我們的目的不是討論控制理論，而是提供第一手詳細信息，介紹開發(fā)團隊所采取的控制硬件和軟件開發(fā)的有益方法，幫助加快固件開發(fā)和驗證過程。這些信息既適用于ARM控制器上的狀態(tài)機，也適用于FPGA上的主控制算法，我們稍后會詳細介紹。

同時，此處描述的特定開發(fā)過程可確保最大限度地減少錯誤，并能及早發(fā)現(xiàn)錯誤，甚至可在提供或設(shè)計原型硬件之前。在以下章節(jié)中，我們將介紹實現(xiàn)這種方法的步驟和工具(MathWorks和Xilinx)、功率因數(shù)校正(PFC)的狀態(tài)機和算法模塊，以及DAB轉(zhuǎn)換器的主算法模塊。

控制策略的開發(fā)過程

PFC控制軟件的總體架構(gòu)如圖2所示。該設(shè)計的核心是Xilinx的Zynq 7000 SoC，它包含ARM內(nèi)核和FPGA內(nèi)核。Zynq 7000安裝在通用控制器板(UCB)上，該板還包含外設(shè)、ADC、多個存儲器板以及SoC和其他元件所需的電源樹。[5]

首先，ARM內(nèi)核運行狀態(tài)機(固件中的高級例程)以及其他輔助任務(wù)，包括通信協(xié)議、保護功能等。其次，F(xiàn)PGA充當主控制算法的提供者，運行驅(qū)動轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路，根據(jù)需要處理電源，實現(xiàn)AC-DC轉(zhuǎn)換、PFC并將電壓升壓至所需的直流鏈路電平。因此，F(xiàn)PGA上的“主算法”是狀態(tài)機一個特定狀態(tài)，可稱之為穩(wěn)態(tài)。DAB轉(zhuǎn)換器在ARM內(nèi)核和FPGA之間采用相同的任務(wù)分配方式。

圖2.25 kW PFC轉(zhuǎn)換器控制架構(gòu)概覽。任務(wù)在UCB上的XilinxZynq 7000的FPGA和ARM MCU之間的分配示意圖。DAB轉(zhuǎn)換器的控制架構(gòu)概覽與此相同。

利用基于模型的測試來揭示控制系統(tǒng)中的錯誤

圖3說明了在整個項目開發(fā)鏈中出現(xiàn)錯誤和檢測到錯誤的典型分布情況?？梢钥吹剑蠖鄶?shù)錯誤是在初期的制定規(guī)格和設(shè)計階段引入的;但是，它們大多直到測試后期才被發(fā)現(xiàn)。

圖3.引入的錯誤與檢測到的錯誤。(資料來源：CliveMaxfield和KuhooGoyal的著作，《EDA：電子學(xué)的起點》。)

為了解決圖3中呈現(xiàn)的現(xiàn)象，我們采用了一個開發(fā)過程，其目的是在開發(fā)的早期階段檢測到大部分這些錯誤。如果實施得當，從項目資源和時間表的角度來看，這種方法會帶來一些優(yōu)勢，包括：

● 最大限度地降低額外所需硬件迭代的風險。

● 在硬件準備就緒之前，可在很大程度上優(yōu)化控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換器性能。

● 加速硬件評估階段，最大限度地減少必需對硬件進行的調(diào)整。在原型板生產(chǎn)期間，已經(jīng)執(zhí)行了大量工作。

為此，安森美(onsemi)固件和控制工程師采取基于模型的測試方法，該方法充分利用了MATLAB工具和生態(tài)系統(tǒng)[6]。該方法的成功實施取決于四大關(guān)鍵支柱，開發(fā)人員需要解決以下問題：

● 代表性模型，需確保在可行仿真時間內(nèi)，(找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城)仿真系統(tǒng)響應(yīng)與實際系統(tǒng)響應(yīng)高度匹配。對于PFC電源仿真，在模型精度和仿真時間之間采取了如第三部分所述的類似折衷。

● 在我們的仿真過程和仿真模型中編譯和驗證我們的固件C代碼(狀態(tài)機)。因此，驗證發(fā)生在仿真階段，而不是硬件評估階段。

● FPGAIP內(nèi)核可從經(jīng)過驗證的模型中自動合成生成。這消除了手動編碼錯誤，并支持高級優(yōu)化以最小化FPGA內(nèi)核面積，同時滿足時序約束。

為了加速這些特性的實現(xiàn)，我們充分利用了以下工具的優(yōu)點(如表1所示)。

表1：安森美工程團隊使用的開發(fā)和仿真工具，用于開發(fā)、仿真、部署和測試25 kW快速直流電動汽車充電樁設(shè)計的固件。

一步一個腳印。如何開發(fā)仿真模型?

