摘 要： 利用System Generator軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于模塊化建模方法的變換器建模，并簡(jiǎn)化語(yǔ)言編寫控制系統(tǒng)的復(fù)雜過(guò)程。研究了從MATLAB-Xilinx環(huán)境中導(dǎo)出使用模塊化建模方法搭建的控制算法。通過(guò)MATLAB仿真、軟硬件聯(lián)合仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，證明了將控制算法導(dǎo)出使用的可行性。

0 引言

以往的FPGA設(shè)計(jì)者主要通過(guò)Verilog/VHDL語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)模型搭建，這對(duì)設(shè)計(jì)者語(yǔ)言上的要求很高?；谀K化設(shè)計(jì)的模型搭建方法的出現(xiàn)，簡(jiǎn)化了語(yǔ)言方式建模的復(fù)雜過(guò)程，使得系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的周期大大縮短，同時(shí)也保證了所實(shí)現(xiàn)功能的一致性。

Xilinx公司的System Generator軟件自帶的算法模塊為FPGA的設(shè)計(jì)使用引入了新的方法。結(jié)合FPGA自身豐富的觸發(fā)器資源、大量的I/O引腳資源、高速的CMOS工藝和功耗低等特點(diǎn)，System Generator軟件可以將控制系統(tǒng)導(dǎo)出，應(yīng)用于FPGA集成開(kāi)發(fā)軟件之中，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的過(guò)程。

完整的系統(tǒng)通過(guò)System Generator軟件仿真后直接生成硬件語(yǔ)言集成核，下載至FPGA平臺(tái)中進(jìn)行測(cè)試，使得Verilog/VHDL語(yǔ)言基礎(chǔ)薄弱的工程師也可以通過(guò)設(shè)計(jì)、仿真和實(shí)驗(yàn)很好地進(jìn)行FPGA開(kāi)發(fā)工作。

1 基于模塊化建模

1.1 Xilinx軟件介紹

Xilinx新一代集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Vivado突出基于知識(shí)產(chǎn)權(quán)（Intellectual Property，IP）核的設(shè)計(jì)方法，更加體現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)思想，進(jìn)一步增強(qiáng)了設(shè)計(jì)者對(duì)FPGA底層布局和布線的干預(yù)能力[1]。

開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)MATLAB/Simulink環(huán)境調(diào)用Xilinx模塊來(lái)完成模型搭建，并且通過(guò)調(diào)用核生成器為所構(gòu)建的控制模塊生成經(jīng)過(guò)優(yōu)化的網(wǎng)表和知識(shí)產(chǎn)權(quán)核文件，導(dǎo)出生成相應(yīng)的工程文件[1]。由MATLAB/Simulink生成的工程文件可以使用Vivado軟件進(jìn)行進(jìn)一步編輯，最終生成FPGA可以執(zhí)行的數(shù)據(jù)流文件。System Generator的這種特性可以使設(shè)計(jì)的注意力只集中在關(guān)鍵部分。

1.2 模型搭建

圖1顯示的是基于System Generator模型導(dǎo)出的變換器控制框圖，包括模型搭建、模型仿真、控制器導(dǎo)出和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證幾大部分。

本文以簡(jiǎn)單的Boost升壓電路為例，實(shí)現(xiàn)基于System Generator的控制器導(dǎo)出。設(shè)定Boost變換器輸入電壓為12 V，輸出電壓為24 V，開(kāi)關(guān)頻率為40 kHz。

使用Xilinx模塊搭建的仿真模型分為主電路和控制電路兩個(gè)部分。主電路由電源、電感、電容、負(fù)載和開(kāi)關(guān)器件等組成，控制電路為采用Xilinx模塊搭建的離散PI控制器。對(duì)主電路輸出電壓進(jìn)行采樣處理，然后輸送到控制器。控制器輸出結(jié)果與三角波進(jìn)行比較得到PWM脈寬調(diào)制波來(lái)控制主電路開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，如此進(jìn)行信號(hào)的反饋閉環(huán)過(guò)程[2]。

在MATLAB-Xilinx模型中，需要將PI控制算法離散化。離散PI有增量式和位置式兩種方式，如式(1)與式(2)所描述[3-4]，增量式離散PI僅涉及到當(dāng)前周期誤差量與上一周期誤差量，使用起來(lái)較為方便，是最常使用的離散PI算法。但是增量式PI在實(shí)現(xiàn)受限于FPGA中的寄存器周期移位賦值，對(duì)于Xilinx模塊的使用效果不理想。本文選擇位置式離散PI算法，使用離散狀態(tài)下的累加模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)狀態(tài)下的積分功能。累加模塊自身帶有限幅的功能，大大減少了Xilinx模塊使用量[5]?？刂破髂Ｐ蛨D如圖2所示。

增量式離散PI算法：

位置式離散PI算法：

式中Kp與Ki分別表示比例增益與積分增益，u表示控制量，e表示控制量與給定量的偏差，k表示不同的周期。

2 仿真模型驗(yàn)證與控制器導(dǎo)出

2.1 仿真結(jié)果對(duì)比分析

與Simulink模塊搭建的控制器不同，Xilinx模塊下的控制器是使用PI離散方程搭建的，其運(yùn)算于離散時(shí)間模式下，因此離散控制器的功能性驗(yàn)證尤為重要[6]。同時(shí)，基于System Generator模型導(dǎo)出的變換器控制器設(shè)計(jì)，最終的目的是將模塊搭建的控制器轉(zhuǎn)換成IP核來(lái)使用，于是，利用Xilinx模塊搭建的控制器的功能能否在FPGA中正常運(yùn)算是十分重要的部分[7]。