摘 要： 利用System Generator軟件平臺，實現基于模塊化建模方法的變換器建模，并簡化語言編寫控制系統的復雜過程。研究了從MATLAB-Xilinx環境中導出使用模塊化建模方法搭建的控制算法。通過MATLAB仿真、軟硬件聯合仿真和實驗進行驗證，證明了將控制算法導出使用的可行性。

0 引言

以往的FPGA設計者主要通過Verilog/VHDL語言來實現模型搭建，這對設計者語言上的要求很高。基于模塊化設計的模型搭建方法的出現，簡化了語言方式建模的復雜過程，使得系統從設計到實現的周期大大縮短，同時也保證了所實現功能的一致性。

Xilinx公司的System Generator軟件自帶的算法模塊為FPGA的設計使用引入了新的方法。結合FPGA自身豐富的觸發器資源、大量的I/O引腳資源、高速的CMOS工藝和功耗低等特點，System Generator軟件可以將控制系統導出，應用于FPGA集成開發軟件之中，簡化設計的過程。

完整的系統通過System Generator軟件仿真后直接生成硬件語言集成核，下載至FPGA平臺中進行測試，使得Verilog/VHDL語言基礎薄弱的工程師也可以通過設計、仿真和實驗很好地進行FPGA開發工作。

1 基于模塊化建模

1.1 Xilinx軟件介紹

Xilinx新一代集成開發環境Vivado突出基于知識產權（Intellectual Property，IP）核的設計方法，更加體現系統級設計思想，進一步增強了設計者對FPGA底層布局和布線的干預能力[1]。

開發者可以通過MATLAB/Simulink環境調用Xilinx模塊來完成模型搭建，并且通過調用核生成器為所構建的控制模塊生成經過優化的網表和知識產權核文件，導出生成相應的工程文件[1]。由MATLAB/Simulink生成的工程文件可以使用Vivado軟件進行進一步編輯，最終生成FPGA可以執行的數據流文件。System Generator的這種特性可以使設計的注意力只集中在關鍵部分。

1.2 模型搭建

圖1顯示的是基于System Generator模型導出的變換器控制框圖，包括模型搭建、模型仿真、控制器導出和實驗驗證幾大部分。

本文以簡單的Boost升壓電路為例，實現基于System Generator的控制器導出。設定Boost變換器輸入電壓為12 V，輸出電壓為24 V，開關頻率為40 kHz。

使用Xilinx模塊搭建的仿真模型分為主電路和控制電路兩個部分。主電路由電源、電感、電容、負載和開關器件等組成，控制電路為采用Xilinx模塊搭建的離散PI控制器。對主電路輸出電壓進行采樣處理，然后輸送到控制器。控制器輸出結果與三角波進行比較得到PWM脈寬調制波來控制主電路開關管的導通與關斷，如此進行信號的反饋閉環過程[2]。

在MATLAB-Xilinx模型中，需要將PI控制算法離散化。離散PI有增量式和位置式兩種方式，如式(1)與式(2)所描述[3-4]，增量式離散PI僅涉及到當前周期誤差量與上一周期誤差量，使用起來較為方便，是最常使用的離散PI算法。但是增量式PI在實現受限于FPGA中的寄存器周期移位賦值，對于Xilinx模塊的使用效果不理想。本文選擇位置式離散PI算法，使用離散狀態下的累加模塊來實現連續狀態下的積分功能。累加模塊自身帶有限幅的功能，大大減少了Xilinx模塊使用量[5]。控制器模型圖如圖2所示。

增量式離散PI算法：

位置式離散PI算法：

式中Kp與Ki分別表示比例增益與積分增益，u表示控制量，e表示控制量與給定量的偏差，k表示不同的周期。

2 仿真模型驗證與控制器導出

2.1 仿真結果對比分析

與Simulink模塊搭建的控制器不同，Xilinx模塊下的控制器是使用PI離散方程搭建的，其運算于離散時間模式下，因此離散控制器的功能性驗證尤為重要[6]。同時，基于System Generator模型導出的變換器控制器設計，最終的目的是將模塊搭建的控制器轉換成IP核來使用，于是，利用Xilinx模塊搭建的控制器的功能能否在FPGA中正常運算是十分重要的部分[7]。