基于雙DSP的大功率變流器通用控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)

  摘要：介紹一種大功率變流器通用控制平臺(tái)，是以TMS320C6713B為浮點(diǎn)算法運(yùn)算核，TMS320F2812為系統(tǒng)定點(diǎn)控制核的雙DSP的控制系統(tǒng)架構(gòu)。詳細(xì)分析該系統(tǒng)設(shè)計(jì)各模塊硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)控制平臺(tái)運(yùn)算性能強(qiáng)，具有很好的通用性和擴(kuò)展性，已成功應(yīng)用于400 kVA岸電電源樣機(jī)中。
關(guān)鍵詞：大功率變流器；通用控制平臺(tái)；雙DSP；FPGA通信擴(kuò)展

    變流器技術(shù)及現(xiàn)代電力電子技術(shù)在交流變頻調(diào)速、供電電源、電力系統(tǒng)輸配電、電能質(zhì)量控制等方面應(yīng)用廣泛。大功率變流器具有相同或相近的主回路結(jié)構(gòu)。其控制器結(jié)構(gòu)基本是由信號(hào)調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、微處理器(DSP或單片機(jī))、PWM發(fā)生器、開(kāi)關(guān)量輸入輸出、與上位機(jī)通信(串口或網(wǎng)口)電路等部分組成。因此，變流器裝置控制器具有廣泛的共性，這里提出一種基于雙DSP(TMS320C6713B與TMS320F2812)架構(gòu)的大功率變流器通用控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。與變流器專用控制器相比通用性更強(qiáng)，有利于變流器控制器軟硬件的模塊化設(shè)計(jì)，并促進(jìn)變流器裝置控制算法研究，縮短其產(chǎn)品研發(fā)周期。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
    圖l為控制平臺(tái)的控制系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)以TI公司的雙DSP處理器TMS320C6713B(浮點(diǎn)DSP)和TMS320F2812(定點(diǎn)DSP)為核心控制器。浮點(diǎn)DSP TMS320C6713B擴(kuò)展AD總線、實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算、HPI接口在線編程；而定點(diǎn)DSPTMS320F2812事件管理器實(shí)現(xiàn)PWM控制、轉(zhuǎn)速采集、開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制、故障檢測(cè)以及部分通信等功能。雙端口RAMIDT70V25實(shí)現(xiàn)雙DSP通信，具有IDT70V25 8 K×16 bit共享區(qū)，邏輯忙與中斷訪問(wèn)仲裁方式。同時(shí)該控制系統(tǒng)擴(kuò)展有1片F(xiàn)PGA，用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信、ISP、液晶顯示、鍵盤輸入等。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2．1采集電路
2．1．1電流、電壓檢測(cè)電路
    為有效調(diào)節(jié)變流器主回路輸出電壓、電流及功率因數(shù)等，分別采集三相電壓、電流信號(hào)和直流環(huán)節(jié)電壓等輸出信號(hào)。[!--empirenews.page--]
    鑒于該控制平臺(tái)采樣精度和采樣速率的需要，選用Analog Device公司的AD7865型A／D轉(zhuǎn)換器。該器件是一款高速、低功耗、4通道同步采樣的14位A／D轉(zhuǎn)換器，采用+5 V供電；其內(nèi)部有1個(gè)2．4μs的逐次逼近的A／D轉(zhuǎn)換器，4個(gè)跟蹤／保持放大器，內(nèi)部2．5 V參考電壓，片上時(shí)鐘振蕩器和1個(gè)高速并行接口；同步采樣4通道輸入信號(hào)，允許±10 V和±5 V兩種輸入范圍，這里選用±10 V輸入電壓。該設(shè)計(jì)每片AD7865都可同時(shí)采集4路模擬信號(hào)，圖2為AD7865部分信號(hào)調(diào)理電路。

