一种基于risc-v内核的双向AC/DC控制器的制作方法

本发明涉及控制器设计，具体是一种基于risc-v内核的双向ac/dc控制器。

背景技术：

1、随着当前电力电子在新能源应用的场景越来越多，很多场合要求电能变换设备具有双向电能流动的能力，这种具有能量双向流动的变换器称之为双向电源。双向电源在分布式能源管理、电池充放电、不同电压等级的母线联结等等具有广泛的运用，目前双向ac/dc作为在储能系统中的核心变流器，未来也将迎来大量的应用。

2、控制器，是双向ac/dc变流器的核心设备，其担负着变流器功率器件控制、驱动、功率管理等多种功能。当前大多数双向电源的控制，都是用单片机arm或dsp处理器作为主控芯片。arm面向低预算市场的risc微处理器，具有较强的事务管理功能，优势主要体现在控制方面，但在电源控制上，其pwm输出的分辨率较低。而dsp主要用来做计算，具有强大的数据处理和较高的运行速度，同时也拥有比较高分辨率的pwm输出能力，目前市场上大多数电源产品控制的主芯片均为dsp。arm是优秀的处理器，但是由于arm的使用并不是免费的，在此背景下，risc-v这个完全开源的精简指令集架构，在过去的几年里飞速发展，目前已经广泛应用于各种控制领域。

3、当前双向电源的主要控制方案以dsp为主控芯片，比如常见的ti的28335。少部分以arm为主要控制芯片。两种控制方案的芯片供应商都提供了丰富的库函数，也有非常高效的指令集合，在一定程度上可以加快系统的运行速度，易于开发。但无论是arm还是dsp，都只能串行执行指令，双向电源的控制比单相电源的控制和算法均要复杂，势必会占用较长的时间资源，使双向电源的控制系统的实时性变差，因此，我们提出了一种基于risc-v内核的双向ac/dc控制器来解决上述所提到的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于risc-v内核的双向ac/dc控制器，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于risc-v内核的双向ac/dc控制器，包括fpga芯片资源，所述fpga芯片资源包括risc-v软核处理器模块、电源控制算法模块与总线；所述电源控制算法模块包括高速pwm模块、高速采样控制模块、高速硬件保护模块；所述总线包括gpio外设、i2c外设、uart外设与spi外设。

4、作为本发明进一步的方案：所述risc-v软核处理器模块在系统中主要负责对电源系统控制功能如下：①通信的功能，包括串口、rs485工业总线控制；②与外部控制器、上位机进行数据交换；③显示功能；④继电器控制、io电平检测；⑤系统控制，协调和整合fpga内部各个模块的功能，进行数据计算和处理；⑥读取和存储fpga各个并行模块的高速实时数据，并进行二次处理；⑦存储电力电子变流器内部各种运行数据。

5、作为本发明进一步的方案：所述fpga芯片资源主要负责的功能有：①高速ad采样；②双向ac/dc变流器的底层算法实现，包括滤波、pid算法、占空比计算；③高速高精度pwm发生器，且每通道均具有非常高的分辨率，满足各种双向电源的高分辨率pwm要求；④高速的io输入模块，用来实现各种高速的硬件保护信号输入，以满足双向电源更好可靠性设计。

6、作为本发明进一步的方案：所述gpio外设，用于实现微控制器的通用输入输出接口。

7、作为本发明进一步的方案：所述uart外设，用于实现数据的异步传输。

8、作为本发明进一步的方案：所述spi外设，用于实现数据的同步传输。

9、作为本发明进一步的方案：所述i2c外设用于实现数据的串行输入输出。

10、作为本发明进一步的方案：所述高速pwm模块用于驱动电路。

11、作为本发明进一步的方案：所述高速采样控制模块用于采样电路。

12、作为本发明再进一步的方案：所述高速硬件保护模块用于硬件保护电路。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果是：该基于risc-v内核的双向ac/dc控制器，采用一种基于risc-v软核处理器的架构，在fpga中实现，利用risc-v架构的简单、经济但先进的优点，与fpga灵活、快速的优点结合起来，可以很好地满足电力电子变流器的各种控制算法、控制逻辑，且满足各种双向ac/dc变流器的实时控制场合；基于risc-v软核的fpga控制器，能够同时实现高速的数据采样和高速的内部数据处理；控制器的适应能力强，可直接用于不同的双向电源控制场合，且硬件工程师在设计电路时只需考虑布局布线的简洁性，任意使用规定的管脚；实现超快速的电源控制算法。

