CN103178695B - 基于dsp+fpga通用型变流控制平台 - Google Patents

Abstract

一种基于DSP+FPGA通用型变流控制平台，属于变频控制技术领域。采用的是模块化、总线式结构。包括DSP+FPGA主控单元、数字信号控制单元、模拟信号控制单元、电源供电单元、保护单元、底板总线单元。各个单元间的信号都是通过底板总线单元进行传递，即各个单元都与底板总线单元相连。电源供电单元给其他各个单元进行供电。模拟信号控制单元通过底板总线单元，将采集模拟信号传递给DSP+FPGA主控单元，DSP+FPGA单元再通过底板总线单元，将数字信号传递给数字信号控制单元；保护单元通过底板总线单元，将故障信号传递给DSP+FPGA主控单元。优点在于，有利于缩短开发周期、增强扩展性，建立模块化、通用型硬件和软件平台。<!--1-->

Description

基于DSP+FPGA通用型变流控制平台

技术领域

本发明属于变频控制技术领域，提出了一种基于DSP+FPGA(DSP为数字信号处理，DigitalSignalProcessing，简称DSP；FPGA为现场可编程门阵列，Field－ProgrammableGateArray，简称FPGA)通用型变流控制平台，适用于PWM整流器、双PWM变换器、多路PWM控制多级变流器以及高性能闭环控制的电力电子变流器的研究。

背景技术

目前，变流器控制在交流变频调速、供电电源、电力系统输配电、电能质量控制等方面的应用十分广泛。在实际应用中控制对象和控制算法的不同，比如，在风电并网控制和直流输电中多级变流器控制中，对控制平台的要求相应也不尽相同，既存在共性，也有差异。变流控制系统具有相同或相近的主回路结构，其控制器结构基本是由信号调理电路转换电路微处理器或单片机发生器开关量输入输出与上位机通信串口或网口电路等部分组成，因此变流器装置控制器具有广泛的共性。但是在实验研究中，一般采用为不同的变流器分别开发专用的控制平台的方案。同时，随着电力电子技术的发展，对控制平台也提出了更高的标准，要求控制平台能应用于多种复杂、高性能电力电子变换的研究开发，变流控制系统专用的控制平台则显现其不适之处：不具备通用性、运算速度和精度不够、数据存储量小、可用资源十分有限、可扩展性差、应用灵活性不够、系统功能不够完备的特点，从而造成开发周期长，成本高，利用率不高、资源浪费等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于DSP+FPGA通用型变流控制平台，克服了不具备通用性、运算速度和精度不够、数据存储量小、可用资源十分有限、可扩展性差、应用灵活性不够等问题。为PWM整流器、双PWM变换器、多路PWM控制多级变流器以及高性能闭环控制的电力电子变流器的研究应用提供了通用型控制平台基础，有利于缩短开发周期、增强扩展性，建立模块化、通用型硬件和软件平台。

本发明采用的是模块化、总线式结构。包括DSP+FPGA主控单元、数字信号控制单元、模拟信号控制单元、电源供电单元、保护单元、底板总线单元。各个单元间的信号都是通过底板总线单元进行传递，即各个单元都与底板总线单元相连。电源供电单元与底板总线单元相连，给其他各个单元进行供电。模拟信号控制单元通过底板总线单元，将采集模拟信号传递给DSP+FPGA主控单元，通过对数据的处理和控制算法的计算，DSP+FPGA单元再通过底板总线单元，将数字信号传递给数字信号控制单元；保护单元通过底板总线单元，将故障信号传递给DSP+FPGA主控单元。

DSP+FPGA主控单元包括DSP芯片、FPGA芯片和AD采样芯片。DSP芯片与FPGA芯片相连，AD采用芯片与FPGA芯片相连。模拟信号控制单元将采集的模拟信号送到DSP+FPGA主控单元，AD芯片将模拟信号转换成数字信号，FPGA芯片读取AD芯片的数字信号，并进行存储，DSP再读取FPGA内部的数字信号，在DSP上完成数据进行处理计算和控制信号输出。DSP采用的是TI公司新推出的一款C2000系列的浮点型数字信号处理器TMS320F28335；FPGA采用的是ATERAL公司的Cyclone系列的第四代产品EP4C115E；AD芯片采用的是2片AD7606。