    主回路輸入與輸出側(cè)三相線電壓、三相電流、直流電壓和電流、輸入與輸出濾波器線電流均經(jīng)霍爾傳感器采集以電流輸出?；魻杺鞲衅鬏敵龅碾娏餍盘?hào)通過(guò)插槽輸入A／D采樣電路，經(jīng)精密電阻轉(zhuǎn)換為±15 V電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)經(jīng)具有調(diào)幅功能的有源低通濾波器轉(zhuǎn)化為+10 V的電壓信號(hào)，再經(jīng)反相器送入AD7865的模擬量輸入端。AD7865的、BUSY、等控制信號(hào)是由TMS320C6713B的EMIF總線經(jīng)EPM570T100型CPLD邏輯譯碼實(shí)現(xiàn)的。
2．1．2電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路
    變流器通用控制平臺(tái)選用增量式光電編碼器設(shè)計(jì)電機(jī)測(cè)速器，其光電編碼器輸出脈沖波型相差90°的QEPI、QEP2兩相信號(hào)，正轉(zhuǎn)時(shí)QEPl相超前QEP2相；反轉(zhuǎn)QEP2相超前QEPl相。根據(jù)光電編碼器輸出光脈沖頻率測(cè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器與被測(cè)電機(jī)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出A、B、Z 3路差分信號(hào)。其中A、B兩組脈沖相位差90°，可方便判斷旋轉(zhuǎn)方向，而Z路為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖的基準(zhǔn)點(diǎn)定位。這3路差分信號(hào)經(jīng)MAX490ESA將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為邏輯信號(hào)，再經(jīng)高速光耦6N137隔離送入TMS320F2812的正交脈沖編碼電路，測(cè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器差分信號(hào)輸入電路如圖3所示。

2．2微處理器核心電路
    通用控制平臺(tái)的核心單元主控制器需兼顧實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的定點(diǎn)與浮點(diǎn)運(yùn)算、模擬采樣、保護(hù)、通信等功能，因此采用浮點(diǎn)DSP+定點(diǎn)DSP+FPGA的主控制器架構(gòu)。其中，浮點(diǎn)DSPTMS320C6713B通過(guò)CPLD EPM570T100總線擴(kuò)展AD7865完成三相電壓、電流。頻率以及直流電壓等控制參數(shù)；坐標(biāo)變換等初級(jí)復(fù)雜浮點(diǎn)運(yùn)算；控制算法實(shí)現(xiàn)以及運(yùn)行狀態(tài)記錄存儲(chǔ)等。定點(diǎn)DSP TMS320F2812主要實(shí)現(xiàn)外設(shè)功能和部分定點(diǎn)運(yùn)算。TMS320-F2812通過(guò)雙端口RAM IDT70V25讀取TMS320C6713B的運(yùn)算結(jié)果；通過(guò)事件管理器模塊EVA、EVB實(shí)現(xiàn)SPWM，SVPWM；故障狀態(tài)檢測(cè)與保護(hù)；系統(tǒng)主回路開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸入輸出等。FPGA EP2C20Q240通過(guò)HPI接口與TMS320C6713B連接，通過(guò)McBSP接口與TMS320F2812。遠(yuǎn)程PC機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在線更新雙DSP程序，從而更方便調(diào)試雙DSP。
2．3 PWM信號(hào)產(chǎn)生與輸出電路
    控制平臺(tái)通過(guò)SPWM、SVPWM等調(diào)制產(chǎn)生PWM控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)變流器的控制，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制IGBT、IPM模塊的主回路開(kāi)關(guān)器，逆變產(chǎn)生交流輸出。在通用控制平臺(tái)上，將TMS320F2812中事件管理器EVA、EVB的16路PWM信號(hào)引入CPLD EPMl270T144，經(jīng)CPLD處理和SN75451驅(qū)動(dòng)后采用光纖HFBRl521輸出。通用控制平臺(tái)的PWM與主回路的驅(qū)動(dòng)模塊之間均經(jīng)光纖隔離，可有效消除主回路對(duì)控制平臺(tái)的干擾。驅(qū)動(dòng)板同時(shí)通過(guò)16路光纖接收器HFBR252l接收驅(qū)動(dòng)板發(fā)送的16路故障信號(hào)送至CPLD，用于封鎖PWM輸出。圖4為單路光纖收發(fā)電路。

