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FPGA仿真“黑科技”——EasyGo FPGA Coder

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写在前面

随着电力电子产业的不断发展，对电力电子仿真技术也提出了更新，更高的要求。新型开关器件的控制速率要求越来越快，模型仿真速度要求越来越快。传统基于DSP 或者基于实时CPU的实时仿真器受限于技术瓶颈，无法满足十几us甚至ns级的仿真运算。

FPGA天然的并行性使得常常用来做更高速的仿真计算。但是传统的FPGA 开发方式过于繁琐复杂，需要考虑资源配置，时序，数据类型等等，算法验证也相对比较复杂，而且每一次实际运行都需要进行FPGA 硬件编译，需要花费大量的时间与精力。对于专注于算法与模型研究的原型阶段，急需一种新的工具来解决目前的痛点问题。

EasyGo FPGA Coder是森木磊石新研发的用于在FPGA 上进行仿真验算的新技术。与传统的FPGA仿真应用不同的是，FPGA Coder采用基于Matlab/Simulink的图形化模块进行搭建算法模型。通过DeskSim 2021直接下载至FPGA 中运行，无需编译，极大程度上降低了工程师使用FPGA 研究高速算法的门槛，同时又能利用FGPA高速并行计算的优点。

模块任意搭建
不受FPGA限制，方便

FPGA Coder 在Simulink中提供了一个独立的模块库。其中包含了支持的搭建算法的基础模块，以及在电力电子控制算法中经常用到的坐标变换，三相锁相PLL，PI控制器，一阶，二阶传函等等。

基础库

模块控制库

我们可以利用这些模块来任意搭建我们的算法模型。使用上与simulink的模块没有任何差别，这样能够使得离线验证与FPGA 硬件运行保持一致。

最最最重要的一点，使用这些模块并不需要用户去考虑FPGA的时钟，数据类型精度，时序等问题。FPGA Coder在下载到FPGA上时会自动考虑FPGA 代码的规则。我们只需要配置模块所需要的参数即可。

无需FPGA编译
直接运行模型，便捷

搭建好的FPGA模型做完离线验证后，配置一些硬件接口信息，就可以将模型通过载入DeskSim 2021软件中下载到FPGA 中进行运算，FPGA芯片硬件上会运行一个FPGA Coder Solver的解算器，自动解算FPGA上的模型进行运算，所以FPGA 模型不需要编译。

即使改变模型，也只需要重新载入就可以了，FPGA并不需要进行编译。

【实例讲解】

下面以APF 为例简单介绍一下FPGA Coder的用法。首先进行离线仿真验证。用于用到的FPGA Coder，我们可以将控制的步长设得小一些，电路仿真步长为5e-7，控制算法的步长为5e-6, 也就是200k。

离线程序验证没问题后，我们再进行模型实时化处理，整体的架构还是基于CPU+FPGA部分的。利用最新的DeskSim 2021 软件进行下载运行。整体模型架构如下所示：

在这个APF示例中，CPU部分并没有跑什么模型，只是用来将一些数据进行上传与下发，所以模型就是一些数据传输。而FPGA部分用到了2块FPGA. 每块FPGA可以独立运行，也可以并行运行。

在APF 示例中，FPGA1 用来运行APF的主电路模型（电力电子模型FPGA上运行步长更小，精度更高），采用LC 建模方式。FPGA2 用来跑APF的控制算法，也就是FPGA coder搭建的算法模型。

具体如下图所示：

将模型载入到DeskSim 2021 软件（详细请了解DeskSim 2021软件使用）中，这里会显示模型的各类信息。

如下图所示：在FPGA2 上，我们用到了FPGA Coder，软件会根据FPGA Coder模型自动计算出在FPGA上运行的最小步长，比如这个控制模型的最小步长系统计算出来就是Ts=2.63125us 。只要不低于这个步长，都是可以将模型直接运行。为保持与离线仿真一致，这里我们将模型设置为5us，也就是200khz的控制周期。