口IP核等，并将设计的自定义IP核添加到SOPCBuilder集成开发工具的IP库中。采用总线互连、IP复用等SOPC设计技术，将NiosⅡ处理器、自定义IP核以及一些必要的片内外设IP核进行系统集成，在进行静态时序分析确保时序收敛后进行功耗评估，完成了直流变频风扇控制芯片的硬件设计。最后在NiosⅡ EDS开发环境下完成软件设计，最终实现了直流变频风扇控制芯片的设计。本文搭建了直流变频风扇矢量控制系统实验平台，进行了直流变频风扇调速系统实验，完成了对设计的直流变频风扇控制芯片的实际验证，实验结果表明，芯片工作正常，系统运行良好，设计的直流变频风扇控制芯片能够很好地完成系统控制功能。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外发展现状

1．2．1 直流变频风扇发展现状

1．2．2 SOPC技术发展现状

1．3 论文的结构和主要内容

第二章 SOPC设计技术

2．1 IP核复用技术

2．2 片上总线互联技术

2．3 软硬件协同设计技术

2．4 本章小结

第三章 直流变频风扇控制策略

3．1 风扇电机的数学模型

3．2 直流变频风扇的矢量控制

3．3 双电阻电流采样

3．3．1 电流采样时刻

3．3．2 电流采样调理电路

3．4 霍尔测速及位置细分

3．5 本章小结

第四章 直流变频风扇控制芯片设计

4．1 控制芯片的片上规划

4．2 Nios Ⅱ处理器

4．3 Avalon总线

4．4 基于Avalon总线的自定义IP核设计

4．4．1 cordic模块IP核设计

4．4．2 SVPWM模块IP核设计

4．4．3 霍尔传感器接口IP核设计

4．4．4 PI调节器IP核设计

4．4．5 Clark-park模块IP核设计

4．4．6 双电阻电流采样接口IP核设计

4．5 SOPC系统集成

4．6 SOPC系统软件设计

4．7 本章小结

第五章 直流变频风扇控制芯片的时序分析与功耗评估

5．1 时序分析

5．1．1 时序分析中的重要概念

5．2．2 基于TimeQuest的时序分析

5．2 功耗评估

5．2．1 功耗的来源

5．2．2 基于PowerPlay Power Analyzer的功耗评估

5．3 本章小结

第六章 直流变频风扇控制系统实验

6．1 实验平台

6．2 实验结果及分析

6．3 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表论文

声明

致谢