技术特征：

1.一种基于risc-v内核的双向ac/dc控制器，其特征在于，包括fpga芯片资源，所述fpga芯片资源包括risc-v软核处理器模块、电源控制算法模块与总线；所述电源控制算法模块包括高速pwm模块、高速采样控制模块、高速硬件保护模块；所述总线包括gpio外设、i2c外设、uart外设与spi外设。

2.根据权利要求1所述的一种基于risc-v内核的双向ac/dc控制器，其特征在于，所述risc-v软核处理器模块在系统中主要负责对电源系统控制功能如下：①通信的功能，包括串口、rs485工业总线控制；②与外部控制器、上位机进行数据交换；③显示功能；④继电器控制、io电平检测；⑤系统控制，协调和整合fpga内部各个模块的功能，进行数据计算和处理；⑥读取和存储fpga各个并行模块的高速实时数据，并进行二次处理；⑦存储电力电子变流器内部各种运行数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于risc-v内核的双向ac/dc控制器，其特征在于，所述fpga芯片资源主要负责的功能有：①高速ad采样；②双向ac/dc变流器的底层算法实现，包括滤波、pid算法、占空比计算；③高速高精度pwm发生器，且每通道均具有非常高的分辨率，满足各种双向电源的高分辨率pwm要求；④高速的io输入模块，用来实现各种高速的硬件保护信号输入，以满足双向电源更好可靠性设计。

4.根据权利要求1所述的一种基于risc-v内核的双向ac/dc控制器，其特征在于，所述gpio外设，用于实现微控制器的通用输入输出接口。

5.根据权利要求1所述的一种基于risc-v内核的双向ac/dc控制器，其特征在于，所述uart外设，用于实现数据的异步传输。

6.根据权利要求1所述的一种基于risc-v内核的双向ac/dc控制器，其特征在于，所述spi外设，用于实现数据的同步传输。

7.根据权利要求1所述的一种基于risc-v内核的双向ac/dc控制器，其特征在于，所述i2c外设用于实现数据的串行输入输出。

8.根据权利要求1所述的一种基于risc-v内核的双向ac/dc控制器，其特征在于，所述高速pwm模块用于驱动电路。

9.根据权利要求1所述的一种基于risc-v内核的双向ac/dc控制器，其特征在于，所述高速采样控制模块用于采样电路。

10.根据权利要求1所述的一种基于risc-v内核的双向ac/dc控制器，其特征在于，所述高速硬件保护模块用于硬件保护电路。

技术总结
本发明公开了一种基于risc‑v内核的双向AC/DC控制器，包括FPGA芯片资源，所述FPGA芯片资源包括RISC‑V软核处理器模块、电源控制算法模块与总线；所述电源控制算法模块包括高速PWM模块、高速采样控制模块、高速硬件保护模块；所述总线包括GPIO外设、I<supgt;2</supgt;C外设、UART外设与SPI外设，采用一种基于risc‑v软核处理器的架构，在FPGA中实现，利用risc‑v架构的简单、经济但先进的优点，与FPGA灵活、快速的优点结合起来，可以很好地满足电力电子变流器的各种控制算法、控制逻辑，且满足各种双向AC/DC变流器的实时控制场合。

技术研发人员：朱君鸿,潘慧猷,吴思畅,朱宏浩,肖生全,韦勇,韩飞,冯宏鹰,邓有志
受保护的技术使用者：广州市恒力检测股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15