SiC控制器论文和设计-金钊

全文摘要

本实用新型涉及控制器技术领域，公开了一种SiC控制器，采用FPGA和ARM双核的处理系统，包括：FPGA芯片和ARM芯片；FPGA芯片分别与PWM接口、过流保护模块、电机控制采样模块和速度与位置采样模块连接，负责电机控制；ARM芯片分别与通信接口、模拟量输入输出接口、数字量输入输出接口，人机交互模块和状态检测模块连接，负责驱动器功能控制；FPGA芯片与ARM芯片之间通过总线连接通信。本实用新型能够提高控制运算速度，提高电机控制性能，而且使得反馈转速可以快速地跟踪给定。

主设计要求

1.一种SiC控制器，其特征在于，采用FPGA和ARM双核的处理系统，包括：FPGA芯片和ARM芯片；FPGA芯片分别与PWM接口、过流保护模块、电机控制采样模块和速度与位置采样模块连接，负责电机控制；ARM芯片分别与通信接口、模拟量输入输出接口、数字量输入输出接口、人机交互模块和状态检测模块连接，负责驱动器功能控制；FPGA芯片与ARM芯片之间通过总线连接通信。

设计方案

1.一种SiC控制器，其特征在于，采用FPGA和ARM双核的处理系统，包括：FPGA芯片和ARM芯片；

FPGA芯片分别与PWM接口、过流保护模块、电机控制采样模块和速度与位置采样模块连接，负责电机控制；

ARM芯片分别与通信接口、模拟量输入输出接口、数字量输入输出接口、人机交互模块和状态检测模块连接，负责驱动器功能控制；

FPGA芯片与ARM芯片之间通过总线连接通信。

2.根据权利要求1所述的SiC控制器，其特征在于，通过所述电机控制采样模块实现电机控制采样。

3.根据权利要求2所述的SiC控制器，其特征在于，所述电机控制采样包括电流采样和电压采样，并以电流采样为主。

4.根据权利要求1所述的SiC控制器，其特征在于，所述电机控制采样模块采用隔离Σ-Δ调制器可将模拟输入信号转换为高速、单个位数据流，在FPGA芯片内部对数字信号进行处理。

5.根据权利要求1所述的SiC控制器，其特征在于，所述FPGA芯片与ARM芯片之间通过地址总线和数据总线连接并口通信。

6.根据权利要求5所述的SiC控制器，其特征在于，在设计总线接口模块时，将FPGA芯片作为ARM芯片外部的静态扩展存储器，ARM通过总线对FPGA进行初始化配置以及外部设备的地址映像配置，实现FPGA芯片与ARM芯片之间高速准确的数据交换。

7.一种SiC控制器，其特征在于，采用FPGA和ARM双核的处理系统，包括：FPGA芯片和ARM芯片；

FPGA芯片分别与PWM接口、过流保护模块和速度与位置采样模块连接，负责电机控制；

ARM芯片分别与通信接口、模拟量输入输出接口、数字量输入输出接口、人机交互模块、状态检测模块和电机控制采样模块连接，负责驱动器功能控制；

FPGA芯片与ARM芯片之间通过总线连接通信。

8.一种SiC控制器，其特征在于，采用FPGA和ARM双核的处理系统，包括：FPGA芯片和ARM芯片；

FPGA芯片分别与PWM接口、过流保护模块、电机控制采样模块、速度与位置采样模块连接、数字量输入输出接口连接；

ARM芯片分别与通信接口、模拟量输入输出接口、人机交互模块和状态检测模块连接，负责驱动器功能控制和人机交互；

FPGA芯片与ARM芯片之间通过总线连接通信。

设计说明书

技术领域

本实用新型实施方式涉及控制器技术领域，尤其涉及一种SiC(碳化硅)控制器。

背景技术

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，是由BJT(Bipolar Junction Transistor，双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点，是能源变换与传输的核心器件。

SiC功率器件具有其高转换效率、高功率密度、高温稳定性、低功率损耗等特性。现在以SiC为代表的新型功率器件具有更高的开关速度，同时很多行业中对变频器的控制精度有了更高的要求，SiC在变频器领域应用有了很大的发展，在部分领域已经取代IGBT作为功率开关管。

发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

1.传统IGBT变频器采用单ARM的控制方法，使得变频器控制运算速度低，越来越难以满足SiC对高开关频率的控制需求；

2.现有控制器因为运算速度低，其电机控制性能无法完全发挥SiC的高开关速率的优势，导致电机控制性能不足。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本实用新型的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

实用新型内容

本实用新型实施方式的目的在于提供了一种SiC控制器，该SiC控制器基于FPGA(Field －Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)和ARM(Advanced RISCMachine，精简指令集机器)双核的处理系统，能够提高控制运算速度，提高电机控制性能，而且使得反馈转速和位置可以快速地跟踪给定。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式提供了一种SiC控制器，包括：FPGA芯片和ARM芯片；FPGA芯片分别与PWM接口、过流保护模块、电机控制采样模块和速度与位置采样模块连接，负责电机控制；ARM芯片分别与通信接口、模拟量输入输出接口、数字量输入输出接口，人机交互模块和状态检测模块连接，负责驱动器功能控制；FPGA芯片与 ARM芯片之间通过地址总线和数据总线连接并口通信。