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    CPLD整形TMS320F2812輸出的16路PWM信號(hào)，包括增加互補(bǔ)脈沖、添加死區(qū)、限制最小脈寬等；按實(shí)際要求封鎖脈沖、完成保護(hù)動(dòng)作并輸出故障信號(hào)。CPLD輸出的PWM信號(hào)接下拉電阻，這樣在CPLD輸出高阻時(shí)PWM輸出為確定的低電平，避免在復(fù)位期間或CPLD無(wú)裝載程序時(shí)因PWM信號(hào)狀態(tài)不確定導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件誤導(dǎo)通。
2．4開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸入與輸出電路
    控制平臺(tái)通過(guò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)量的輸入，讀入主回路空氣開(kāi)關(guān)、斷路器、按鍵等通斷狀態(tài)；通過(guò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸出及控制輸出繼電器的通斷控制主回路斷路器、排氣扇控制開(kāi)關(guān)等。開(kāi)關(guān)量的輸入輸出由數(shù)據(jù)、地址總線、74LVC245、光耦TLP52l和繼電器等構(gòu)成。開(kāi)關(guān)量的輸入通過(guò)74LV-C244轉(zhuǎn)換為3．3 V電平，送入TMS320F2812；開(kāi)關(guān)量經(jīng)74LVC244輸出以控制信號(hào)燈和繼電器等，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)試、指示、保護(hù)動(dòng)作等功能。本設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)狀態(tài)量共8路輸入輸出均經(jīng)光耦隔離，采用24 V單獨(dú)供電。光耦隔離和單獨(dú)供電能有效隔離主回路和控制平臺(tái)，從而減少主同路對(duì)控制平臺(tái)的干擾。
2．5通信模塊與人機(jī)界面(HMI)
    大功率變流器工作時(shí)，控制平臺(tái)通過(guò)通信電路與人機(jī)交互界面、上位機(jī)等其他系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。該通信電路由FPGA控制。為使雙DSP能夠在線更新程序，調(diào)試方便，利用1片F(xiàn)PGA EP2C20Q240和網(wǎng)絡(luò)控制器RTL8019擴(kuò)展以太網(wǎng)。FPGA需外擴(kuò)l片SDRAM HY57V641620和1片F(xiàn)lashE28F640用于存儲(chǔ)FPGA運(yùn)行時(shí)需要載入的軟核Nios II和μCLinux操作系統(tǒng)。通用控制平臺(tái)為實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)界面(HMI)，還擴(kuò)展1塊LCD和鍵盤輸入電路。鍵盤輸入電路由ZLG7290控制，通過(guò)I2C總線與FPGA通信；ICD為并行接口，其數(shù)據(jù)線與網(wǎng)卡控制器RTL8019復(fù)用，控制信號(hào)由FPGA直接發(fā)送。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化、通信、MD采樣、控制算法、SPWM調(diào)制、故障檢測(cè)與處理等程序。圖5為主程序流程。

4 結(jié)束語(yǔ)
    將該大功率變流器通用控制平臺(tái)應(yīng)用于400 kVA岸電電源樣機(jī)，進(jìn)行基于SVPWM的電機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)諧波造成的電機(jī)振動(dòng)；對(duì)主回路各路電壓、電流采樣數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)儀表測(cè)試結(jié)果基本相同；保護(hù)電路能正常動(dòng)作；通信功能正常，實(shí)現(xiàn)雙DSP在線更新程序。需要注意的是該設(shè)計(jì)為通用控制平臺(tái)，各項(xiàng)外設(shè)功能完備，實(shí)際產(chǎn)品中需要根據(jù)相關(guān)需求進(jìn)行模塊化裁剪。與傳統(tǒng)大功率變流器專用控制器相比，該通用控制平臺(tái)運(yùn)算能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，能同時(shí)進(jìn)行定點(diǎn)和浮點(diǎn)運(yùn)算，具有精確可靠的模擬電路，通信資源豐富且抗干擾能力強(qiáng)。