采用DSP和FPGA器件實(shí)現(xiàn)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

介紹了針對(duì)3/3相雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的勵(lì)磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)由DSP和FPGA構(gòu)成。給出了控制系統(tǒng)的接口電路和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 、系統(tǒng)簡(jiǎn)介

3/3相雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)帶有兩個(gè)繞組：勵(lì)磁補(bǔ)償繞組和功率繞組，如圖1所示。勵(lì)磁補(bǔ)償繞組上接一個(gè)電力電子變換裝置，用來提供感應(yīng)發(fā)電機(jī)需要的無功功率，使功率繞組上輸出一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓。

圖1中各參數(shù)的含義如下：

isa， isb， isc——補(bǔ)償繞組中的勵(lì)磁電流;

usa， usb， usc——補(bǔ)償繞組相電壓;

ipa， ipb， ipc——功率繞組電流;

upa， upb， upc——功率繞組相電壓;

udc——二極管整流橋直流側(cè)輸出電壓;

uc——變流器直流側(cè)電容電壓。

電力電子變換裝置由功率器件及其驅(qū)動(dòng)電路和控制電路兩部分組成。功率器件選用三菱公司的智能功率模塊（IPM）PM75CSA120（75A/1200V），驅(qū)動(dòng)電路使用光耦HCPL4502?？刂齐娐酚蒁SP+FPGA構(gòu)成。

2 、EPM7128與TMS320C32同外設(shè)之間的接口電路

圖2所示為控制電路的接口電路?？刂齐娐肥褂玫腄SP是TMS320C32，它是TI公司生產(chǎn)的第三代高性能的CMOS 32位數(shù)字信號(hào)處理器，其憑借強(qiáng)大的指令系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)處理能力及創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為理想的工業(yè)控制用DSP器件。其主要特點(diǎn)是：?jiǎn)沃芷谥噶顖?zhí)行時(shí)間為50ns，具有每秒可執(zhí)行2200萬條指令、進(jìn)行4000萬次浮點(diǎn)運(yùn)算的能力;提供了一個(gè)增強(qiáng)的外部存儲(chǔ)器配置接口，具備更加靈活的存儲(chǔ)器管理與數(shù)據(jù)處理方式?？刂齐娐肥褂玫腇PGA器件為ALTERA公司的EPM7128，它屬于高密度、高性能的CMOS EPLD器件，與ALTERA公司的MAXPLUS II開發(fā)系統(tǒng)軟件配合，可以100%地模仿高密度的集成有各種邏輯函數(shù)和多種可編程邏輯的TTL器件。采用類似器件作為DSP的專用外圍集成電路（ASIC）更為經(jīng)濟(jì)靈活，可以進(jìn)一步降低控制系統(tǒng)的成本。

電壓檢測(cè)使用三相變壓器，電流檢測(cè)使用HL電流傳感器。電平轉(zhuǎn)換電路用來將檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5V的電平。A/D轉(zhuǎn)換器選用ADS7862。保護(hù)電路使用電壓比較器311得到過壓/過流故障信號(hào)。

DSP完成以下四項(xiàng)工作：數(shù)據(jù)的采集和處理、控制算法的完成、PWM脈沖值的計(jì)算和保護(hù)中斷的處理。

FPGA完成以下三項(xiàng)工作：管理DSP和各種外部設(shè)備的接口;脈沖的輸出和死區(qū)的產(chǎn)生;保護(hù)信號(hào)的處理。

3、 使用FPGA實(shí)現(xiàn)DSP和ADS7862之間的高速接口

ADS7862是TI公司專為電機(jī)和電力系統(tǒng)控制而設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換器。它的主要特點(diǎn)是：4個(gè)全差分輸入接口，可分成兩組，兩個(gè)通道可同時(shí)轉(zhuǎn)換;12bits并行輸出;每通道的轉(zhuǎn)換速率為500kHz。控制方法為：由A0線的值決定哪兩個(gè)通道轉(zhuǎn)換;由Convst線上的脈寬大于250ns的低電平脈沖啟動(dòng)轉(zhuǎn)換;由CS和RD線的低電平控制數(shù)據(jù)的讀出，連續(xù)兩次讀信號(hào)可以得到兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)中使用了兩片ADS7862，它們的控制線使用同樣的接口，數(shù)據(jù)線則分別和DSP的高/低16位數(shù)據(jù)線中的低12位相連接。這樣DSP可以同時(shí)控制兩片A/D轉(zhuǎn)換器：4通道同時(shí)轉(zhuǎn)換;每次讀操作可以得到兩路數(shù)據(jù)。