电源供电单元用来给控制平台供电，主要包括AC/DC开关电源和DC/DC开关电源。220V市电通过AC/DC开关电源，将交流电压转化成直流电压，再通过DC/DC开关电源，将直流电压转化成供电平台所需的各电压等级。

数字信号控制单元包括光耦隔离电路、故障封锁电路、光电转换电路；光耦隔离电路与光电转换电路相连，故障封锁电路与光耦隔离电路相连。底板总线单元传送的数字信号通过光耦隔离电路进行隔离，减少外界干扰，再通过光电转换电路将数字信号转换成光信号通过光纤传输。当发生故障时，故障封锁电路通过光耦隔离电路对数字信号进行封锁。

模拟信号控制单元包括信号采集电路和信号调理电路，信号采集电路与信号调理电路相连。信号采集电路通过霍尔传感器采集主回路中电压和电流模拟信号，再将模拟信号送给信号调理电路，通过调理电路对模拟信号进行滤波、比例放大处理。然后将模拟信号通过底板总线单元传递给DSP+FPGA主控单元。霍尔电压传感器型号为LV28-P，霍尔电流传感器是LA100-P。

保护单元包括过流和过压保护电路，模拟信号控制单元通过底板总线单元将采集的模拟信号传递给过流过压保护电路，保护电路判断是否过压过流，假如发生过压或过流，则产生故障信号，并将故障信号通过底板总线单元传递给DSP+FPGA主控单元。

底板总线单元与各个单元相连，主要功能是传递各单元之间的信号。

为了实现PWM整流器、双PWM变换器、多路PWM控制多级变流器以及高性能闭环控制的电力电子变流器的研究，按照PWM输出数量的不同，将控制平台分成两种工作方式：PWM数量<=12路；PWM数量>12路。

（1）PWM数量<=12路

模拟信号控制单元采集主回路的电压电流信号，通过底板总线单元传递给DSP+FPGA主控单元的AD采样芯片，FPGA通过对AD芯片控制，启动AD转换，读写取AD数据，并对数据进行数字滤波和存储，DSP再读取FPGA内的AD采样实时数据，然后进行算法计算，并通过DSP内部的ePWM模块产生PWM脉冲信号，再将PWM脉冲信号传送给FPGA，FPGA再将PWM脉冲信号通过底板总线单元传递给数字信号控制单元，数字信号控制单元将PWM脉冲信号转换成光纤信号，实现变流器控制。保护单元可以监测主回路电压和电流，判断是否发生过压过流故障，当发生故障时，保护单元产生故障信号，通过底板总线单元将故障信号传递给DSP+FPGA主控单元，FPGA通过故障信号实现对PWM脉冲的封锁，实现变流器保护，此外FPGA还实现对其他外围电路或芯片的译码、访问与控制。

（2）当PWM数量＞12路

模拟信号控制单元采集主回路的电压电流信号，通过底板总线单元传递给DSP+FPGA主控单元，FPGA通过对AD芯片控制，启动AD转换，读写取AD数据，并对数据进行数字滤波和存储，DSP再读取FPGA内的AD采样实时数据，将计算结果(占空比)写入FPGA。FPGA根据DSP计算结果完成PWM脉冲的产生、扩展，以实现大于12路PWM脉冲信号的输出。其他单元功能与工作方式（1）相同。

本发明的优点、积极效果：

为PWM整流器、双PWM变换器、多路PWM控制多级变流器以及高性能闭环控制的电力电子变流器的研究应用提供了高精度和高速度的通用型控制平台基础，有利于缩短开发周期、增强扩展性，建立模块化、通用型硬件和软件平台。

附图说明

图1为控制平台前视图。

图2为控制平台后视图。

图3为控制平台的功能结构图。

图4为DSP与FPGA的连接示意图。

图5为PWM数量<=12路时，DSP+FPGA主控单元功能原理图。

图6为PWM数量＞12路时，DSP+FPGA主控单元功能原理图。

具体实施方式

本发明DSP+FPGA通用型变流控制平台采用模块化、总线式结构。包括DSP+FPGA主控单元，数字信号控制单元，模拟信号控制单元，保护单元，电源供电单元，底板总线单元。

