全數(shù)字三相晶閘管觸發(fā)器IP軟核設(shè)計(jì)

IP(Intellectual Property)就是常說的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。美國(guó)Dataquest咨詢公司將半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的IP定義為用于ASIC、ASSP和PLD等當(dāng)中，并且是預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路模塊。IP核模塊有行為(Behavior)、結(jié)構(gòu)(Structure)和物理(Physical)三級(jí)不同程度的設(shè)計(jì)。根據(jù)描述功能行為的不同，IP核分為三類，即軟核(Soft IP Core)、完成結(jié)構(gòu)描述的固核(Firm IP Core)和基于物理描述并經(jīng)過工藝驗(yàn)證的硬核(Hard IP Core)。IP軟核通常是用HDL文本形式提交給用戶，它經(jīng)過RTL級(jí)設(shè)計(jì)優(yōu)化和功能驗(yàn)證，但其中不含有任何具體的物理信息。據(jù)此，用戶可以綜合出正確的門電路級(jí)設(shè)計(jì)網(wǎng)表，并可以進(jìn)行后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有很大的靈活性；借助于EDA綜合工具可以很容易地與其他外部邏輯電路合成一體，根據(jù)各種不同半導(dǎo)體工藝，設(shè)計(jì)成具有不同性能的器件。本文利用先進(jìn)的EDA軟件，用VHDL硬件描述語言采用自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)方法，完成了具有相序自適應(yīng)功能的雙脈沖數(shù)字移相觸發(fā)器的IP軟核設(shè)計(jì)。

1 三相全控橋整流電路

如圖1所示，三相全控橋整流電路由6只晶閘管組成。共陰極組側(cè)和共陽級(jí)組側(cè)的各3只晶閘管相互換流，在電源的一個(gè)周期內(nèi)獲得6次換流的脈動(dòng)波形。三相全控橋整流電路在任何時(shí)刻必須保證有兩個(gè)不同組別的晶閘管同時(shí)導(dǎo)通才能構(gòu)成回路。換流只在本組內(nèi)進(jìn)行，每隔120°換流一次。由于共陰級(jí)組與共陽級(jí)組的換流點(diǎn)相隔60°，所以每隔60°有一個(gè)元件換流。同組內(nèi)各晶閘管的觸發(fā)脈沖相位差為120°，接在同一相的兩個(gè)元件的觸發(fā)脈沖相位差為180°，而相鄰兩脈沖的相位差是60°。

2 IP軟核設(shè)計(jì)

2.1 觸發(fā)脈沖輸出設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)的觸發(fā)脈沖移相是以三相的自然換相點(diǎn)為基準(zhǔn)的，三相電源U、V、W輸入經(jīng)過兩兩相減并整流以后得到周期為20 ms、相位差為120°的三路方波A、B、C(如圖2所示)，作為頂層模塊的同步輸入。分析觸發(fā)脈沖可以發(fā)現(xiàn)，不管移相觸發(fā)角為多少，以A相的過零點(diǎn)作為同步點(diǎn)，則從同步點(diǎn)開始的一個(gè)周期360°內(nèi)，必然產(chǎn)生6次輸出脈沖。本設(shè)計(jì)采用雙窄脈沖，每次有兩路輸出。6個(gè)晶閘管的觸發(fā)分別由A、B、C的正、負(fù)電平周期內(nèi)進(jìn)行延時(shí)。例如：A的正電平周期內(nèi)，以A的上升沿為起始點(diǎn)，經(jīng)過由移相角決定的延時(shí)后，發(fā)出VT1的觸發(fā)脈沖；在雙窄脈沖應(yīng)用中，同時(shí)發(fā)出VT6的觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖時(shí)序圖如圖3所示。

可以實(shí)現(xiàn)從自然換相點(diǎn)開始0°～180°的延時(shí)，設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)單直觀，而通常設(shè)計(jì)則須區(qū)分不同的移相范圍。在外部輸入6 MHz的時(shí)鐘時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)精度為0.003°的移相，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)相序自適應(yīng)。