如圖3所示，將A/D轉(zhuǎn)換器的控制信號(hào)映射為DSP的三個(gè)外部端口：A0、ADCS（和ADRD使用一個(gè)端口）和CONVST。在FPGA中使用邏輯譯碼器對(duì)端口譯碼。利用AHDL語(yǔ)言編寫的譯碼程序如下：

TABLE

A［23..12］， IS， RW=》A0， ADCS， CONVST， PWM1， PWM2，

PWM3， PWM， PRO， CLEAR；

H″810″， 0， 0=》 0， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1；

H″811″， 0， 1=》 1， 0， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1；

H″812″， 0， 0=》 1， 1， 0， 1， 1， 1， 1， 1， 1；

H″813″， 0， 1=》 1， 1， 1， 0， 1， 1， 1， 1， 1；

H″814″， 0， 0=》 1， 1， 1， 1， 0， 1， 1， 1， 1；

H″815″， 0， 0=》 1， 1， 1， 1， 1， 0， 1， 1， 1；

H″816″， 0， 0=》 1， 1， 1， 1， 1， 1， 0， 1， 1；

H″817″， 0， 1=》 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 0， 1；

H″817″， 0， 0=》 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 0；

END TABLE

其中，0表示低電平，1表示高電平。RW=1表示讀，RW=0表示寫。

DSP對(duì)這三個(gè)端口進(jìn)行操作就可以控制A/D轉(zhuǎn)換器：寫CONVST端口可以啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器;讀ADCS端口可以從A/D轉(zhuǎn)換器中讀到數(shù)據(jù);寫數(shù)據(jù)到A0端口可以設(shè)置不同的通道。

使用上述方法可以實(shí)現(xiàn)DSP和A/D轉(zhuǎn)換器之間的無縫快速連接。

4、 使用FPGA實(shí)現(xiàn)PWM脈沖的產(chǎn)生和死區(qū)的注入

FPGA除了管理DSP和外設(shè)的接口外，還完成PWM脈沖的產(chǎn)生和死區(qū)的注入。使用介紹的方法，將PWM芯片和死區(qū)發(fā)生器集成在FPGA中，就可以使DSP專注于復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)，而將PWM處理交給FPGA系統(tǒng)，使系統(tǒng)運(yùn)行于準(zhǔn)并行處理狀態(tài)。

5、 使用FPGA實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)

為了保護(hù)發(fā)電機(jī)和IGBT功率器件，勵(lì)磁控制系統(tǒng)提供了多種保護(hù)功能：變流器直流側(cè)過壓保護(hù);變流器交流電流過流保護(hù);變流器過溫保護(hù);發(fā)電機(jī)輸出過壓保護(hù);IPM錯(cuò)誤保護(hù)。

使用如圖4所示的硬件邏輯來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。當(dāng)FPGA檢測(cè)到相應(yīng)的故障信號(hào)時(shí)，D觸發(fā)器輸出一個(gè)錯(cuò)誤信號(hào)，使與門輸出一個(gè)低電平，此低電平封鎖住所有的PWM脈沖，并觸發(fā)一個(gè)DSP的外部中斷信號(hào)。當(dāng)DSP響應(yīng)外部中斷時(shí)，可以使用PRO端口讀到錯(cuò)誤的狀態(tài)位。CLEAR端口用來清除D觸發(fā)器，系統(tǒng)因此可以重復(fù)啟動(dòng)。

圖5給出了本控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)波形圖：變流器的輸出電流基本為正弦;變流器側(cè)電容電壓穩(wěn)定在365V;功率繞組側(cè)輸出電壓穩(wěn)定在510V。