基于EP1C3T144C8的PWM控制器设计

船电技术２００７年第４期　Ｖ＿０１．２７　Ｎｏ．４　２００７．７／８　

基于ＥＰ　１　Ｃ３Ｔ　１　４４Ｃ８的ＰＷＭ控制器设计　

蔡华锋张杰　张迪煊廖冬初　

（湖北工业大学电气与电子工程学院武汉４３００６８）　

摘　要：本文介绍了以ＥＰ１Ｃ３Ｔ１４４Ｃ８为控制核心的ＰＷＭ控制器的设计方法。详细描述了ＦＰＧＡ内部结构设计　

过程，并以电压源型逆变电路为研究对象，通过了仿真波形和实验结果验证了本设计的可行性。　

关键词：ＥＰ１Ｃ３Ｔ１４４Ｃ８　ＰＷＭ控制器ＦＰＧＡ　

中图分类号：ＴＰ３６８　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—４８６２（２００７）０４—０２３６—０４　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＰＷＭ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＥＰ１Ｃ３Ｔ１４４Ｃ８　

Ｃａｉ　Ｈｕａｆｅｎｇ；Ｚｈａｎｇ　Ｊｉｅ；Ｚｈａｎｇ　Ｄｉｘｕａｎ；Ｌｉａｏ　Ｄｏｎｇｃｈｕ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００６８，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ＰＷＭ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｗｉｔｈ　ＥＰ１　Ｃ３Ｔ１４４Ｃ８　ａｓ　

ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｃｏｒｅ．Ｔｈｅ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｉｏｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＦＰＧＡ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄ　ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　

ｖｏｌｔａｇｅ—ｓｏｕｒｃｅ　３－ｐｈａｓｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｂｊｅｃｔ，ｗｅ　ｖｅｒｉｆｉｅｓ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｂｙ　

ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＥＰ１Ｃ３Ｔ１４４Ｃ８；ＰＷＭ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ＦＰＧＡ　

