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如何利用FPGA实现优异的家用电器设计

上网日期: 2007年10月26日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:家用电器? 电机? 脉冲宽度调制?

电能的高效率应用能够使家用电器成本降低并保护环境。绝大多数的家用电器,如电冰箱、洗衣机、烘干机、洗碗机以及空调,都是由电机驱动的。这些设备通常包括了电源、电机、电机控制电路和机械系统。我们可以采用多种方法来改善系统效率。包括:

1. 维持电压恒定;

2. 尽量减少相位不平衡;

3. 维持功率因数恒定;

4. 保持良好的电源质量;

5. 采用可调式速度驱动或双速电机;

6. 控制好温度;

7. 匹配电机运行速度。

利用数字电路或FPGA控制模拟电机电路将使系统成本和功耗大大降低。采用FPGA除了可以节能之外,还能够将嵌入式数字信号处理(DSP)、微控制器、I/O接口等功能整合到一起,从而实现完整的家电设计。

脉冲宽度调制

用数字方式控制模拟电机电路的一种典型方法是采用脉冲宽度调制(PWM)。此时方波的时间周期是恒定的,而接通时间(TON)即信号保持高电平的时间可以被改变或调制。因此,信号的占空比或平均直流电平是变化的。借助于数字系统的支持,PWM已经成为控制模拟电路的一种极好方式。图1就是数字脉冲的接通时间改变的例子。

应用实例包括电压调整,即通过改变占空比将输出电压控制到所要求的电平。另一个例子是功率发送,这时的平均发送功率是调制占空比的函数。PWM的实现取决于具体的使用方法,对于简单的电压调整,可以使用CPLD(例如Altera MAX II)实现,而对于需要利用内部DSP模块的复杂控制算法,可以使用低成本的FPGA(例如Altera Cyclone III)实现。

图2是PWM的基本方框图,而图3则是一个驱动模拟电机接口电路的调制输出。UP和DOWN输入信号被用来调整输出信号的占空比,它们可以由微控制器产生。第一个模块利用所有MAX II器件中都有的UFM振荡器来产生两个频率不同的时钟。来自该模块的4位输出信号DUTY_CYCLE的增加或降低取决于UP或DOWN信号的证实。第二个4位输出信号COUNT以第一个模块中产生的较高时钟频率连续增加。该信号与第二个模块中相同频率的DUTY_CYCLE信号进行比较。比较的结果是分配到最终输出信号PWM的单个位。信号DUTY_CYCLE是一个4位的变量,因此输出信号的占空比具有16个不同的取值。在本设计实现中,输入UP的优先级要高于DOWN。因此,如果两个信号同时为高电平,输出信号将被视作占空比的增加。

图1:PWM波形示例。
图1:PWM波形示例。

图2:PWM基本框图。
图2:PWM基本框图

图3:电机模拟驱动电路。
图3:电机模拟驱动电路。

DSP电机控制

Cyclone III FPGAs中的嵌入式DSP功能块(如图4所示)为设计更复杂和效率更高的电机控制系统提供了关键要素。基于FPGA的DSP芯片使得大型家电制造商能够降低研发时间和成本,并且在未来升级时不需要重新布板。FPGA所提供的可重配置解决方案可用来实现DSP应用以及满足高DSP吞吐率的需求。由于FPGA可以实现硬件重配置,因而能实现完整的硬件定制并实现复杂的电机控制DSP功能。因此,由FPGA实现的DSP系统可以具有定制的架构、定制的总线结构、定制的存储器、定制的硬件加速器模块和各种大量的乘法-累加(MAC)块。

图4:FPGA中的嵌入式DSP块。
图4:FPGA中的嵌入式DSP块。


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