基于SOPC技术的大功率逆变电源数字控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于SOPC技术的大功率逆变电源数字控制系统，包括：将模拟信号处理模块ACE、ARM Cortex M3内核、双口RAM以及底层控制器集成在一块芯片内部；所述双口RAM和底层控制器的功能均采用超高速集成电路硬件描述语言VHDL进行编程实现；所述模拟信号处理模块ACE通过APB总线与双口RAM通信，所述ARM Cortex M3内核通过AHB总线与双口RAM通信，所述双口RAM与底层控制器通信。本发明有益效果：集成度高，系统成本和复杂度低，适应性强；抗干扰性强，可靠性高，稳定性好；大大降低了系统设计的风险和成本以及系统硬件电路设计的复杂性，大幅提升了系统设计的灵活性，可广泛应用于众多场合，适应性强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于SOPC技术的大功率逆变电源数字控制系统及方法。

背景技术

大功率逆变电源在电力、焊接等领域应用十分广泛。随着单片机、DSP、FPGA等SOPC 技术的发展，数字技术的应用，大幅提升了大功率逆变电源系统的控制精度、智能性、稳定 性和人机交互的友好性。然而，在大功率逆变电源的工作场合，往往充满了各种强烈的电磁 干扰和高频扰动，以焊接电源为例，由于焊接过程是一个包含了冶金、物理、化学等因素的 复杂变化过程，逆变焊接电源作为一种能量转换设备，工作在强干扰复杂恶劣环境中，存在 功率开关管的高频切换、整流二极管的冲击、外界电磁辐射等众多干扰因素，致使很多国产 设备可靠性差，返修率高。因此如何提高数据高速获取和传输的准确性，已成为提升大功率 逆变电源设备的关键。

可编程片上系统（System on a Programmable Chip，SOPC），是一种先进的嵌入式系统， 采用单个芯片完成整个系统的主要功能，设计灵活。以现场可编程门阵列（Field Programmable  Gate Array，FPGA）为例，是专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路系统，解决了定 制电路和原有可编程器件门电路数有限的缺点，可在内部嵌入操作系统。然而，由于FPGA 内部资源和性能的限制，在实际应用中往往采用“MCU+FPGA”、“DSP+FPGA”等双核或多核 结构，各部分协调工作。但是，由于大功率逆变电源系统的强干扰条件，这对基于大量数据 交换的双核或多核控制系统的可靠性和稳定性提出了严峻挑战，而基于单芯片的高可靠性控 制系统，将能够大幅提高大功率逆变电源设备的抗干扰性，提升数据高速交换的准确性和系 统可靠性，保证系统高速、稳定、安全地运行。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种基于SOPC技术的大功率逆变电源数 字控制系统及方法，该系统动态响应快，控制精度高，可靠性好，可广泛应用于对可靠性和 稳定性要求较高的能量变换系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于SOPC技术的大功率逆变电源数字控制系统，包括：将模拟信号处理模块ACE、 ARM Cortex M3内核、双口RAM以及底层控制器集成在一块芯片内部。

所述双口RAM和底层控制器的功能均采用超高速集成电路硬件描述语言VHDL进行编程 实现。

所述模拟信号处理模块ACE通过APB总线与双口RAM通信，所述ARM Cortex M3内核通 过AHB总线与双口RAM通信，所述双口RAM与底层控制器通信。

所述模拟信号处理模块ACE包括：比较器、若干A/D转换电路以及D/A转换电路。

比较器与外部的保护电路连接，用于产生保护信号；电压电流信号经信号调理电路后进 入A/D转换电路；D/A转换电路用于实现模拟量的输出。

所述ARM Cortex M3内核包括异常事件处理模块、专家数据库与工艺控制器模块以及通 信模块。

专家数据库与工艺控制器模块与异常事件处理模块、通信模块分别连接；专家数据库与 工艺控制器模块通过双口RAM实现与底层控制器的数据交换。

所述底层控制器包括：数字滤波器、电压电流实时控制模块以及PWM信号发生器；双 口RAM中的数据经数字滤波器后进入电压电流实时控制模块，最后输出至PWM信号发生器， 产生脉冲驱动信号。

所述电压电流实时控制模块包括电压闭环控制器和电流闭环控制器。

一种基于SOPC技术的大功率逆变电源数字控制系统的方法，包括：

（1）大功率逆变电源数字控制系统的电压、电流参数以及其它采样参数，经信号调理电 路转换为电信号，由芯片内部模拟信号处理模块ACE的A/D转换电路采样。

外部保护电路采集系统的状态信号，并转换成电信号，然后与芯片内部模拟信号处理模 块ACE预置的保护给定值进行比较，一旦超过保护给定值，则产生相应地保护信号，执行保 护动作。

