如何利用FPGA实现优异的家用电器设计 双速电机, 保护环境, 烘干机, 洗衣机, 洗碗机

yuchengze

　电能的高效率应用能够使家用电器成本降低并保护环境。绝大多数的家用电器，如电冰箱、洗衣机、烘干机、洗碗机以及空调，都是由电机驱动的。这些设备通常包括了电源、电机、电机控制电路和机械系统。我们可以采用多种方法来改善系统效率。包括：　　1. 维持电压恒定；
　　2. 尽量减少相位不平衡；
　　3. 维持功率因数恒定；
　　4. 保持良好的电源质量；
　　5. 采用可调式速度驱动或双速电机；
　　6. 控制好温度；
　　7. 匹配电机运行速度。
　　利用数字电路或FPGA控制模拟电机电路将使系统成本和功耗大大降低。采用FPGA除了可以节能之外，还能够将嵌入式数字信号处理(DSP)、微控制器、I/O接口等功能整合到一起，从而实现完整的家电设计。
　　脉冲宽度调制
　　用数字方式控制模拟电机电路的一种典型方法是采用脉冲宽度调制(PWM)。此时方波的时间周期是恒定的，而接通时间(TON)即信号保持高电平的时间可以被改变或调制。因此，信号的占空比或平均直流电平是变化的。借助于数字系统的支持，PWM已经成为控制模拟电路的一种极好方式。图1就是数字脉冲的接通
时间改变的例子。
　　应用实例包括电压调整，即通过改变占空比将输出电压控制到所要求的电平。另一个例子是功率发送，这时的平均发送功率是调制占空比的函数。 PWM的实现取决于具体的使用方法，对于简单的电压调整，可以使用CPLD(例如Altera MAX II)实现，而对于需要利用内部DSP模块的复杂控制算法，可以使用低成本的FPGA(例如Altera Cyclone III)实现。
　　图3则是一个驱动模拟电机接口电路的调制输出。UP和DOWN输入信号被用来调整输出信号的占空比，它们可以由微控制器产生。第一个模块利用所有MAX II器件中都有的UFM振荡器来产生两个频率不同的时钟。来自该模块的4位输出信号DUTY_CYCLE的增加或降低取决于UP或DOWN信号的证实。第二个4位输出信号COUNT以第一个模块中产生的较高时钟频率连续增加。该信号与第二个模块中相同频率的DUTY_CYCLE信号进行比较。比较的结果是分配到最终输出信号PWM的单个位。信号DUTY_CYCLE是一个4位的变量，因此输出信号的占空比具有16个不同的取值。在本设计实现中，输入UP的优先级要高于DOWN。因此，如果两个信号同时为高电平，输出信号将被视作占空比的增加。
　　
图1：PWM波形示例。
　　
图3：电机模拟驱动电路。
　　DSP电机控制
　　Cyclone III FPGAs中的嵌入式DSP功能块(如图4所示)为设计更复杂和效率更高的电机控制系统提供了关键要素。基于FPGA的DSP芯片使得大型家电制造商能够降低研发时间和成本，并且在未来升级时不需要重新布板。FPGA所提供的可重配置解决方案可用来实现DSP应用以及满足高DSP吞吐率的需求。由于 FPGA可以实现硬件重配置，因而能实现完整的硬件定制并实现复杂的电机控制DSP功能。因此，由FPGA实现的DSP系统可以具有定制的架构、定制的总线结构、定制的存储器、定制的硬件加速器模块和各种大量的乘法-累加(MAC)块。
　　
图4：FPGA中的嵌入式DSP块。
　　为了使交流电机的运行效率更高，内部永久磁铁的位置与施加的交流电压频率同步至关重要。可以使用传感器来检测磁转子的位置，并以此调节电压的频率。该方法类似于伺服控制锁相环(PLL)系统，只不过这里采用DSP来实现这一任务。
　　
图5：典型的应用方框图。
　　新一代的家电将需要更复杂的电路来监控电机和整个系统的运行状况。使用FPGA中DSP功能的先进控制算法设计将能够实现比特殊应用标准产品(ASSP)或特殊应用集成电路(ASIC)更灵活的系统。由于FPGA可以编程，因此可以根据市场需求的变化修改或加入新功能。如果加入一个以太网 IP核，FPGA还能够通过IP网络与外界进行通讯，从而允许系统安排好系统发生故障之前的维护和服务工作，并实现用户家庭网络的无线通信。