基於System Generator模型匯出法的Boost變換器控制
劉朝勇1，王綏超2，鄭先成2
（1.上海飛機設計研究院，上海201210；2.西北工業大學 自動化學院，陝西 西安710000）
利用System Generator軟體平臺，實現基於模組化建模方法的變換器建模，並簡化語言編寫控制系統的複雜過程。
System Generator；模組化建模；控制演算法匯出
中圖分類號：TP273
文獻標識碼：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.015
中文引用格式：劉朝勇，王綏超，鄭先成. 基於System Generator模型匯出法的Boost變換器控制[J].電子技術應用，2017，43(7)：59-62.
英文引用格式：Liu Chaoyong，Wang Suichao，Zheng Xiancheng. Implementation of Boost converter control based on the export method of System Generator model[J].Application of Electronic Technique，2017，43(7)：59-62.
0 引言
以往的FPGA設計者主要通過Verilog/VHDL語言來實現模型搭建，這對設計者語言上的要求很高。
Xilinx公司的System Generator軟體自帶的演算法模組為FPGA的設計使用引入了新的方法。結合FPGA自身豐富的觸發器資源、大量的I/O引腳資源、高速的CMOS工藝和功耗低等特點，System Generator軟體可以將控制系統匯出，應用于FPGA集成開發軟體之中，
完整的系統通過System Generator軟體模擬後直接生成硬體語言集成核，下載至FPGA平臺中進行測試，使得Verilog/VHDL語言基礎薄弱的工程師也可以通過設計、模擬和實驗很好地進行FPGA開發工作。
1 基於模組化建模
1.1 Xilinx軟體介紹
Xilinx新一代整合式開發環境Vivado突出基於智慧財產權（Intellectual Property，IP）核的設計方法，更加體現系統級設計思想，進一步增強了設計者對FPGA底層佈局和佈線的干預能力[1]。
開發者可以通過MATLAB/Simulink環境調用Xilinx模組來完成模型搭建，
1.2 模型搭建
圖1顯示的是基於System Generator模型匯出的變換器控制框圖，包括模型搭建、模型模擬、控制器匯出和實驗驗證幾大部分。
本文以簡單的Boost升壓電路為例，實現基於System Generator的控制器匯出。設定Boost變換器輸入電壓為12 V，輸出電壓為24 V，開關頻率為40 kHz。
使用Xilinx模組搭建的模擬模型分為主電路和控制電路兩個部分。主電路由電源、電感、電容、負載和開關器件等組成，
在MATLAB-Xilinx模型中，需要將PI控制演算法離散化。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僅涉及到當前週期誤差量與上一週期誤差量，使用起來較為方便，是最常使用的離散PI演算法。但是增量式PI在實現受限於FPGA中的寄存器週期移位賦值，對於Xilinx模組的使用效果不理想。本文選擇位置式離散PI演算法，使用離散狀態下的累加模組來實現連續狀態下的積分功能。累加模組自身帶有限幅的功能，大大減少了Xilinx模組使用量[5]。控制器模型圖如圖2所示。
增量式離散PI演算法：
位置式離散PI演算法：
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表示不同的週期。
2 模擬模型驗證與控制器匯出
2.1 模擬結果對比分析
與Simulink模組搭建的控制器不同，Xilinx模組下的控制器是使用PI離散方程搭建的，其運算於離散時間模式下，因此離散控制器的功能性驗證尤為重要[6]。同時，基於System Generator模型匯出的變換器控制器設計，最終的目的是將模組搭建的控制器轉換成IP核來使用，於是，利用Xilinx模組搭建的控制器的功能能否在FPGA中正常運算是十分重要的部分[7]。
