利用FPGA實現優異的家用電器設計

作者：時間：2011-07-28 來源：網絡

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電能的高效率應用能夠使家用電器成本降低并保護環境。絕大多數的家用電器，如電冰箱、洗衣機、烘干機、洗碗機以及空調，都是由電機驅動的。這些設備通常包括了電源、電機、電機控制電路和機械系統。我們可以采用多種方法來改善系統效率。包括：

1. 維持電壓恒定；

2. 盡量減少相位不平衡；

3. 維持功率因數恒定；

4. 保持良好的電源質量；

5. 采用可調式速度驅動或雙速電機；

6. 控制好溫度；

7. 匹配電機運行速度。

利用數字電路或FPGA控制模擬電機電路將使系統成本和功耗大大降低。采用FPGA除了可以節能之外，還能夠將嵌入式數字信號處理(DSP)、微控制器、I/O接口等功能整合到一起，從而實現完整的家電設計。

脈沖寬度調制

用數字方式控制模擬電機電路的一種典型方法是采用脈沖寬度調制(PWM)。此時方波的時間周期是恒定的，而接通時間(TON)即信號保持高電平的時間可以被改變或調制。因此，信號的占空比或平均直流電平是變化的。借助于數字系統的支持，PWM已經成為控制模擬電路的一種極好方式。圖1就是數字脈沖的接通時間改變的例子。

應用實例包括電壓調整，即通過改變占空比將輸出電壓控制到所要求的電平。另一個例子是功率發送，這時的平均發送功率是調制占空比的函數。PWM的實現取決于具體的使用方法，對于簡單的電壓調整，可以使用CPLD(例如Altera MAX II)實現，而對于需要利用內部DSP模塊的復雜控制算法，可以使用低成本的FPGA(例如Altera Cyclone III)實現。

圖2是PWM的基本方框圖，而圖3則是一個驅動模擬電機接口電路的調制輸出。UP和DOWN輸入信號被用來調整輸出信號的占空比，它們可以由微控制器產生。第一個模塊利用所有MAX II器件中都有的UFM振蕩器來產生兩個頻率不同的時鐘。來自該模塊的4位輸出信號DUTY_CYCLE的增加或降低取決于UP或DOWN信號的證實。第二個4位輸出信號COUNT以第一個模塊中產生的較高時鐘頻率連續增加。該信號與第二個模塊中相同頻率的DUTY_CYCLE信號進行比較。比較的結果是分配到最終輸出信號PWM的單個位。信號DUTY_CYCLE是一個4位的變量，因此輸出信號的占空比具有16個不同的取值。在本設計實現中，輸入UP的優先級要高于DOWN。因此，如果兩個信號同時為高電平，輸出信號將被視作占空比的增加。