圖4描繪了固件開發(fā)和執(zhí)行過程的簡化流程圖，按表2中總結(jié)的三個主要階段進行劃分。在本文中，只深入討論仿真模型開發(fā)，這是最重要的一個階段。

圖4.25 kW快速直流充電樁固件開發(fā)流程圖。

表2：固件開發(fā)過程的各個階段。

仿真模型開發(fā)階段包括開發(fā)用于驗證系統(tǒng)控制算法的仿真模型(或仿真模塊)。本項目中包含的最重要的模塊是：

● 將在ARM內(nèi)核上運行的C代碼(狀態(tài)機)，通過S函數(shù)塊導(dǎo)入以用于仿真

● 轉(zhuǎn)換器的控制算法(控制環(huán)路)

● 電源轉(zhuǎn)換器，用于對硬件進行建模

● 硬件接口，用于對硬件中的ADC電路進行建模

● 設(shè)備模塊、用于PFC的交流設(shè)備和用于DAB的直流設(shè)備。

在此開發(fā)階段，我們使用“輕”模型(不含改進細節(jié)的代表性模型)，這使我們能夠在各種條件(電網(wǎng)阻抗、電流命令——取決于輸出功率水平的變化——以及其他條件)下運行多種情況/場景，驗證控制器對許多不同場景的響應(yīng)。因此，在此階段應(yīng)避免使用開關(guān)模型，因為這些模型包含非常多的細節(jié)，運行模型需要花費大量時間——我們在本系列文章第三部分的電源仿真中對此已經(jīng)有所了解。

我們使用平均開關(guān)等效模型[7]作為替代方案，該模型允許使用FPGAIP內(nèi)核構(gòu)建仿真模塊。同時，我們保留了硬件的所有重要/有影響的特性，以確保仿真的完整性，例如轉(zhuǎn)換器壓降效應(yīng)、噪聲測量、PWM傳輸和模數(shù)延遲等。

使用MATLAB生成IP的步驟

本章節(jié)進入到詳情部分，將介紹實現(xiàn)特定仿真模型的關(guān)鍵步驟以及如何充分利用MATLAB環(huán)境所提供的功能。圖5顯示了具有表1中介紹的元件的通用電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的簡化表示。

圖5.通用電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的簡化表示(并非特指25 kW直流充電樁)。

“電源轉(zhuǎn)換器”是模型的核心元件(我們的硬件代表)，“控制器”是相關(guān)的主算法模塊，也是我們正在開發(fā)和評估的算法模塊。最終，通過使用MATLAB仿真生態(tài)系統(tǒng)提供的自動化工具，該算法模塊將轉(zhuǎn)換成FPGAIP內(nèi)核本身。

我們的團隊在模型開發(fā)階段使用了一系列的六個步驟，貫穿至最終的IP生成。這些步驟的概覽參見圖6中的簡化流程圖，其簡要說明如下文所示。

●-步驟1：我們采用雙精度浮點開發(fā)模型，而電源轉(zhuǎn)換器則使用平均模型。如上一章節(jié)所述，在此階段，開發(fā)的模型起著重要作用，既要盡可能輕以允許合理的仿真運行時間，又要足夠準確以反映系統(tǒng)的實際行為。

●-步驟2：我們使用MATLAB提供的自動化工具來生成系統(tǒng)的定點等效模型。此任務(wù)采用的工具是MATLABFixedPointDesigner。

●-步驟3：將雙精度變換為定點精度后，運行一次驗證仿真，以確保定點轉(zhuǎn)換不會影響系統(tǒng)的工作行為。

●-步驟4：驗證后，加入要在UCB控制器的ARM內(nèi)核中運行的狀態(tài)機。允許在Simulink模型中模擬手寫C代碼的工具是S函數(shù)。此時，我們應(yīng)該能夠在合理的仿真運行時間內(nèi)針對多種情況和各種條件測試控制器。在這個過程中，可能會發(fā)生各種重要的子任務(wù)。例如，比例積分控制器增益的驗證、控制器負載階躍響應(yīng)的評估、狀態(tài)機的過電流反應(yīng)以及錯誤處理等。

●-步驟5：在生成FPGAIP內(nèi)核之前，我們強烈建議針對選定的情況/場景運行一些仿真，將轉(zhuǎn)換器的平均模型替換為開關(guān)模型。這個過程相當耗時，應(yīng)對極少數(shù)的仿真情況進行重復(fù)。然而，重要的是要確保控制器免受轉(zhuǎn)換器開關(guān)行為所引入的非線性的影響。

●-步驟6：對所開發(fā)的算法有足夠的信心后，我們現(xiàn)在可以使用自動化工具生成FPGAIP內(nèi)核。這個過程顯著減少了編程錯誤，實現(xiàn)了面積優(yōu)化的可合成式RTL，并且滿足時序約束。

圖6.仿真模型開發(fā)階段的六步驟流程圖。為了便于表示，該流程圖中省略了圖5中的“外設(shè)”模塊。它所在的位置以及與其他模塊的連接與圖5中的相同。

審核編輯：湯梓紅