（2）上述采样数据以及保护信号存储至双口RAM。

（3）存入双口RAM的采样数据经由各自的数字滤波器间隔读取处理，再由相应的用于 实现信号实时闭环调节的控制算法完成运算，最后输出至PWM信号发生器，产生脉冲驱动 信号；脉冲驱动信号经过电压转换后变为功率器件的驱动信号。

存入双口RAM的保护信号控制脉冲驱动信号的产生，保护系统安全。

（4）ARM Cortex M3内核从双口RAM中实时读取采样数据及系统状态，实现数据显示、 数据传输、命令输入和异常事件判断。

所述数据传输通过以太网、CAN总线、485总线、USB多种通讯接口实现。

本发明的有益效果是：

（1）集成度高，系统成本和复杂度低，适应性强。

相比以往的多核结构系统和分散模拟器件搭建的电路，本方法采用的FPGA内部集成了 数字电路设计和模拟电路及嵌入式系统等功能，大大降低了系统设计的风险和成本以及系统 硬件电路设计的复杂性，大幅提升了系统设计的灵活性，可广泛应用于众多场合，适应性强。

（2）抗干扰性强，可靠性高，稳定性好。

系统能够减少数据长距离传输，重要数据的大量传输都将在芯片的内部高速完成，因此， 系统具备极强的抗干扰性。本方法可根据实际工程应用的特殊性和多样性，通过开发不同的 软件实现所需的功能，因此，一致性好，便于产业化应用。

附图说明

图1为本发明大功率逆变电源数字控制系统结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

一种基于SOPC技术的大功率逆变电源数字控制系统，包括：将模拟信号处理模块ACE、 ARM Cortex M3内核、双口RAM以及底层控制器集成在一块芯片内部。双口RAM和底层控制 器的功能均采用超高速集成电路硬件描述语言VHDL进行编程实现。模拟信号处理模块ACE 通过APB总线与双口RAM通信，ARM Cortex M3内核通过AHB总线与双口RAM通信，双口 RAM与底层控制器通信。

模拟信号处理模块ACE包括：比较器、若干A/D转换电路以及D/A转换电路。比较器与 外部的保护电路连接，用于产生保护信号；电压电流信号经信号调理电路后进入A/D转换电 路；D/A转换电路用于实现模拟量的输出。

ARM Cortex M3内核包括异常事件处理模块、专家数据库与工艺控制器模块以及通信模 块。专家数据库与工艺控制器模块与异常事件处理模块、通信模块分别连接；专家数据库与 工艺控制器模块通过双口RAM实现与底层控制器的数据交换。

底层控制器包括：数字滤波器、电压电流实时控制模块以及PWM信号发生器；双口RAM 中的数据经数字滤波器后进入电压电流实时控制模块，最后输出至PWM信号发生器，产生 脉冲驱动信号。电压电流实时控制模块包括电压闭环控制器和电流闭环控制器。

详细介绍系统工作流程如下：

需闭环控制或监测的参数，如电压、电流，经信号调理电路后，变换为0-3.3V的电信号， 由芯片内部的A/D采样，然后经芯片内部的APB总线实现与双口RAM的通讯，采样数据存 入双口RAM，并由各自的数字滤波器间隔读取处理，再送入各自的闭环控制器，由相应的控 制算法完成运算，其中控制算法可以是PI、模糊控制等，用来实现反馈信号的实时闭环调节。 输出信号送至PWM信号发生器，产生脉冲驱动信号，最后经隔离与驱动电路驱动逆变等环 节，将0-3.3V的弱电信号转换为±15V的功率器件驱动信号，同时实现控制器和功率器件的电 气隔离，保证系统安全。采样其它参数也通过上述流程存入双口RAM。

系统的各状态信号，如功率器件的结温等，由外部保护电路采集转换成电信号，然后进 入芯片内部模拟信号处理模块ACE的比较器，与预置的保护给定值比较。反馈值一旦超过预 置给定，将由系统控制策略产生相应地动作，例如当检测到功率开关器件的结温超过其极限 温度值，将立刻封锁PWM发生器，使功率器件停止工作，产生保护，避免危险。本方案中 双口RAM作为内部总线数据高速交换的集散地。

采集的所有信号和系统状态信息，都将存入双口RAM，由内部的ARM系统经AHB总线 从双口RAM中实时读取，完成基于液晶或LED等的实时显示，异常事件的判断，并等待执行 操作人员通过按键或旋转编码器等输入的命令，或经过通讯接口或模拟输出等环节自动作出 相应动作。专家数据库和工艺控制器通过AHB总线和双口RAM实现与底层实时控制器的数 据交换，共同实现整个设备的实时控制。

设计了以太网、CAN总线、485总线、USB等多种通讯接口，其中以太网和CAN总线分 别用于远距离监控和群控，485总线用于与其它设备的现场通讯，USB主要用于方便实际操 作人员的作业信息导入和工况数据采集分析。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。