EDA技术下的电子设计论文提纲

论文题目：基于FPGA的电力电子控制器设计与实现

摘要：现代电力电子装置在设备控制实时性、开关频率、集成度等方面均面临着更高的要求,传统串行电力电子控制器往往无法满足需求。随着现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）工艺的不断进步并逐步发展为可编程系统级芯片,其特有的硬件并行优势在数字系统的设计中逐渐表现出来。基于硬件电路实现不同层次的软件功能成为了电力电子控制器新的发展方向,与此同时电子设计自动化（Electronic Design Automation,EDA）技术也为这种硬件实现带来设计上的方便。因此,FPGA在电力电子领域中的应用是一种相当有前景的技术。本文针对FPGA电力电子控制器,研究基于FPGA的电力电子控制器设计原则、设计方法与设计实现,并在所搭建的硬件平台上进行验证。本文主要研究内容如下:（1）通过对国内外FPGA在电力电子控制器设计领域的研究与应用分析,阐述以FPGA为核心的电力电子控制器的特点;针对FPGA设计难点问题,提出了具有指导意义的包括三项基本设计原则与四项基本设计方法在内的FPGA全数字电力电子控制器设计理论。（2）基于提出的设计理论,对电力电子知识产权核（Intellectual Property Core,IP）库中的IP核给出了类型划分准则,考虑IP核通用性,搭建了基础逻辑级、计算功能级、控制环路级三级参数化电力电子通用IP核库。（3）设计了采样控制与数据读取为主从式执行关系的高速不间断采样控制状态机、动作时间可调的纳秒级硬件保护机制等FPGA在电力电子实际工程应用中经常承担的辅助控制任务逻辑,进而设计出通用辅助逻辑控制板卡,可直接应用于电力电子项目设计中承担辅助控制任务,从而大幅提升电力电子控制系统设计效率。（4）研究了有源电力滤波器（Active Power Filter,APF）控制策略,搭建了仿真模型及T型三电平FPGA电力电子控制器平台,以搭积木的方式结合所构建的电力电子通用IP核实现了APF控制策略,并给出了实验结果,验证了所提出的设计理论可行性;在同一应用场景给出了FPGA控制器与数字信号处理器（Digital Signal Porcessor,DSP）控制器具体性能量化指标对比,验证了FPGA控制器实现方案的优势。

关键词：电力电子控制器;FPGA;设计原则;设计方法;IP核库

学科专业：工程硕士—电气工程领域（专业学位）

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 FPGA电力电子控制器研究现状

1.3 本文的主要工作内容

第二章 FPGA全数字电力电子控制器设计理论

2.1 数字控制器基本类型及分类

2.1.1 顺序控制方式

2.1.2 并行控制方式

2.1.3 混合控制方式

2.2 FPGA全数字电力电子控制器设计理论依据

2.3 FPGA全数字电力电子控制器设计原则

2.3.1 参数化模块化设计原则

2.3.2 面积与速度综合考虑原则

2.3.3 顶层模块时序调度原则

2.4 FPGA全数字电力电子控制器设计方法

2.4.1 搭建三级电力电子参数化IP核库

2.4.2 合理安排资源开销与计算速度

2.4.3 设计使能位与运算完成标志位

2.4.4 顶层时序调度协调机制

2.5 小结

第三章 FPGA三级电力电子IP核设计

3.1 开发环境

3.2 基础逻辑级IP核设计

3.3 计算功能级IP核设计

3.4 控制环路级IP核设计

3.5 基于模型的IP核设计

3.6 小结

第四章 基于FPGA的采样控制与保护机制

4.1 基于FPGA实现的采样控制

4.1.1 AD采样芯片工作特性

4.1.2 AD采样控制状态机设计

4.1.3 采样数据管理

4.2 基于FPGA实现的保护机制

4.2.1 故障信号判断

4.2.2 脉冲封锁信号产生

4.2.3 脉冲封锁执行

4.2.4 设计结果

4.3 通用辅助逻辑控制卡设计

4.4 小结

第五章 FPGA控制器应用平台设计

5.1 应用平台搭建

5.2 APF基本原理

5.3 易于IP核直接实现的APF控制策略

5.4 控制策略仿真验证

5.5 全FPGA控制器控制策略实现

5.5.1 电力电子IP核的选择

5.5.2 顶层IP核触发时序设计

5.6 硬件综合结果

5.7 FPGA控制器应用结果

5.8 控制性能对比实验

5.8.1 控制结构对比

5.8.2 计算周期对比

5.8.3 对比实验结果

5.9 小结

第六章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 研究展望

参考文献

附录 APF控制系统顶层RTL视图

致谢