图1为控制平台前视图，图2为控制平台后视图。DSP+FPGA主控单元插在底板总线单元正面上，数字信号控制单元、模拟信号控制单元、保护单元、电源供电单元相互平行，分别垂直插在底板总线单元的背面，形成一个柜形结构，并且各单元是通过插针和插槽连接，可以方便对各个模块进行组装和拆卸。这种模块化、总线式的柜形结构，保证了控制平台的高度通用性和灵活性。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

图3是本发明的功能结构图，说明各单元之间的连接关系。各个单元间的信号都是通过底板总线单元进行传递，即各个单元都与底板总线单元相连。首先，电源供电单元与底板总线单元相连，在电源供电单元中生成控制平台所需的各个等级的电压，通过底板总线单元给其他各个单元进行供电。模拟信号控制单元通过底板总线单元，将采集模拟信号传递给DSP+FPGA主控单元，通过对数据的处理和控制算法的计算，DSP+FPGA单元再通过底板总线单元，将数字信号传递给数字信号控制单元；保护单元通过底板总线单元，将故障信号传递给DSP+FPGA主控单元。

图4为DSP和FPGA的连接示意图。DSP的数据总线引脚、地址总线引脚、读写信号引脚、片选信号引脚、中断信号引脚、12路PWM信号引脚、8路eQEP信号引脚与FPGA的IO引脚相连，这种连接方式具有的功能：

（1）DSP可以方便的读取FPGA中采集的数据，并通过FPGA扩展了访问控制范围；

（2）DSP还可以将占空比数据通过总线写给FPGA，根据DSP计算结果，在FPGA内部形成PWM模块，完成PWM脉冲的产生、扩展，以实现更多数量的PWM脉冲路数。

（3）FPGA内部可以构成故障保护逻辑单元，判断故障的发生。当故障发生时，在FPGA内部对PWM脉冲进行封锁。

本发明的控制平台设计用于PWM整流器、双PWM变换器、多路PWM控制多级变流器以及高性能闭环控制的电力电子变流器的研究，根据按照PWM输出的数量的不同，控制平台可以分成以下两种方式工作：PWM数量<=12路；PWM数量>12路。根据工作方式的不同，DSP+FPGA主控单元功能原理图也相应的不同。

如图5所示，为PWM数量<=12路时，DSP+FPGA主控单元功能原理图；

DSP完成的主要功能是控制算法运算、PWM脉冲输出、通信功能；FPGA的主要功能是数据存储、数字滤波、访问控制中断的收发(包括AD7606读写和其他外围电路的译码)、故障封锁与PWM输出、正交编码信号和电网频率信号的采集。DSP通过中断读取FPGA存放于FIFO内的AD采用实时数据，然后进行算法计算，并通过ePWM模块产生小于或等于12路PWM脉冲信号，PWM脉冲信号由FPGA进一步实现保护、封锁等功能；FPGA通过对AD芯片的访问控制，启动AD转换，读写取AD数据，通过保护信号实现对PWM脉冲的封锁，实现变流器保护，对IO信号进行数字滤波算法，进行前置处理，此外FPGA还实现对其他外围电路或芯片的译码、访问与控制。

如图6所示，为PWM数量>12路时，DSP+FPGA主控单元功能原理图。

该方式与第一种方式的区别是DSP仅完成算法运算、通信功能，不再实现PWM输出，FPGA完成PWM脉冲的产生与扩展，从而实现大于12路PWM脉冲数的输出，FPGA的其他功能类似于第一种方式。DSP通过读取FPGA实时采集的AD数据，然后进行算法运算，将计算结果(占空比)写入FPGA。FPGA根据DSP计算结果完成脉冲的产生、扩展以实现产生大于12路的脉冲数。

根据PWM数量的不同，合理采用不同的工作方式，充分发挥DSP和FPGA自身的资源和优势，保证控制平台高效工作。

Claims (3)

