基于FPGA的UPFC控制器IP设计

0 引言
统一潮流控制器(Unified Power Flow Con-troller，简称UPFC)是一种可以较大范围地控制电流使之按指定路经流动的设备，它可在保证输电线输送容量接近热稳定极限的同时又不至于过负荷。控制系统是UPFC的核心部分，它的主要功能是监测交流电网的传输和控制输出逆变波形，不但能使输出波形的频率跟定电网频率，而且可对输出波形的幅值和相位进行调节。

随着微电子技术的不断发展，各种新器件和新的设计方法不断出现，使得UPFC的控制系统设计也在不断发展。近年来，随着IC集成度的不断提高而出现的现场可编程逻辑阵列(FieldProgrammable Gate Array，简称FPGA)就是由可编程逻辑器件PLD(Programmable Logic Device)发展而来的新型器件，FPGA不但可以用于单个控制器件，而且可以用于整个系统。因而又诞生了一种新的系统设计方法——片上可编程系统SOPC(System on a Programmer Chip)。这是一种基于IP核(Intellectual Property core)的新系统。它既具有软件的灵活性，又同时具有硬件的处理速度，更重要的是，它可以和微处理器软核等IP核构成整个系统，还可以根据需要对该系统进行重新设计，从而提高系统的灵活性、可靠性，以及抗干扰能力。本文利用Altera公司的Quartus开发工具设计了一个基于Avalon总线接口的UPFC控制器IP核，以便于和NiosII组成一个完整的控制系统。

1 UPFC控制器IP的主要功能

UPFC控制器的IP主要用来输出3路相位分别相差2π／3的正弦波形数据和3路相位分别相差2π／3的三角载波波形数据。由于UPFC控制系统采用SPWM调制技术，所以要求UPFC控制器IP输出的正弦波频率应跟电网频率保持一致，输出的正弦波幅值和相位可以根据需要进行调节；而输出的三角载波频率、幅值和相位则保持不变。

UPFC控制器IP核主要基于Avalon总线接口，其结构如图1所示。它有7种输入信号和2组输出信号。其中输入信号分别为时钟信号clk、低有效复位信号reset_n、地址信号address、高有效写信号write、32位的数据信号writedata[31..0]、同步信号load、激励信号multi_freq等；输出信号主要是三路相位分别相差2π／3的正弦波(sin_a，sin_b，sin_c)和1路三角载波(tri_out)。

2 IP核结构

UPFC控制器的IP核主要由以下6个模块构成：设置正弦波幅值和相位模块，正弦波寻址模块，正弦波数据查找模块，正弦幅值计算模块，三角波寻址模块和三角波数据查找模块。图2是利用uartus工具对其进行综合后的RTL整体结构图。

由于正弦波和三角波都是通过查找预先存储在ROM表中的数据来实现相应的波形；唯一不同的是正弦波的频率跟电网频率保持一致，幅值和相位可以根据需要进行调节，而三角载波的频率、幅值和相位保持不变。鉴于实现三角波形相对简单。下面主要阐述正弦波寻址模块、正弦波数据查找模块和正弦幅值计算模块的实现方法。

2.1 正弦波幅值和相位模块

UPFC控制器IP核含有相位寄存器、幅值寄存器以及3个相位偏移参数。其中相位寄存器主要用于保存设置的初始相位值，它的实际变化范围为0～719。幅值寄存器则用于保存设置幅值相对于存储波形幅值的变化量，它的变化范围为0～64。相位偏移参数是指某一路正弦波在初始相位为0时，相对标准正弦波的相位偏移量，流量通常是个常量，分别为0、2π／3、4π／3。

2.2 正弦波寻址模块

要使输出的正弦波的频率跟电网频率fe保持一致，可通过锁相环PLL把电网频率fe倍频720倍后作为正弦波输出的激励信号feq。虽然Altera的Cyclone系列也带有PLL，但是它的PLL功能非常有限。由于它只能对固定频率信号进行一定的倍频，而不能对变化的频率信号在一定范围内任意倍频。所以必须用模拟锁相环PLL把电网频率fe倍频后作为UPFC控制器IP核的multi_freq输入信号。当电网频率fe的第一个上升沿到来时，load为高电平，此后UPFC控制器IP核开始计算正弦波的地址。正弦波的地址等于电网频率fe个数的累加值与相位寄存器、相位偏移参数之和。下面为其实现的伪代码：

2.3 正弦波数据查找模块

正弦波数据查找模块由正弦信号发生器和正弦数据存储器ROM构成。构成ROM的初始化数据文件有两种格式：Memory Initialization File(.mif)和Hexadecimal (Intel-Formal)File (.hex)，应用时可选其中任意一种。但设计之前必须考虑所用FPGA片上ROM的大小，同时也要考虑输出数据的分辨率。因为UPFC控制器IP核的地址变化范围为0～719，输出的波形数据是16位，所以正弦数据ROM应由720个16位数据构成。

为了输出数据的分辨率，同时也为了能使正弦波的幅值得到调整，必须预先存储一组合适的正弦波形数据。选取的正弦波形函数为：
f(x)=1023×[sin(πx／360)+1]／2

正弦波的数值可在0～1023中变化。在设计正弦信号发生器时，可以利用Quartus提供的MegaWizard。Plug -In Manage工具提供的LPM_ROM来定制正弦信号数据ROM宏功能块，然后将其在上层文件中实例化。