本实用新型的实施方式还提供了一种SiC控制器，包括：FPGA芯片和ARM芯片；FPGA芯片分别与PWM接口、过流保护模块和速度与位置采样模块连接，负责电机控制；ARM芯片分别与通信接口、模拟量输入输出接口、数字量输入输出接口，人机交互模块、状态检测模块和电机控制采样模块连接，负责驱动器功能控制；FPGA芯片与ARM芯片之间通过地址总线和数据总线连接并口通信。

本实用新型的实施方式再提供了一种SiC控制器，包括：FPGA芯片和ARM芯片；FPGA芯片分别与PWM接口、过流保护模块、电机控制采样模块、速度与位置采样模块连接、数字量输入输出接口连接；ARM芯片分别与通信接口、模拟量输入输出接口、人机交互模块和状态检测模块连接，负责驱动器功能控制和人机交互；FPGA芯片与ARM芯片之间通过地址总线和数据总线连接并口通信。

本实用新型的实施方式采用FPGA主要负责处理电流环、电机控制采样、速度环、编码器采样、生成占空比等任务，ARM芯片主要负责处理监测，非电机控制的采样、保护以及与上位机通信等任务，基于FPGA和ARM双核的处理系统，利用FPGA硬件设计的灵活性，采用并行算法可以大大提高电流采样频率和计算速度，扩展电流环带宽，进一步提高了被控对象的控制性能。此外，通过FPGA与ARM之间高速可靠的总线通讯接口的设计，能够实现FPGA与ARM之间高速可靠的数据交换，从而完成多核控制器的协同工作。

附图说明

一个或多个实施方式通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施方式的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本实用新型提供的SiC控制器的第一实施方式示意图；

图2是本实用新型提供的SiC控制器的第二实施方式示意图；

图3是本实用新型提供的SiC控制器的第三实施方式示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本实用新型各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

第一实施方式

如图1所示，本实用新型提供的SiC控制器，采用FPGA和ARM双核的处理系统，包括：FPGA芯片和ARM芯片，其中，FPGA芯片是可编程器件，内部包括可配置逻辑模块 CLB(Configurable Logic Block)、输入输出模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)。利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I\/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到 I\/O模块。此外，FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I\/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能。ARM芯片基本构架包括微处理器，微处理器是整颗芯片的控制中心，会运行一个实时嵌入式操作系统，微处理器可以是64位或者32位。

在本实施方式中，FPGA芯片分别和PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)接口、过流保护模块、电机控制采样模块和速度与位置采样模块连接，负责电机控制功能，包括电机控制采样、电流保护、电流闭环控制、SVPWM、PWM封波、速度采样、速度闭环等的控制。

其中，电机控制采样模块采用隔离Σ-Δ调制器可将模拟输入信号转换为高速、单个位数据流，在FPGA内部对数字信号进行处理。

电机控制采样包括电流采样和电压采样，在电机控制中以电流采样为主。

在本实施方式中，ARM芯片分别和通信接口、模拟量输入输出接口、数字量输入输出接口，人机交互模块和状态检测模块连接，负责驱动器功能控制，包括与上位机通讯、通过模拟量输入输出、数字量输入输出和人机交互实现变频器的运行状态的检测和保护机制等的控制。

FPGA芯片与ARM芯片之间通过地址总线和数据总线连接并口通信。FPGA芯片看成是ARM芯片外部的一个静态的扩展存储器，从而实现了FPGA芯片与ARM芯片之间高速准确的数据交换。

第二实施方式

如图2所示，本实用新型提供的SiC控制器，采用FPGA和ARM双核的处理系统，包括：FPGA芯片和ARM芯片。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：电压采样在ARM芯片中实现。

在第二实施方式中，FPGA芯片分别和PWM接口、过流保护模块和速度与位置采样模块连接，负责电机控制功能，包括电流保护、电流闭环控制、SVPWM、PWM封波、速度采样、速度闭环控制等。

ARM芯片分别和通信接口、模拟量输入输出接口、数字量输入输出接口，人机交互模块、状态检测模块和电机控制采样模块连接，负责驱动器功能控制，包括电机控制采样、变频器的运行状态的检测和保护机制的控制，同时兼顾上位机的通讯等。

第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。

第三实施方式

如图3所示，本实用新型提供的SiC控制器，采用FPGA和ARM双核的处理系统，包括：FPGA芯片和ARM芯片。第三实施方式与第一实施方式也大致相同，主要区别之处在于：数字量输入输出，人机交互，状态监测部分功能在FPGA芯片中实现。

在第三实施方式中，FPGA芯片分别和PWM接口、过流保护模块、电机控制采样模块、速度与位置采样模块连接、数字量输入输出接口连接，负责电机控制功能，包括电流保护、电流闭环控制、SVPWM、PWM封波、速度采样、速度闭环控制、数字量输入输出等。

ARM芯片分别和通信接口、模拟量输入输出接口、人机交互模块和状态检测模块连接，负责驱动器功能控制，包括模拟量输入输出以及和上位机的通讯和人机交互等。

第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。

此外，各实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本实用新型的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本实用新型所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本实用新型的具体实施方式，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。

设计图

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