1.一种基于DSP+FPGA通用型变流控制平台，其特征在于，包括DSP+FPGA主控单元、数字信号控制单元、模拟信号控制单元、电源供电单元、保护单元、底板总线单元；各个单元间的信号都是通过底板总线单元进行传递，即各个单元都与底板总线单元相连；电源供电单元与底板总线单元相连，给其他各个单元进行供电；模拟信号控制单元通过底板总线单元，将采集模拟信号传递给DSP+FPGA主控单元，通过对数据的处理和控制算法的计算，DSP+FPGA主控单元再通过底板总线单元，将数字信号传递给数字信号控制单元；保护单元通过底板总线单元，将故障信号传递给DSP+FPGA主控单元；

DSP+FPGA主控单元包括DSP芯片、FPGA芯片和AD采样芯片；DSP芯片与FPGA芯片相连，AD采样芯片与FPGA芯片相连；模拟信号控制单元将采集的模拟信号送到DSP+FPGA主控单元，AD采样芯片将模拟信号转换成数字信号，FPGA芯片读取AD采样芯片的数字信号，并进行存储，DSP再读取FPGA内部的数字信号，在DSP上完成数据进行处理计算和控制信号输出；

电源供电单元用来给控制平台供电，包括AC/DC开关电源和DC/DC开关电源；220V市电通过AC/DC开关电源，将交流电压转化成直流电压，再通过DC/DC开关电源，将直流电压转化成供电平台所需的各电压等级；

数字信号控制单元包括光耦隔离电路、故障封锁电路、光电转换电路；光耦隔离电路与光电转换电路相连，故障封锁电路与光耦隔离电路相连；底板总线单元传送的数字信号通过光耦隔离电路进行隔离，减少外界干扰，再通过光电转换电路将数字信号转换成光信号通过光纤传输；当发生故障时，故障封锁电路通过光耦隔离电路对数字信号进行封锁；

模拟信号控制单元包括信号采集电路和信号调理电路，信号采集电路与信号调理电路相连；信号采集电路通过霍尔传感器采集主回路中电压和电流模拟信号，再将模拟信号送给信号调理电路，通过调理电路对模拟信号进行滤波、比例放大处理；然后将模拟信号通过底板总线单元传递给DSP+FPGA主控单元；

保护单元包括过流和过压保护电路，模拟信号控制单元通过底板总线单元将采集的模拟信号传递给过流过压保护电路，保护电路判断是否过压过流，当发生过压或过流，则产生故障信号，并将故障信号通过底板总线单元传递给DSP+FPGA主控单元；

将控制平台分成两种工作方式：PWM数量<＝12路；PWM数量>12路；

PWM数量<＝12路

模拟信号控制单元采集主回路的电压电流信号，通过底板总线单元传递给DSP+FPGA主控单元的AD采样芯片，FPGA通过对AD采样芯片控制，启动AD转换，读取AD数据，并对数据进行数字滤波和存储，DSP再读取FPGA内的AD采样实时数据，然后进行算法计算，并通过DSP内部的ePWM模块产生PWM脉冲信号，再将PWM脉冲信号传送给FPGA，FPGA再将PWM脉冲信号通过底板总线单元传递给数字信号控制单元，数字信号控制单元将PWM脉冲信号转换成光纤信号，实现变流器控制；保护单元监测主回路电压和电流，判断是否发生过压过流故障，当发生故障时，保护单元产生故障信号，通过底板总线单元将故障信号传递给DSP+FPGA主控单元，FPGA通过故障信号实现对PWM脉冲的封锁，实现变流器保护，此外FPGA还实现对其他外围电路或芯片的译码、访问与控制；

当PWM数量＞12路

模拟信号控制单元采集主回路的电压电流信号，通过底板总线单元传递给DSP+FPGA主控单元，FPGA通过对AD采样芯片控制，启动AD转换，读取AD数据，并对数据进行数字滤波和存储，DSP再读取FPGA内的AD采样实时数据，将计算结果占空比写入FPGA；FPGA根据DSP计算结果完成PWM脉冲的产生、扩展，以实现大于12路PWM脉冲信号的输出；其他单元功能与工作方式与PWM数量<＝12路时相同。

2.根据权利要求1所述的变流控制平台，其特征在于，所述的DSP采用C2000系列的浮点型数字信号处理器TMS320F28335；FPGA采用EP4C115E；AD采样芯片采用的是2片AD7606。

3.根据权利要求2所述的变流控制平台，其特征在于，所述的霍尔电压传感器型号为LV28-P，霍尔电流传感器是LA100-P。