CPLD在IGBT驅(qū)動設(shè)計中的應(yīng)用

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速裝置的應(yīng)用越來越廣泛。如何打破國外產(chǎn)品的壟斷，已成為一個嚴(yán)肅的課題擺在我國工程技術(shù)人員的面前。

在某型號大功率變頻調(diào)速裝置中，由于裝置的尺寸較大，考慮到結(jié)構(gòu)和散熱的條件，主控板上DSP產(chǎn)生的PWM信號需經(jīng)過較長的距離才能送到IGBT逆變單元中。為保證PWM信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性，必須解決以下幾個問題：首先是抗干擾問題，變頻器工作時，IGBT的開關(guān)動作會產(chǎn)生高頻干擾信號;其次是如何保證PWM信號的前、后沿質(zhì)量，減少IGBT開關(guān)動作的過渡過程;最后是如何減少布線電感，盡可能縮短PWM信號傳輸距離，避免過多的內(nèi)部連線。

1 總體設(shè)計

原則上說，從觸發(fā)電路到IGBT柵極和發(fā)射極的引線應(yīng)做到既短又一致。但隨著變頻調(diào)速裝置功率的不斷增大，裝置的尺寸也在增大，散熱條件要求更高。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計上的種種原因，真正做到這點有很多實際困難。

DSP產(chǎn)生的PWM信號既可以采用串行方式又能以并行方式進(jìn)行傳輸，但這兩種方式都有著各自的特點。采用并行方式傳輸信號(即每一個IGBT模塊的柵控端都接一根信號線)會造成系統(tǒng)內(nèi)部接線過多、接地困難，抗干擾性大大降低，這種情況尤以采用了多重化、多電平技術(shù)的變頻裝置為甚。若利用串行方式，PWM信號的傳輸速率又受到介質(zhì)的極大限制。在目前諸多傳輸介質(zhì)中，只有光纖具有損耗低、頻帶寬、重量輕、不受電磁干擾等突出優(yōu)點。GI型光纖用LED做光源時，傳輸速率可達(dá)140Mbit/s，傳輸損耗可忽略不計。IGBT的工作頻率通常很少用在15kHz以上，因此以異步串行方式高速傳輸PWM信號時，采用光纖作為傳輸介質(zhì)是唯一的選擇。

在串行的PWM信號送到IGBT的柵控端之前，還需將該信號轉(zhuǎn)化為并行形式。盡管采用普通的串/并轉(zhuǎn)換芯片可以實現(xiàn)上述功能，但這些芯片的最高工作頻率有限，如74166的最高工作頻率為35MHz，對于目前廣泛采用多重化和多電平技術(shù)的變頻裝置來講，這種工作頻率顯然有著較大的局限性。尤其是在實時性、快速性要求甚高的電機(jī)控制領(lǐng)域，不可能采用應(yīng)答方式完成信號的傳輸，因此接收端需要有較強(qiáng)的糾錯和容錯能力。若采用普通的芯片，難以只用一兩片芯片完成上述功能。但CPLD具有極強(qiáng)的靈活性，內(nèi)含128個宏單元，最高工作頻率可達(dá)167MHz(以Cypress CY37128為例)，可以只用一兩片芯片就能完成較復(fù)雜的邏輯功能，因此CPLD與光纖的結(jié)合是解決大功率變頻器中信號傳輸?shù)淖詈眠x擇。系統(tǒng)信號流程圖如圖1所示。

2 通訊方案

異步串行格式的一個數(shù)據(jù)幀包括1位起始位和8位數(shù)據(jù)位，最后是停止位。起始位規(guī)定為0，8位數(shù)據(jù)位由高到低順次發(fā)送，前7位組成1個編碼字符，第八位為奇偶校驗位。停止位可以選擇1位、1位、2位。從系統(tǒng)實際要求出發(fā)，我們對標(biāo)準(zhǔn)的異步串行格式進(jìn)行了修改，將三相PWM信號進(jìn)行編碼，用以下數(shù)據(jù)格式發(fā)送到信號轉(zhuǎn)換單元：0-a3c3a2c2a1c1-V-1111。其中0為起始位，a1、a2、a3分別對應(yīng)三相逆變橋每個橋臂的柵控信號，c1、c2、c3分別對應(yīng)三相逆變橋每個橋臂的封鎖信號，V是一位校驗位，最后四個1為結(jié)束標(biāo)志位。信號轉(zhuǎn)換單元的CPLD接收到該信號后，將此串行PWM信號轉(zhuǎn)換為并行形式。另一方面，為保證逆變單元能夠正常工作，還需將逆變單元故障信號送到上位機(jī)以供故障診斷。

故障信號以以下串行編碼格式送出：0-a1a2a3a4a5a6-V-1111，0為起始位，a1、a2、a3分別對應(yīng)每個橋臂的驅(qū)動故障信號，a4為過熱信號，a5、a6為通訊故障 信號，V為校驗位，最后四個1為結(jié)束標(biāo)志位。上位機(jī)板上的CPLD將此信號轉(zhuǎn)換為并行形式。事實上，PWM信號和故障信號的處理過程是相同的。

