基于DSP+FPGA的多相變頻控制器設計

在電機驅動(dòng)系統應用中，多相電機驅動(dòng)系統可以應用在供電電壓受限制的場(chǎng)合，其作用是：(1)解決低壓大功率的問(wèn)題;(2)減小振動(dòng)和噪音。由于電機相數增加，輸出轉矩脈動(dòng)減小、脈動(dòng)頻率增加，使驅動(dòng)系統低速特性得到很大的改善;(3)提高可靠性。由于相數冗余，當多相電機驅動(dòng)系統中有一相甚至幾相發(fā)生故障時(shí)，電機仍可運行。因此，多相電機驅動(dòng)系統特別適合于高可靠性要求的場(chǎng)合，多相系統的這些優(yōu)點(diǎn)引起學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注。由于多相系統采用的開(kāi)關(guān)器件多，控制系統復雜，所以對多相系統控制器的性能要求較高[1-3]。

在三相變頻控制系統中，雖然DSP控制算法結構復雜，但運算速度高、尋址方式靈活和通信性能強大等特點(diǎn)，已經(jīng)得到了廣泛應用。而對于多相變頻控制系統，還要求控制器的實(shí)時(shí)性能高、能夠處理大量數據，并且要有更多接口用于PWM驅動(dòng)信號，而這些要求FPGA都能滿(mǎn)足。

因此，本文在三相PWM信號產(chǎn)生方法的基礎上，提出一種基于DSP和FPGA的多相PWM信號的產(chǎn)生方法。采用這種方法設計了多相變頻控制器，其具有一定的通用性，可以通過(guò)上位機軟件對相數、調制波波形和控制方法進(jìn)行在線(xiàn)設置。

1 多相變頻控制器設計思想

多相變頻控制器的通用性表現在：(1)多相電機的相數可選;(2)載波頻率可選;(3)根據諧波注入的需要，可選擇不同調制波;(4)依據電機連接方式，可選擇不同的控制方法。

為了實(shí)現上述功能，本文采用模塊化的方法對控制器結構進(jìn)行了設計，控制器由上位機、DSP和FPGA三部分構成，其總體結構框圖如圖1所示。

上位機的操作軟件由面向對象的軟件實(shí)現。從控制面板上可以控制電機運行、停止，并且可對電機相數、載波頻率、調制波波形、死區時(shí)間等進(jìn)行設置。

為了最大限度地發(fā)揮DSP和FPGA各自的優(yōu)勢，由DSP主要實(shí)現控制算法、采集反饋信號及與上位機進(jìn)行通信;由FPGA實(shí)現調制算法，產(chǎn)生多相PWM信號，這部分占用硬件資源多，而且對實(shí)時(shí)性要求高。

控制過(guò)程如下：

(1)上位機與DSP通過(guò)串行接口相連，在需要動(dòng)作時(shí)向DSP發(fā)出指令。

(2)DSP根據接收到的指令調用相關(guān)函數，如對系統進(jìn)行初始化、運行相應的控制算法、進(jìn)行信號采集等。

(3)通過(guò)DSP與FPGA并行通信，DSP對FPGA進(jìn)行調制算法的初始化并解除PWM封鎖，FPGA根據接收到的頻率和幅值進(jìn)行計算，產(chǎn)生PWM信號。

2 多相PWM波形產(chǎn)生

2.1 SPWM波形產(chǎn)生原理

正弦脈寬調制(SPWM)的產(chǎn)生原理如圖2所示。用一組等腰三角形波與一個(gè)正弦波比較，其交點(diǎn)作為SPWM波的上升或下降時(shí)刻。當正弦波幅值大于三角波幅值時(shí)，輸出為高電平;當正弦波的幅值小于三角波的幅值時(shí)，輸出為低電平[4]。

利用FPGA生成SPWM的基本原理是將三角波發(fā)生器產(chǎn)生的數字信號與存儲在ROM中的正弦波信號相比較，根據兩者的大小來(lái)決定SPWM波的輸出。

2.2 多相PWM波形產(chǎn)生

圖3給出了三相SPWM信號的產(chǎn)生方法。序列發(fā)生器的作用是按順序產(chǎn)生A相、B相、C相的時(shí)鐘信號;地址合成與數據分離利用了分時(shí)復用的原理，目的是為了減少ROM的使用數量。多相正弦波只需一個(gè)ROM即可，也為外掛ROM創(chuàng )造了條件[5]。

在三相SPWM信號產(chǎn)生方法的基礎上，本文提出一種基于DSP和FPGA的能產(chǎn)生任意相數、任意波形(即調制波形)的方法，如圖4所示。

相位寄存器中保存著(zhù)各相調制波間移向角度(如三相為120°)的信息，所以對相位寄存器的設置是實(shí)現多相PWM信號的必要步驟。

調制波控制單元是實(shí)現多相PWM信號的核心部分，這部分的功能與圖3中序列發(fā)生器、地址合成及數據分離部分類(lèi)似，但是有如下不同：

(1)生成的調制波之間的相移是可以通過(guò)設置相位寄存器而自由改變的，而圖3中其相移是固定的，無(wú)法在線(xiàn)更改。

(2)規定三相調制波信號構成一組調制波發(fā)生器(如圖3為一組)，而調制波控制單元則由多組調制波發(fā)生器構成，組間的對應相相差的相移是可以設置的。例如在控制雙三相電機時(shí)，通常采用組內相移設為120°，組間相移設為60°或30°。

調制波存儲器的功能類(lèi)似于圖3中的正弦波ROM，它存儲由DSP計算得到的正弦波形或帶有諧波的調制波波形?？刂破髅看紊想姾蠖家ㄟ^(guò)DSP對調制波存儲器進(jìn)行初始化設置，將DSP計算出的調制波表下載到調制波存儲器。

頻幅寄存器中存儲著(zhù)調制波幅值和頻率，幅值和頻率在每個(gè)控制周期中由DSP計算得到。載波發(fā)生器(即三角波發(fā)生器)的載波頻率在線(xiàn)可調;死區寄存器存有當前的死區值，也可在線(xiàn)更改。封鎖保護單元用于在系統出現故障時(shí)封鎖PWM輸出信號，保護主電路。

由于每個(gè)寄存器或存儲器中的數字信號均由DSP計算產(chǎn)生，所以必須通過(guò)DSP對FPGA的初始化和設置，FPGA才能實(shí)現以上功能。