DSP和FPGA构成的3/3相双绕组感应发电机励磁控制系统

DSP和FPGA构成的3/3相双绕组感应发电机励磁控制系统

摘要：介绍了针对３／３相双绕组感应发电机设计的励磁系统，该系统由ＤＳＰ和ＦＰＧＡ构成。给出了控制系统的接口电路和实验结果。

    关键词：ＤＳＰ ＦＰＧＡ ３／３相双绕组感应发电机

１ 系统简介

３／３相双绕组感应发电机带有两个绕组：励磁补偿绕组和功率绕组，如图１所示。励磁补偿绕组上接一个电力电子变换装置，用来提供感应发电机需要的无功功率，使功率绕组上输出一个稳定的直流电压。
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    图１中各参数的含义如下：

ｉｓａ,ｉｓｂ,ｉｓｃ——补偿绕组中的励磁电流；

ｕｓａ,ｕｓｂ,ｕｓｃ——补偿绕组相电压；

ｉｐａ,ｉｐｂ,ｉｐｃ——功率绕组电流；

ｕｐａ,ｕｐｂ,ｕｐｃ——功率绕组相电压；

ｕｄｃ——二极管整流桥直流侧输出电压；

ｕｃ——变流器直流侧电容电压。

电力电子变换装置由功率器件及其驱动电路和控制电路两部分组成。功率器件选用三菱公司的智能功率模块（ＩＰＭ）ＰＭ７５ＣＳＡ１２０（７５Ａ／１２００Ｖ），驱动电路使用光耦ＨＣＰＬ４５０２。控制电路由ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ构成。

图2 控制电路的接口电路

２ ＥＰＭ７１２８与ＴＭＳ３２０Ｃ３２同外设之间的接口电路

图２所示为控制电路的接口电路。控制电路使用的ＤＳＰ是ＴＭＳ３２０Ｃ３２，它是ＴＩ公司生产的第三代高性能的ＣＭＯＳ ３２位数字信号处理器，其凭借强大的指令系统、高速数据处理能力及创新的结构，已经成为理想的工业控制用ＤＳＰ器件。其主要特点是：单周期指令执行时间为５０ｎｓ，具有每秒可执行２２００万条指令、进行４０００万次浮点运算的能力；提供了一个增强的外部存储器配置接口，具备更加灵活的存储器管理与数据处理方式。控制电路使用的ＦＰＧＡ器件为ＡＬＴＥＲＡ公司的ＥＰＭ７１２８，它属于高密度、高性能的ＣＭＯＳ ＥＰＬＤ器件，与ＡＬＴＥＲＡ公司的ＭＡＸＰＬＵＳ ＩＩ开发系统软件配合，可以１００％地模仿高密度的集成有各种逻辑函数和多种可编程逻辑的ＴＴＬ器件。采用类似器件作为ＤＳＰ的专用外围集成电路?ＡＳＩＣ?更为经济灵活，可以进一步降低控制系统的成本。

电压检测使用三相变压器，电流检测使用ＨＬ电流传感器。电平转换电路用来将检测到的信号转换为０～５Ｖ的电平。Ａ／Ｄ转换器选用ＡＤＳ７８６２。保护电路使用电压比较器３１１得到过压／过流故障信号。

ＤＳＰ完成以下四项工作：数据的采集和处理、控制算法的完成、ＰＷＭ脉冲值的计算和保护中断的处理。

ＦＰＧＡ完成以下三项工作：管理ＤＳＰ和各种外部设备的接口；脉冲的输出和死区的产生；保护信号的处理。

图3 FPGA与A/D转换器和DSP之间的接口

３ 使用ＦＰＧＡ实现ＤＳＰ和ＡＤＳ７８６２之间的高速接口

ＡＤＳ７８６２是ＴＩ公司专为电机和电力系统控制而设计的Ａ／Ｄ转换器。它的主要特点是：４个全差分输入接口，可分成两组，两个通道可同时转换；１２ｂｉｔｓ并行输出；每通道的转换速率为５００ｋＨｚ。控制方法为：由Ａ０线的值决定哪两个通道转换；由Ｃｏｎｖｓｔ线上的脉宽大于２５０ｎｓ的低电平脉冲启动转换；由ＣＳ和ＲＤ线的低电平控制数据的读出，连续两次读信号可以得到两个通道的数据。

系统中使用了两片ＡＤＳ７８６２，它们的控制线使用同样的接口，数据线则分别和ＤＳＰ的高／低１６位数据线中的低１２位相连接。这样ＤＳＰ可以同时控制两片Ａ／Ｄ转换器：４通道同时转换；每次读操作可以得到两路数据。

如图３所示，将Ａ／Ｄ转换器的控制信号映射为ＤＳＰ的三个外部端口：Ａ０、ＡＤＣＳ（和ＡＤＲＤ使用一个端口）和ＣＯＮＶＳＴ。在ＦＰＧＡ中使用逻辑译码器对端口译码。利用ＡＨＤＬ语言编写的译码程序如下：

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表示低电平，１表示高电平。ＲＷ＝１表示读，ＲＷ＝０表示写。

ＤＳＰ对这三个端口进行操作就可以控制Ａ／Ｄ转换器：写ＣＯＮＶＳＴ端口可以启动Ａ／Ｄ转换器；读ＡＤＣＳ端口可以从Ａ／Ｄ转换器中读到数据；写数据到Ａ０端口可以设置不同的通道。

使用上述方法可以实现ＤＳＰ和Ａ／Ｄ转换器之间的无缝快速连接。

４ 使用ＦＰＧＡ实现ＰＷＭ脉冲的产生和死区的注入

ＦＰＧＡ除了管理ＤＳＰ和外设的接口外，还完成ＰＷＭ脉冲的产生和死区的注入。将ＰＷＭ芯片和死区发生器集成在ＦＰＧＡ中，就可以使ＤＳＰ专注于复杂算法的实现，而将ＰＷＭ处理交给ＦＰＧＡ系统，使系统运行于准并行处理状态。

５ 使用ＦＰＧＡ实现系统保护

为了保护发电机和ＩＧＢＴ功率器件，励磁控制系统提供了多种保护功能：变流器直流侧过压保护；变流器交流电流过流保护；变流器过温保护；发电机输出过压保护；ＩＰＭ错误保护。

图5 稳态时励磁绕组电压电流及系统直流电压波形

    使用如图４所示的硬件逻辑来实现保护功能。当ＦＰＧＡ检测到相应的故障信号时，Ｄ触发器输出一个错误信号，使与门输出一个低电平，此低电平封锁住所有的ＰＷＭ脉冲，并触发一个ＤＳＰ的外部中断信号。当ＤＳＰ响应外部中断时，可以使用ＰＲＯ端口读到错误的状态位。ＣＬＥＡＲ端口用来清除Ｄ触发器，系统因此可以重复启动。

图５给出了本控制系统的实验波形图：变流器的输出电流基本为正弦；变流器侧电容电压稳定在３６５Ｖ；功率绕组侧输出电压稳定在５１０Ｖ。

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