DSP和FPGA構成的3/3相雙繞組感應發(fā)電機勵磁控制系統

摘要：介紹了針對３／３相雙繞組感應發(fā)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(shí)驗結果。關(guān)鍵詞：ＤＳＰ ＦＰＧＡ ３／３相雙繞組感應發(fā)電機 １ 系統簡(jiǎn)介 ３／３相雙繞組感應發(fā)電機帶有兩個(gè)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(gè)電力電子變換裝置，用來(lái)提供感應發(fā)電機需要的無(wú)功功率，使功率繞組上輸出一個(gè)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(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），驅動(dòng)電路使用光耦ＨＣＰＬ４５０２?？刂齐娐酚桑模樱校疲校牵翗嫵?。圖2 控制電路的接口電路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?？刂齐娐肥褂玫模模樱惺牵裕停樱常玻埃茫常?，它是ＴＩ公司生產(chǎn)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(chuàng )新的結構，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)沃芷谥噶顖绦袝r(shí)間為５０ｎｓ，具有每秒可執行２２００萬(wàn)條指令、進(jìn)行４０００萬(wàn)次浮點(diǎn)運算的能力；提供了一個(gè)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?？刂齐娐肥褂玫模疲校牵疗骷椋粒蹋裕牛遥凉镜模牛校停罚保玻?，它屬于高密度、高性能的ＣＭＯＳ ＥＰＬＤ器件，與ＡＬＴＥＲＡ公司的ＭＡＸＰＬＵＳ ＩＩ開(kāi)發(fā)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(lèi)似器件作為ＤＳＰ的專(zhuān)用外圍集成電路ＡＳＩＣ更為經(jīng)濟靈活，可以進(jìn)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(lái)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(guò)壓／過(guò)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(chǎn)生；保護信號的處理。圖3 FPGA與A/D轉換器和DSP之間的接口３ 使用ＦＰＧＡ實(shí)現ＤＳＰ和ＡＤＳ７８６２之間的高速接口 ＡＤＳ７８６２是ＴＩ公司專(zhuān)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(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)轉換；１２ｂｉｔｓ并行輸出；每通道的轉換速率為５００ｋＨｚ?？刂品椒椋河桑粒熬€(xiàn)的值決定哪兩個(gè)通道轉換；由Ｃｏｎｖｓｔ線(xiàn)上的脈寬大于２５０ｎｓ的低電平脈沖啟動(dòng)轉換；由ＣＳ和ＲＤ線(xiàn)的低電平控制數據的讀出，連續兩次讀信號可以得到兩個(gè)通道的數據。 系統中使用了兩片ＡＤＳ７８６２，它們的控制線(xiàn)使用同樣的接口，數據線(xiàn)則分別和ＤＳＰ的高／低１６位數據線(xiàn)中的低１２位相連接。這樣ＤＳＰ可以同時(shí)控制兩片Ａ／Ｄ轉換器：４通道同時(shí)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(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端口譯碼。利用ＡＨＤＬ語(yǔ)言編寫(xiě)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(xiě)。 ＤＳＰ對這三個(gè)端口進(jìn)行操作就可以控制Ａ／Ｄ轉換器：寫(xiě)ＣＯＮＶＳＴ端口可以啟動(dòng)Ａ／Ｄ轉換器；讀ＡＤＣＳ端口可以從Ａ／Ｄ轉換器中讀到數據；寫(xiě)數據到Ａ０端口可以設置不同的通道。 使用上述方法可以實(shí)現ＤＳＰ和Ａ／Ｄ轉換器之間的無(wú)縫快速連接。４ 使用ＦＰＧＡ實(shí)現ＰＷＭ脈沖的產(chǎn)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(chǎn)生和死區的注入。將ＰＷＭ芯片和死區發(fā)生器集成在ＦＰＧＡ中，就可以使ＤＳＰ專(zhuān)注于復雜算法的實(shí)現，而將ＰＷＭ處理交給ＦＰＧＡ系統，使系統運行于準并行處理狀態(tài)。 ５ 使用ＦＰＧＡ實(shí)現系統保護 為了保護發(fā)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(guò)壓保護；變流器交流電流過(guò)流保護；變流器過(guò)溫保護；發(fā)電機輸出過(guò)壓保護；ＩＰＭ錯誤保護。圖5 穩態(tài)時(shí)勵磁繞組電壓電流及系統直流電壓波形使用如圖４所示的硬件邏輯來(lái)實(shí)現保護功能。當ＦＰＧＡ檢測到相應的故障信號時(shí)，Ｄ觸發(fā)器輸出一個(gè)錯誤信號，使與門(mén)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。當ＤＳＰ響應外部中斷時(shí)，可以使用ＰＲＯ端口讀到錯誤的狀態(tài)位。ＣＬＥＡＲ端口用來(lái)清除Ｄ觸發(fā)器，系統因此可以重復啟動(dòng)。 圖５給出了本控制系統的實(shí)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。