ｌ引言　

ＰＷＭ技术由于自身的各种优点，已经广泛地　

应用于电力电子电路的控制。目前实现ＰＷＭ控制　

的主要硬件载体是单片机，包括高性能的ＤＳＰ控　

制器。通常情况下，单片机通过定时中断服务程　序产生ＰＷＭ脉冲，因此在每个载波周期必须进行　

中断处理，文献［１］指出，微处理器中不确定的中　

断响应会导致ＰＷＭ脉冲的相位抖动。同时在恶劣　的工业环境下，单片机抗干扰性能差的问题显得　

尤其突出，甚至影响到系统的安全运行。因此不　

得不花费大量的精力解决抗干扰问题。　

ＦＰＧＡ由于近年来的迅猛发展，内部资源不断　

增多，功能日趋完善。鉴于ＦＰＧＡ运行速度快、抗　

干扰能力强、Ｉ／Ｏ口可灵活配置等优点，在电力　

电子控制领域应用越来越广泛。文献［２］中使用　

ＦＰＧＡ研究了ＳＰＷＭ控制器，本文结合Ｃｙｃｌｏｎｅ系　列ＦＰＧＡ（ＥＰ１Ｃ３Ｔ１４４Ｃ８）较为详细地介绍了ＰＷＭ　

控制器的设计。　

由于电压源型三相逆变电路应用非常普遍，　

本文以此电路为研究对象，使设计具有通用性。　ＦＰＧＡ作为系统控制核心，负责反馈数据处理、闭　

环系统调节、ＰＷＭ信号生成、显示／键盘等功能。　

２　ＰＷＭ控制器的设计　

在本系统设计中采用自上至下（Ｔｏｐ　Ｄｏｗｎ）的　

设计方法，分为三个层次，即行为描述、ＲＴＬ方　

式描述、逻辑综合，系统设计过程如图ｌ所示。　

系统的程序采用模块化设计，底层为各功能　

模块，如ＳＰＷＭ产生模块、检测模块、显示通讯模　

块，顶层采用原理图对各功能模块的组合。ＦＰＧＡ　

内部结构如图２所示。　

本系统首先通过ＭＡＴＬＡＢ软件建立正弦表，　

装入ＦＰＧＡ，然后通过程序来查表调用。ＭＯＳＦＥＴ　

收稿日期：２００７—０４—１２　

作者简介：蔡华锋（１９７８￣），男，助教，计算机控制、嵌入式技术和电力电子。　

２３６　维普资讯 http://www.cqvip.com 、，０１．２７　Ｎｏ．４　２００７．７／８　船电技术２００７年第４期　

规则设计　ｌ　１．　行为级描述　１．ｒ　『　行为级仿真　１．ｒ　Ｉ　ＲＴＬ级描述　’．ｒ　Ｊ　ＲＴＬ级仿真　１．ｒ　Ｉ逻辑综合优化　

Ｉ　望　墨塞堕　Ｉ　

臣　｝　输出门级网表　ｌ　

图１系统设计过程　的开启和关断，需要设置死区时间，在设计中可　取值为２０￣２３０。具体算法流程图如图３所示。　

要实现闭环控制需要借助于ＡＤ转换芯片，　

其采样控制状态转移图如图４所示。ＳＴＡＲＴ是转　

换启动信号，一个正脉冲过后ＡＩＤ开始转换；ＡＬＥ　

是３位通道选择地址（ＡＤＤ、ＣＡＤＤＢ、ＡＤＤＡ）　

信号锁存信号。当模拟量送至某一输入端时，由　

３位地址信号选择，而地址信号由ＡＬＥ锁存；ＥＯＣ　

是转换情况状态信号，当启动转换为ｌＯ０￣ｓ后，　

ＥＯＣ产生一个负脉冲，以示转换结束；ＥＯＣ的上　

升沿后，且输出使能信号ＥＮＡＢＬＥ为高电平，则　

控制打开三态缓冲器，把转换好的８位数据送至　

ＦＰＧＡ的数据总线，完成一次转换。　

ＬＥＤ用于ＳＰＷＭ的输出频率、电网检测及其故　

障信息的的指示。具体程序流程图如下图５所示。　

Ｃｌｋ　ｅｏＣ　ｄａｔａ［７．．．ｏ】　ａｂｃ＿ｉｎ［２．．．ｏ】　３实验结果分析　

ＱｕａｒｔｕｓＩＩ软件自带仿真工具所截取的单极　

性脉宽调制波形仿真图如下图６所示。　以下是６０ＭＨｚ的数字存储示波器Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ　

ＴＤＳ１００２拍摄得到实际波形。控制器端口输出的　

实际波形如图７所示。由图可知随着正弦波形幅　值的增大输出ＰＷＭ的脉冲宽度增大，与设计的　

目标相同。　

逆变器阻性负载输出波形如图８所示（负载　为３６Ｑ电阻丝）。由图８可知，在没有加滤波电　

路情况下，输出波形接近正弦波形，同时电力电　

子开关器件的开关情况也能反映出来。　

逆变器通过Ｒｃ一级滤波后，电容两端得到的　

正弦信号如图９所示。　

４结论　

本文利用ＦＰＧＡ（ＥＰ１Ｃ３Ｔ１４４Ｃ８）实现了ＰＷＭ　

控制器的设计，得到了实验波形。实验结果验证　

了本设计是可行的，其设计方法、设计思路具有　

一定的参考价值。　

参考文献　

【１】许强等．基于ＦＰＧＡ的三相ＰＷＭ发生器［Ｊ１．电子技　

术应用，２００１，２７（１）：７３￣７４　

【２１周嫒，李铁才，杨贵杰三相ＳＰＷＭ变频控制器通用　

ＩＰ核的研究『Ｊ１，哈尔滨理工大学学报，２００４　Ｖｏ１．９　Ｎｏ．５　

Ｐ２５—２８　

图２　ＦＰＧＡ内部结构图　３．．．ｏ】　【７．．．ｏ】　

２３７　维普资讯 http://www.cqvip.com 船电技术２００７年第４期　、，０１．２７　Ｎｏ．４　２００７．７／８　

图３　ＳＰＷＭ算法流程图　

－●＿－＿●＿。＿●＿。＿●。。＿－＿’＿－＿　Ｈ＿ｈｅ　Ｉ　．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ｊ　

