FPGA作为电力电子设备控制器的实践

引言

随着电力电子控制技术的发展，控制算法规模愈加庞大，实时性要求需求越来越大，如何能够在要求的采样时间Tsa内完成控制全部算法的运算称为一个令电力电子领域的工程师和学者关注的问题。FPGA被应用到电力电子控制领域中因为以下两个原因：

1.1FPGA在电力电子中的优势

1.1.1更快的运算速度

DSP因为其价格的相对低廉和开发方式相对成熟，成为了大多电力电子控制技术实践的硬件基础。但是，随着先进控制算法演变地更加复杂以及模型预测算法（MPC）的进一步推广应用，普通DSP难以进一步满足创新性算法的落地。

FPGA的计算依赖内部的硬件资源。使用的硬件资源越多，计算的时间就越少；反之亦然。该特性使得FPGA能够通过大量硬件资源的使用极大地减少所需要的计算时间，增加了算法计算的灵活性。

同时FPGA可以利用流水线结构（pipeline）和并行计算的方式进一步加快算法运算速度。流水线结构对MPC算法的使用很有指导意义，但是并行计算貌似更适用于图像处理相关。

1.1.2灵活的多路IO设置

DSP的IO口数目较少，且功能在被设计出来的时候就已经被定义了，通过多路复用的方式来进行灵活的运用。

FPGA的IO口则由用户自主定义。

Eg. DSP28335只拥有12路IO可以作为PWM输出。而FPGA的每个IO都可以作为PWM输出，这是由用户决定的。

Eg. DSP28335某些IO组合可以作为SPI输出。而FPGA的任意组IO都可以作为SPI输出，这是由用户决定的。

所以现在存在很多DSP+FPGA的运用，FPGA作为DSP的外设通过通讯的方式联系到一起，而FPGA则被用来扩至IO口的数量。但是FPGA本身就能够完成计算过程，为什么不用FPGA直接完成DSP的运算任务呢？调试通讯的过程也不是什么简单的活。

1.2FPGA开发的痛点

1.2.1开发难度

DSP的开发简单，依托C语言配置寄存器相关；依托Simulink相关工具箱。

FPGA开发相对复杂，依托Verilog语言（或者VHDL，我不会国内好像用的也不多）。这是一种与C完全不同的语言形式，属于硬件描述语言。

我本人依托的工具是Vivado和ISE。下载软件可以找“芯王国”公众号，软件大小60多个G，教程公众号里面也有。学习Verilog语言可以学习夏宇闻《Verilog数字系统设计教程》，拥有数字电路技术基础的你很快就能上手。

1.2.2定点计算

电力电子控制算法往往要求实时的“加减乘”，“除”作为一种费事和费时的运算，往往尽量规避。

Verilog语言中虽然也存在“加减乘除”，但那是定点的“加减乘除”，有些处理是违背数学逻辑的。跟我们更加熟悉的方式是浮点数计算。

浮点数计算在实际应用中会消耗大量的FPGA资源。本文会在之后提供两种思路：

使用System generator工具。先将double精度的模型在Simulink中测试运行，再转化成定点数下的模型（可接受精度范围内），打包成IP核心，运用到FPGA中。
使用HLS工具。先将double精度的模型在C语言中测试运行，再转化成定点数下的模型（可接受精度范围内），打包成IP核心，运用到FPGA中。

1.3结语

本报告的目标就是讲述笔者在研究生阶段，如何配置一块FPGA独立完成数字控制技术中的“采样，计算，输出PWM”过程。