基于雙DSP的大功率變流器通用控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)

1、基于雙dsp的大功率變流器通用控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)變流器技術(shù)及現(xiàn)代技術(shù)在溝通變頻調(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、ad轉(zhuǎn)換電路、微處理器(或)、發(fā)生器、開關(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個(gè)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)計(jì)劃。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討論，縮短其產(chǎn)品研發(fā)周期。1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖l為

2、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、實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算、hpi接口在線編程；而定點(diǎn)dsptms320f2812大事管理器實(shí)現(xiàn)pwm控制、轉(zhuǎn)速采集、開關(guān)狀態(tài)控制、故障檢測(cè)以及部分通信等功能。雙端口ram70v25實(shí)現(xiàn)雙dsp通信，具有idt70v25 8 k×16 bit分享區(qū)，規(guī)律忙與中斷拜訪仲裁方式。同時(shí)該控制系統(tǒng)擴(kuò)展有1片，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)21采集電路211、檢測(cè)電路為有效調(diào)整

3、變流器主回路輸出電壓、電流及功率因數(shù)等，分離采集三相電壓、電流信號(hào)和直流環(huán)節(jié)電壓等輸出信號(hào)。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ad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ad轉(zhuǎn)換器，采納+5 v供電；其內(nèi)部有1個(gè)24s的逐次靠近的ad轉(zhuǎn)換器，4個(gè)跟蹤保持，內(nèi)部25 v參考電壓，片上時(shí)鐘和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)

4、三相線電壓、三相電流、直流電壓和電流、輸入與輸出線電流均經(jīng)霍爾采集以電流輸出。輸出的電流信號(hào)通過插槽輸入ad采樣電路，經(jīng)精密轉(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型規(guī)律譯碼實(shí)現(xiàn)的。212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、qep2兩信任號(hào)，正轉(zhuǎn)時(shí)qepl相超前qep2相；反轉(zhuǎn)qep2相超前qepl相。按照光電編碼器輸

5、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°，可便利推斷旋轉(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)換為規(guī)律信號(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3所示。22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、庇護(hù)、通信等功能，因此采納浮點(diǎn)dsp+定點(diǎn)dsp+fpga的主控制器架構(gòu)。其中，浮點(diǎn)dsptms320c6713b通過cpld epm

6、570t100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通過雙端口ram idt70v25讀取tms320c6713b的運(yùn)算結(jié)果；通過大事管理器模塊eva、evb實(shí)現(xiàn)spwm，svpwm；故障狀態(tài)檢測(cè)與庇護(hù)；系統(tǒng)主回路開關(guān)狀態(tài)輸入輸出等。fpga ep2c20q240通過hpi接口與tms320c6713b銜接，通過mcbsp接口與tms320f2812。遠(yuǎn)程pc機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)在線更新雙dsp程序，從而更便利調(diào)試雙dsp

7、。23 pwm信號(hào)產(chǎn)生與輸出電路控制平臺(tái)通過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、ipm模塊的主回路開關(guān)器，逆變產(chǎn)生溝通輸出。在通用控制平臺(tái)上，將tms320f2812中大事管理器eva、evb的16路pwm信號(hào)引入cpld epml270t144，經(jīng)cpld處理和sn75451驅(qū)動(dòng)后采納光纖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，可有效消退主回路對(duì)控制平臺(tái)的干擾。驅(qū)動(dòng)板同時(shí)通過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。cpld整形tms

8、320f2812輸出的16路pwm信號(hào)，包括增強(qiáng)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、完成庇護(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，避開在復(fù)位期偶爾cpld無裝載程序時(shí)因pwm信號(hào)狀態(tài)不確定導(dǎo)致開關(guān)器件誤導(dǎo)通。24開關(guān)狀態(tài)輸入與輸出電路控制平臺(tái)通過開關(guān)狀態(tài)量的輸入，讀入主回路空氣開關(guān)、斷路器、按鍵等通斷狀態(tài)；通過開關(guān)狀態(tài)輸出及控制輸出的通斷控制主回路斷路器、排氣扇控制開關(guān)等。開關(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。開關(guān)量的輸入通過74lv-c244轉(zhuǎn)換為33 v電平

9、，送入tms320f2812；開關(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、庇護(hù)動(dòng)作等功能。本設(shè)計(jì)開關(guān)狀態(tài)量共8路輸入輸出均經(jīng)光耦隔離，采納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)，從而削減主同路對(duì)控制平臺(tái)的干擾。25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)試便利，利用1片fpga 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flashe28f640

10、用于存儲(chǔ)fpga運(yùn)行時(shí)需要載入的軟核nios ii和c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塊和鍵盤輸入電路。鍵盤輸入電路由zlg7290控制，通過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挺直發(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)，舉行基于svpwm的電機(jī)拖動(dòng)試驗(yàn)，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，未浮現(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；庇護(hù)