日　

ｅｌｋ　曰ｆ－ｏｕｔ　ｆ－　ｆ　

２３８　图４采样控制状态转移图　图５　ＬＥＤ动态显示流程图　

３３７　４７　ｕ　３５７　３７８｝３　ＵＳ　３９８　ｌ　ＵＳ　４１９　１ｌｓ　４３９　Ｔ　ＵＳ　

０　０　Ｉ　Ｉ　Ｉ（（Ｉ［Ｉ［Ｃ　Ｃ　Ｃ　０　１．０　１．０　１０　１０　１．０　１．０　０１０１　１０　１０　１０　１０　１０　０　０　Ｃ　Ｃ　Ｃ　Ｃ　ｉ　

ｌ　０　ＩＵＵＵＵＵ　Ｕ　Ｕ　Ｕ　Ｕ　Ｕ　Ｕ　Ｕ　Ｕ　Ｕ　Ｕ　Ｕ　Ｕ　Ｕ　０　ｌ　０　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　ｌ　Ｉ　ｌ　Ｈ　Ｕ　Ｕ　Ｕ　Ｕ　Ｕ　Ｕ　Ｕ　

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图６

脉宽调制波形仿真图　维普资讯 http://www.cqvip.com 、，０１．２７　Ｎｏ．４　２００７．７／８　船电技术２００７年第４期　

图７控制器端口输出波形　图８阻性负载波形　图９　ＲＣ滤波后输出的正弦信号　

（上接２２９页）　

（ａ）燃料电池系统比能量高于其它热机　

燃料电池能量转换效率不受卡诺循环控制，　

比其它热机要高出１倍多，因而燃料电池系统比　

能量要远高于其它最好的热机。这意味着在燃料　

贮存量相同的条件下，加装燃料电池ＡＩＰ系统的　

潜艇，其水下航行距离近乎是装有其它ＡＩＰ系统　时的２倍。这就决定了燃料电池ＡＩＰ系统首先在　

潜艇中得到应用。　

（ｂ）燃料电池比能量高于铅蓄电池，但比功　

率却只有铅蓄电池的一半（约１００Ｗ／ｋｇ）。这就　决定了燃料电池和铅蓄电池组合而成的混合动力　

系统具有更大的优越性。为使水下一次性续航力　

提高４倍，若单独用蓄电池，则蓄电池的量必须　

扩大４倍，显然这是潜艇总体不允许的；使用燃　

料电池则只要加一节舱段就可，大大节约了潜艇　总体的重量和空间。同样，若没有铅蓄电池，则　

潜艇要求高航速时，燃料电池就显得力不从心了。　（Ｃ）燃料电池工作产物是水，没有其它要处　

理和排出艇外的废物。这不但节省了废物处理系　

统，而且还可以使潜艇在整个潜航时间保持总重　

不变，不会影响潜艇的动态性能。其它三种ＡＩＰ　

系统使用的是热机，其工作结果必然生成ＣＯ２或　

其它废物，必须有处理装置，这就增加了潜艇总　

体的重量和复杂性。　

（ｄ）燃料电池的寿命目前平均只有２２００　

小时、　。这是当今燃料电池水平限制了它单独用　

作动力的瓶颈之一。若像上世纪５０～６０年代那样　

把燃料电池作为潜艇的唯一动力源，那么这样短　

的使用寿命无法用于潜艇。但若用于延长水下一　

次潜航行程，情况就不同了。２０９潜艇一次潜航　

２７８小时，那么现有的燃料电池可以满足８次以　

上水下一次潜航，要知道潜艇长时间水下一次潜　

航只有在必要时才会出现，平时是不需要这种长　时间一次性潜航的。　（ｅ）成本高。这也是限制燃料电池进入市场　

的重要因素。从国外现有的试验性汽车来看，一　

台燃料电池车差不多是普通汽车的１５￣２０倍。正　

因为潜艇燃料电池Ａ　系统是在必要的关键性时　

刻用的，从德国试验情况来看，燃料电池ＡＩＰ系　

统的贮能约为潜艇总贮能的十分之一，也就是说，　

潜艇使用燃料电池的机会只有十分之一，因而虽　

然燃料电池成本高，但从费效比来看却是合算的。　

（ｆ）安全性和可靠性。目前车用燃料电池遇　

到了燃料电池的中毒问题。甲醇重整制氢时的微　

量ＣＯ和甲醛会使燃料电池催化剂中毒，温泉附近　

的微量Ｈ２Ｓ也会使燃料电池失效。德国燃料电池　

ＡＩＰ系统使用的是贮氢材料吸收和放出纯氢，所　

用的氧也来源于液氧槽放出的纯氧，不会出现燃