針對上面提出的問題，分別進行了MATLAB-Simulink環境、MATLAB-Xilinx環境和硬體在環聯合環境下的模擬工作，並對模擬結果進行分析：模擬結果幅值方面，3種模擬模式下的輸出結果Udc的幅值是一致的，說明不同方式搭建的控制器模擬模型可以實現同樣的功能；演算法執行環境方面，同樣的模擬結果表明Xilinx模組搭建的控制器演算法可以正常運行於FPGA中；模擬結果穩定情況方面，Simulink模型輸出比Xilinx模型輸出更加穩定，沒有抖動。經過分析得出，Xilinx模型存在抖動的原因，是由於System Generator控制管理的Xilinx模組基於離散模式下的演算法模組，而POWER GUI控制管理下的Simulink模組工作在連續狀態。連續模型與離散模型互相結合工作，導致了輸出結果存在抖動情況。聯合模擬實現的是控制器IP核於FPGA之中執行運算，同樣存在著波動。
2.2 聯合模擬分析
聯合模擬的原理與本文基於System Generator模型匯出的變換器控制設計中心思想一致，重點在於匯出環節。在聯合模擬過程中，將Xilinx模組搭建的控制器匯出成Verilog語言下的集成核，該核在FPGA中完成控制器演算法的運算過程[7-9]。
聯合模擬是Xilinx模組搭建的控制器的最直接的驗證過程，因其在ZedBoard開發板的FPGA環境下實現控制演算法模擬，所以聯合模擬的結果是控制器演算法最真實的體現，是演算法功能性驗證的最好方法。模擬模型如圖3所示。圖4顯示的是聯合模擬集成核，其實現控制演算法運算於FPGA過程中的資料回饋。
2.3 模型匯出
Xilinx模組搭建而成的控制器，通過System Generator匯出成Vivado可以使用的IP核。該IP核僅包括Xilinx模組構成的控制器部分，其由GatewayIN/GatewayOUT來定義埠參數。這些埠參數設定了輸入/輸出資料的類型、位元數等資訊，同時包含了離散模擬步長資訊。GatewayIN/GatewayOUT起到了連接外部資料和Xilinx模組的關鍵作用。匯出環境下System Generator的資訊如圖5所示。從圖中軟體設置資訊可以看出，將Boost變換器的控制系統匯出成IP核的形式，並針對所擁有的FPGA晶片系列選定了相對應的開發板，同時將Verilog語言作為開發設計的硬體描述語言。其他選項設定為預設設置即可。此處設置了合適的匯出物件與匯出環境，是整個設計關鍵的一步。
2.4 Vivado軟體處理
經過System Generator匯出的Boost控制器，作為一個獨立的IP核，可以由Vivado軟體進行使用操作。本文中使用Vivado軟體，搭建Boost變換器資料處理模型，包括主模組（XADC模數轉換模組、資料分離處理模組）和控制模組（IP核），如圖6所示。其中模數轉換使用ZedBoard板卡自帶的模數轉換器，借助XADC將輸入開發板的類比量轉化為數位量。資料分離模組存在是因為由XADC出來的資料是混亂的(開發板輸入n通道的資料，XADC輸出1…n.1…n格式的資料)，其目的在於將XADC轉換出來的資料進行有效分離，以便於後級的運算操作。資料處理模組主要是將數位量進行處理，使其與實際中模擬量的大小相對應，以進行後續的PI控制。
3 實驗驗證
實驗借助了ZedBoard開發板平臺上的高精度AD轉換器，同時在麵包板上搭建的Boost變換器，結合採樣調理板形成一個閉環控制系統進行實驗。
首先是對Boost主電路上的輸出信號進行採樣，該信號經過調理板進行處理。調理板出來的信號輸送到ZedBoard開發板，在開發板上進行模數轉換和進一步資料處理，處理結果經由System Generator匯出控制器IP核之後與三角波進行比較，得到PWM波輸出。PWM波經過驅動電路然後控制Mosfet的導通與關斷。
結合實驗結果圖7，得到表1。從表1中可以看出，Boost變換器在輸入11.5 V～15 V的變化過程中，輸出電壓可以穩定在24.2 V左右。在變載試驗下，輸出電壓略微下降0.3 V。
4 結束語
結合MATLAB/Simulink環境，使用Xilinx公司提供的System Generator模組庫來搭建模擬模型，然後生成Verilog硬體描述語言實現的IP核的控制系統設計方法，使得FPGA設計開發者可以利用Simulink的模擬功能和MATLAB的強大資料分析能力來進行FPGA系統級模擬和行為級分析。相比於以往直接使用Verilog/VHDL語言來進行控制系統的編寫，大大簡化了不同環節之間的相互連接驗證工作，同時提高了功能實現的驗證效率，縮短了設計週期。這種設計上的靈活性，在滿足要求的同時，也便於對細節的修改，使得設計好的模型可以被重複使用，是FPGA設計的新方向。
參考文獻
[1] 何賓.Xilinx FPGA權威設計指南：Vivado 2014整合式開發環境[M].北京：電子工業出版社，2015.