2.2 IP軟核設(shè)計(jì)思路

采用層次化的設(shè)計(jì)思想，將模塊分為頂層模塊和子模塊，各模塊均使用VHDL五言進(jìn)行設(shè)計(jì)。頂層模塊(Trigger)決定整個(gè)設(shè)計(jì)的輸入／輸出接口和各個(gè)子模塊的連接關(guān)系。設(shè)計(jì)思路為：移相角的輸入由并行的16位數(shù)據(jù)線輸入，并保存在移相角寄存器中；A、B、C二相輸入作為移相觸發(fā)輸出的基準(zhǔn)，根據(jù)移相角寄存器中的延時(shí)值對(duì)相應(yīng)晶閘管的觸發(fā)脈沖進(jìn)行延時(shí)；觸發(fā)脈沖由VT1～VT6輸出，CLK是時(shí)鐘輸入，SOUT是周期為3.3 ms的同步輸出。共有4個(gè)子模塊s_pulse、ph_adp、delaycr和word。

s_pulse模塊將A、B、C三相輸入通過D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，由TAF_EN信號(hào)輸入作為移相角的更新使能。當(dāng)TAF_EN為1時(shí)，用并行的16位數(shù)據(jù)口 D0～D15的數(shù)據(jù)更新移相角寄存器中的數(shù)值。

ph_adp模塊根據(jù)A、B、C三相輸入完成相序的判斷。相序的判斷基于以下算法：當(dāng)A相(U-V)的上升沿到來時(shí)，如果A、B、C三相輸入的電平為101，則為正相序(U、V、W)輸入；如果A、B、C三相輸入的電平為110，則為負(fù)相序(U、W、V)輸入。模塊輸出信號(hào)ps、ns分別作為正、負(fù)相序的標(biāo)志。

delayer模塊產(chǎn)生寬度為0.8 ms的觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖的產(chǎn)牛分別以三相輸入的上升、下降沿為基準(zhǔn)，根據(jù)移相角寄存器中的值，由CLK觸發(fā)的計(jì)數(shù)器完成6個(gè)觸發(fā)脈沖的延時(shí)。例如：以同步輸人A相的上升沿為基準(zhǔn)，由CLK觸發(fā)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到移相角寄存器中的值后，送出一個(gè)寬度為0.8 ms的觸發(fā)脈沖VT1；三相輸入的上升、下降沿分別采用各自的計(jì)數(shù)器。

word模塊完成觸發(fā)脈沖的調(diào)制。調(diào)制頻率為10kHz，使得每個(gè)觸發(fā)脈沖內(nèi)有8個(gè)子脈沖，通過脈沖變壓器對(duì)6個(gè)晶閘管的門極控制，并根據(jù)相序標(biāo)志ps、ns以正確的順序送出觸發(fā)脈沖。 正相序時(shí)的觸發(fā)脈沖順序?yàn)椋篤T1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1。

負(fù)相序時(shí)的觸發(fā)脈沖順序?yàn)椋篤T6→VT5→VT4→VT3→VT2→VT1→VT6。

2.3 IP軟核設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中，IP軟核由VHDL語言編寫實(shí)現(xiàn)，使用Synplicity公司的synplify Pro完成編譯和綜合。綜合以后的RTL級(jí)系統(tǒng)框圖如圖4所示。

可以根據(jù)具體系統(tǒng)所用的不同器件進(jìn)行綜合，再使用不同器件廠商的布局布線工具產(chǎn)生編程文件，然后下載到具體器件中，就完成了該IP軟核的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。

3 IP軟核的仿真及驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該TP軟核的邏輯功能，需要對(duì)其進(jìn)行功能仿真。編寫testbench，在仿真軟件ModelSim中對(duì)頂層模塊進(jìn)行功能模塊。使用testbench可以對(duì)所設(shè)計(jì)的功能模塊進(jìn)行靈活的仿真，以檢驗(yàn)IP軟核在正、負(fù)相序輸入以及各種移相角時(shí)的輸出是否正確。圖5和圖6分別為正、負(fù)相序輸入時(shí)移相角為120°的仿真波形。

由仿真結(jié)果可以看出，該IP核的邏輯功能正確。用QUARTUS II進(jìn)行編譯后，下載到Altera公司的新一代CPLD MAXII系列的EPMl270中，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的移相以及相序自適應(yīng)。

4 結(jié) 論

按照IP軟核的設(shè)計(jì)流程，完成了全數(shù)字三相晶閘管移相觸發(fā)器的設(shè)計(jì)。該方法解決了不同移相范圍觸發(fā)脈沖輸出的問題，并實(shí)現(xiàn)了相序自適應(yīng)，為三相晶閘管移相觸發(fā)電路的應(yīng)用提供了有效的可復(fù)用設(shè)計(jì)手段，使得整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化。該IP軟核的設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于基于TMS320LF2407A的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。