摘? 要: 介紹了針對3/3相雙繞組感應發電機" title="感應發電機">感應發電機設計的勵磁" title="勵磁">勵磁系統,該系統由DSP和FPGA構成。給出了控制系統" title="控制系統">控制系統的接口電路和實驗結果。
關鍵詞: DSP? FPGA? 3/3相雙繞組感應發電機
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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。
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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" title="功率器件">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。控制電路由DSP+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。控制電路使用的DSP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。控制電路使用的FPGA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。
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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" title="A/D">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。控制方法為:由A0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
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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。使用參考文獻[1]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。
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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。
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參考文獻
1 張波濤, 肖 飛. 利用現場復雜可編程門陣列產生PWM控制脈沖的方法. 電工技術, 2002(1)：24～26