[2] 龐聖釗，皇甫宜耿，郭亮，等.一種採用高頻電流前饋補償的Boost變換器系統穩定方法[J].中國電機工程學報，2016，36(20)：5616-5623.
[3] ABBAS G，FAROOQ U，ASAD M U.Design and FPGA implementation of 1-degree-of-freedom discrete PID controller for power switching converter[C].Industrial Electronics and Applications.IEEE，2012：1070-1074.
[4] KOCUR M，KOZAK S，DVORSCAK B.Design and implementation of FPGA-digital based PID controller[C].Control Conference.IEEE，2014：233-236.
[5] 錢偉康，倪元鴻，謝凱年，等.基於Xilinx System Generator的PID演算法快速硬體實現[J].電子技術應用，2011：37(11)：48-51.
[6] 李寧.基於Xilinx FPGA的機電系統智慧控制器設計及應用[D].濟南：山東大學，2010.
[7] KIDOKORO H，NAKAHARA M.FPGA-based hardware-in-the-loop simulator of high switching frequency power converters[C].International Telecommunications Energy Conference.IEEE，2015：1-6.
[8] SOPHIA A S，BABU A R.Development of FPGA controller based high step-up DC-DC Converter using coupled inductor[C].2016 Second International Conference on Science Technology Engineering and Management.IEEE，2016：377-382.
[9] DUFOUR C，CENSE S，B?魪LANGER J.FPGA-based switched reluctance motor drive and DC-DC converter models for high-bandwidth HIL real-time simulator[C].European Conference on Power Electronics and Applications.IEEE，2013：1-8.
使用起來較為方便，是最常使用的離散PI演算法。但是增量式PI在實現受限於FPGA中的寄存器週期移位賦值，對於Xilinx模組的使用效果不理想。本文選擇位置式離散PI演算法，使用離散狀態下的累加模組來實現連續狀態下的積分功能。累加模組自身帶有限幅的功能，大大減少了Xilinx模組使用量[5]。控制器模型圖如圖2所示。增量式離散PI演算法：
位置式離散PI演算法：
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表示不同的週期。
2 模擬模型驗證與控制器匯出
2.1 模擬結果對比分析
與Simulink模組搭建的控制器不同，Xilinx模組下的控制器是使用PI離散方程搭建的，其運算於離散時間模式下，因此離散控制器的功能性驗證尤為重要[6]。同時，基於System Generator模型匯出的變換器控制器設計，最終的目的是將模組搭建的控制器轉換成IP核來使用，於是，利用Xilinx模組搭建的控制器的功能能否在FPGA中正常運算是十分重要的部分[7]。
針對上面提出的問題，分別進行了MATLAB-Simulink環境、MATLAB-Xilinx環境和硬體在環聯合環境下的模擬工作，並對模擬結果進行分析：模擬結果幅值方面，3種模擬模式下的輸出結果Udc的幅值是一致的，說明不同方式搭建的控制器模擬模型可以實現同樣的功能；演算法執行環境方面，同樣的模擬結果表明Xilinx模組搭建的控制器演算法可以正常運行於FPGA中；模擬結果穩定情況方面，Simulink模型輸出比Xilinx模型輸出更加穩定，沒有抖動。經過分析得出，Xilinx模型存在抖動的原因，是由於System Generator控制管理的Xilinx模組基於離散模式下的演算法模組，而POWER GUI控制管理下的Simulink模組工作在連續狀態。連續模型與離散模型互相結合工作，導致了輸出結果存在抖動情況。聯合模擬實現的是控制器IP核於FPGA之中執行運算，同樣存在著波動。