對于異步串行通訊，通常要保證發(fā)送的信號在接收端能被正確接收，往往采用兩類同步處理辦法：一類是使用硬件手段實現(xiàn)通信協(xié)議的部分功能;另一類是使用各種短小的幀來實現(xiàn)通信功能。在本系統(tǒng)，由于實時控制對時間的要求，不可能采用上述形式的通訊方案。因此根據(jù)系統(tǒng)實際需要，數(shù)據(jù)傳輸采用起止式同步方案，即用 “0”代表起信號，“1”代表止信號。在不發(fā)送信息時，一直發(fā)送止信號。第一個由“1”到“0”的轉(zhuǎn)換表示字符的開始收端檢測到這個轉(zhuǎn)換后控制位時鐘輸出，以便對接受信號進(jìn)行碼位中點取樣判決。

針對系統(tǒng)的實際要求，為確保數(shù)據(jù)通訊的正確性，在正常工作以前，DSP模塊必須向信號轉(zhuǎn)換單元固定發(fā)送一個標(biāo)志字。只有當(dāng)信號轉(zhuǎn)換單元連續(xù)幾次正確收到標(biāo)志字后，才能建立正常通訊。在正常通訊時，為避免隨機(jī)干擾的作用，只有在連續(xù)出現(xiàn)多次幀錯誤的情況下，信號轉(zhuǎn)換單元才向上位機(jī)發(fā)出通訊故障信號，以確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

3 CPLD的實現(xiàn)

20世紀(jì)90年代，引起數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方式發(fā)生突破性變革的技術(shù)是VHDL設(shè)計技術(shù)。VHDL ?Very High Speed Integrated Circuit ?VHSIC Hardware Description Language?作為IEEE-1076標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范的硬件描述語言，非常適用于可編程邏輯器件的應(yīng)用設(shè)計，并正在得以普及。采用自頂向下的設(shè)計方法，是用VHDL設(shè)計系統(tǒng)硬件最突出優(yōu)點之一。

通過前面對數(shù)據(jù)流和通訊方案的分析，按照自頂向下的原則，我們對信號處理單元進(jìn)行功能分解，將其分解到下面的各個單元中，見圖2。通過功能分解，我們可以看到，單元內(nèi)部構(gòu)造可以分為三個部分：一部分對柵控信號進(jìn)行處理;另一部分對故障信號進(jìn)行處理;最后一部分用于產(chǎn)生控制故障信號發(fā)送的時鐘。

從圖2我們可以發(fā)現(xiàn)柵控信號處理部分與故障信號處理部分都含有功能相同單元：校驗位生成單元、數(shù)據(jù)通信控制單元及鎖存單元，因此可以對以上這些單元進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計。在參數(shù)化設(shè)計以前，我們還需要構(gòu)造一些公共的基本元件，如觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器和同步器等。這以后，我們就可以對前面提到的功能相同的單元進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計。

在進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計以前，我們需要對各功能單元的輸入輸出信號進(jìn)行分析以確定信號使用的數(shù)據(jù)類型。由于IGBT控制問題的特殊性，在這里我們統(tǒng)一使用Bit和Bit-vector型數(shù)據(jù)。Bit型數(shù)據(jù)只有兩種狀態(tài)：“0”和“1”，可以有效地防止多態(tài)數(shù)值系統(tǒng)給控制和編程帶來的麻煩。

在進(jìn)行傳統(tǒng)的電子線路設(shè)計時，設(shè)計師的工作是按電路原理圖將各個單元電路和器件連接起來，形成一個完整的系統(tǒng)。而在利用VHDL設(shè)計電路時，設(shè)計師所要完成的不過就是將那些用VHDL語言描述的單元電路和器件連接起來。在這個意義上，利用VHDL語言進(jìn)行設(shè)計與利用傳統(tǒng)方法設(shè)計沒有太大的區(qū)別，但采用自頂向下的設(shè)計方法時，VHDL具有無可比擬的優(yōu)越性。作為一種硬件描述語言? VHDL語言有別于一般的計算機(jī)語言。它既有并行執(zhí)行的語句，又有只能順序執(zhí)行的語句。利用VHDL這種特性，我們可以將整個系統(tǒng)分成若干個相對比較獨立的模塊來進(jìn)行電路設(shè)計。在下面的程序中，進(jìn)程COUNTER描述了一個16位計數(shù)器，它通過對40MHz時鐘進(jìn)行分頻，產(chǎn)生進(jìn)程CONTROLLER所需的2.5MHz時鐘。進(jìn)程CONTROLLER構(gòu)造了一個發(fā)送控制計數(shù)器，它通過對進(jìn)程COUNTER所產(chǎn)生的時鐘信號進(jìn)行計數(shù)，產(chǎn)生故障信號的發(fā)送控制信號。