采用DSP和FPGA器件實現電機勵磁控制系統的設計

介紹了針對3/3相雙繞組感應發電機設計的勵磁系統，該系統由DSP和FPGA構成。給出了控制系統的接口電路和實驗結果。

1 、系統簡介

3/3相雙繞組感應發電機帶有兩個繞組：勵磁補償繞組和功率繞組，如圖1所示。勵磁補償繞組上接一個電力電子變換裝置，用來提供感應發電機需要的無功功率，使功率繞組上輸出一個穩定的直流電壓。

圖1中各參數的含義如下：

isa， isb， isc——補償繞組中的勵磁電流;

usa， usb， usc——補償繞組相電壓;

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輸出電壓;

uc——變流器直流側電容電壓。

電力電子變換裝置由功率器件及其驅動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），驅動電路使用光耦HCPL4502?？刂齐娐酚蒁SP+FPGA構成。

2 、EPM7128與TMS320C32同外設之間的接口電路

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公司生產的第三代高性能的CMOS 32位數字信號處理器，其憑借強大的指令系統、高速數據處理能力及創新的結構，已經成為理想的工業控制用DSP器件。其主要特點是：單周期指令執行時間為50ns，具有每秒可執行2200萬條指令、進行4000萬次浮點運算的能力;提供了一個增強的外部存儲器配置接口，具備更加靈活的存儲器管理與數據處理方式?？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開發系統軟件配合，可以100%地模仿高密度的集成有各種邏輯函數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）更為經濟靈活，可以進一步降低控制系統的成本。

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

DSP完成以下四項工作：數據的采集和處理、控制算法的完成、PWM脈沖值的計算和保護中斷的處理。

FPGA完成以下三項工作：管理DSP和各種外部設備的接口;脈沖的輸出和死區的產生;保護信號的處理。

3、 使用FPGA實現DSP和ADS7862之間的高速接口

ADS7862是TI公司專為電機和電力系統控制而設計的A/D轉換器。它的主要特點是：4個全差分輸入接口，可分成兩組，兩個通道可同時轉換;12bits并行輸出;每通道的轉換速率為500kHz?？刂品椒椋河葾0線的值決定哪兩個通道轉換;由Convst線上的脈寬大于250ns的低電平脈沖啟動轉換;由CS和RD線的低電平控制數據的讀出，連續兩次讀信號可以得到兩個通道的數據。

系統中使用了兩片ADS7862，它們的控制線使用同樣的接口，數據線則分別和DSP的高/低16位數據線中的低12位相連接。這樣DSP可以同時控制兩片A/D轉換器：4通道同時轉換;每次讀操作可以得到兩路數據。

如圖3所示，將A/D轉換器的控制信號映射為DSP的三個外部端口：A0、ADCS（和ADRD使用一個端口）和CONVST。在FPGA中使用邏輯譯碼器對端口譯碼。利用AHDL語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對這三個端口進行操作就可以控制A/D轉換器：寫CONVST端口可以啟動A/D轉換器;讀ADCS端口可以從A/D轉換器中讀到數據;寫數據到A0端口可以設置不同的通道。

使用上述方法可以實現DSP和A/D轉換器之間的無縫快速連接。

4、 使用FPGA實現PWM脈沖的產生和死區的注入

FPGA除了管理DSP和外設的接口外，還完成PWM脈沖的產生和死區的注入。使用介紹的方法，將PWM芯片和死區發生器集成在FPGA中，就可以使DSP專注于復雜算法的實現，而將PWM處理交給FPGA系統，使系統運行于準并行處理狀態。

5、 使用FPGA實現系統保護

為了保護發電機和IGBT功率器件，勵磁控制系統提供了多種保護功能：變流器直流側過壓保護;變流器交流電流過流保護;變流器過溫保護;發電機輸出過壓保護;IPM錯誤保護。

使用如圖4所示的硬件邏輯來實現保護功能。當FPGA檢測到相應的故障信號時，D觸發器輸出一個錯誤信號，使與門輸出一個低電平，此低電平封鎖住所有的PWM脈沖，并觸發一個DSP的外部中斷信號。當DSP響應外部中斷時，可以使用PRO端口讀到錯誤的狀態位。CLEAR端口用來清除D觸發器，系統因此可以重復啟動。

圖5給出了本控制系統的實驗波形圖：變流器的輸出電流基本為正弦;變流器側電容電壓穩定在365V;功率繞組側輸出電壓穩定在510V。

責任編輯：gt