2.2 聯合模擬分析
聯合模擬的原理與本文基於System Generator模型匯出的變換器控制設計中心思想一致，重點在於匯出環節。在聯合模擬過程中，將Xilinx模組搭建的控制器匯出成Verilog語言下的集成核，該核在FPGA中完成控制器演算法的運算過程[7-9]。
聯合模擬是Xilinx模組搭建的控制器的最直接的驗證過程，因其在ZedBoard開發板的FPGA環境下實現控制演算法模擬，所以聯合模擬的結果是控制器演算法最真實的體現，是演算法功能性驗證的最好方法。模擬模型如圖3所示。圖4顯示的是聯合模擬集成核，其實現控制演算法運算於FPGA過程中的資料回饋。
2.3 模型匯出
Xilinx模組搭建而成的控制器，通過System Generator匯出成Vivado可以使用的IP核。該IP核僅包括Xilinx模組構成的控制器部分，其由GatewayIN/GatewayOUT來定義埠參數。這些埠參數設定了輸入/輸出資料的類型、位元數等資訊，同時包含了離散模擬步長資訊。GatewayIN/GatewayOUT起到了連接外部資料和Xilinx模組的關鍵作用。匯出環境下System Generator的資訊如圖5所示。從圖中軟體設置資訊可以看出，將Boost變換器的控制系統匯出成IP核的形式，並針對所擁有的FPGA晶片系列選定了相對應的開發板，同時將Verilog語言作為開發設計的硬體描述語言。其他選項設定為預設設置即可。此處設置了合適的匯出物件與匯出環境，是整個設計關鍵的一步。
2.4 Vivado軟體處理
經過System Generator匯出的Boost控制器，作為一個獨立的IP核，可以由Vivado軟體進行使用操作。本文中使用Vivado軟體，搭建Boost變換器資料處理模型，包括主模組（XADC模數轉換模組、資料分離處理模組）和控制模組（IP核），如圖6所示。其中模數轉換使用ZedBoard板卡自帶的模數轉換器，借助XADC將輸入開發板的類比量轉化為數位量。資料分離模組存在是因為由XADC出來的資料是混亂的(開發板輸入n通道的資料，XADC輸出1…n.1…n格式的資料)，其目的在於將XADC轉換出來的資料進行有效分離，以便於後級的運算操作。資料處理模組主要是將數位量進行處理，使其與實際中模擬量的大小相對應，以進行後續的PI控制。
3 實驗驗證
實驗借助了ZedBoard開發板平臺上的高精度AD轉換器，同時在麵包板上搭建的Boost變換器，結合採樣調理板形成一個閉環控制系統進行實驗。
首先是對Boost主電路上的輸出信號進行採樣，該信號經過調理板進行處理。調理板出來的信號輸送到ZedBoard開發板，在開發板上進行模數轉換和進一步資料處理，處理結果經由System Generator匯出控制器IP核之後與三角波進行比較，得到PWM波輸出。PWM波經過驅動電路然後控制Mosfet的導通與關斷。
結合實驗結果圖7，得到表1。從表1中可以看出，Boost變換器在輸入11.5 V～15 V的變化過程中，輸出電壓可以穩定在24.2 V左右。在變載試驗下，輸出電壓略微下降0.3 V。
4 結束語
結合MATLAB/Simulink環境，使用Xilinx公司提供的System Generator模組庫來搭建模擬模型，然後生成Verilog硬體描述語言實現的IP核的控制系統設計方法，使得FPGA設計開發者可以利用Simulink的模擬功能和MATLAB的強大資料分析能力來進行FPGA系統級模擬和行為級分析。相比於以往直接使用Verilog/VHDL語言來進行控制系統的編寫，大大簡化了不同環節之間的相互連接驗證工作，同時提高了功能實現的驗證效率，縮短了設計週期。這種設計上的靈活性，在滿足要求的同時，也便於對細節的修改，使得設計好的模型可以被重複使用，是FPGA設計的新方向。
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[9] DUFOUR C，CENSE S，B?魪LANGER J.FPGA-based switched reluctance motor drive and DC-DC converter models for high-bandwidth HIL real-time simulator[C].European Conference on Power Electronics and Applications.IEEE，2013：1-8.