CN106774030B - 一种基于dsp+fpga的电力电子系统的通用控制器 - Google Patents
一种基于dsp+fpga的电力电子系统的通用控制器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于DSP+FPGA的电力电子系统的通用控制器，属于电力电子系统控制技术领域。包括一块DSP控制电路板(简称DSP板)、一块或多块可扩展的FPGA控制电路板(简称FPGA板)，FPGA板通过两个2×40引脚的并行接口板至板连接至DSP板，FPGA板位于DSP板上方，可以可通过这两个并行接口往上叠加扩展更多的FPGA板，也可以通过两个数字信号I/O接口板至板扩展其他功能电路板。DSP板执行数字信号处理和控制算法计算；FPGA板负责生成并输出PWM脉冲驱动控制信号，数字信号输入/输出，模拟信号输入/输出，光纤输入/输出，模拟信号调理和转换，系统故障监测和保护。本控制器的优点是具有通用性、高可扩展性、开放性和安全性，支持硬件再编程，可用于控制任何拓扑结构的电力电子变换器。
Description
技术领域
本发明属于电力电子系统控制技术领域，具体涉及一种基于DSP+FPGA(DSP为数字信号处理器，Digital Signal Processing，简称DSP；FPGA为现场可编程门阵列，FieldProgrammable Gate Array，简称FPGA)的电力电子系统的通用控制器。
背景技术
电力电子变换装置在电机调速系统、地面电力系统、飞机和舰船电力系统中应用非常广泛，比如在飞机电力系统中，具有多种拓扑结构的电力电子变换装置，有PWM整流器、PWM逆变器和双PWM变换器，随着电力电子技术的发展，可能应用到矩阵变换器和其他拓扑结构的电子电子变换装置，不同拓扑结构的电力电子变换装置的控制器之间既有共性，也有差异，为了节省电力电子变换装置控制器的开发周期和成本，现有发明的一种通用型变流控制平台，解决了一部分的通用性问题，但是该控制器使用的DSP运算速度不够快，可能不利于控制碳化硅器件的电力电子变换装置，PWM脉冲数量受限于DSP芯片内部的PWM发生模块，可输出的PWM脉冲数量不够多，控制器可扩展性不足，可能不利于对高可靠性要求的电力电子变换装置进行冗余设计和容错控制，PWM脉冲要经过地板总线单元中转才能输出，不能直接输出PWM脉冲，可能使走线复杂。
发明内容
为了克服现有的电力电子系统控制器的通用性和可扩展性不足的缺点，本发明提出了一种通用控制器，一种适用于任何电力电子系统的控制器，具有通用性、高可扩展性、安全性和开放性，不仅适用于Buck、Boost及Buck-Boost电路、PWM整流器、PWM逆变器和双PWM变换器，也适用于单级矩阵变换器和双级矩阵变换器，还适用于多电平整流器、多电平逆变器和多电平矩阵变换器。
本发明采用的技术方案为：一种基于DSP+FPGA的电力电子系统的通用控制器，包括一块DSP板、一块或多块可叠加扩展的FPGA板；FPGA板通过两个2×40引脚的并行接口，板至板连接至DSP板，FPGA板位于DSP板上方，并可通过这两个并行接口继续往上叠加扩展更多的FPGA板，也可以通过两个数字信号I/O接口板至板扩展其他功能电路板；DSP板进行数字信号处理和计算；FPGA板负责生成并输出PWM脉冲驱动控制信号，数字信号的输入/输出，模拟信号的输入/输出，光纤输入/输出，对模拟信号调理和转换，对系统故障进行监测和保护；每一块FPGA板可输出56路PWM脉冲或数字信号，可输出四路模拟信号，有12路光纤输入/输出，可对模拟信号进行调理和转换，可对系统故障进行监测和保护。
其中，DSP板直接采用TI公司的TMDSDSK6713开发板，板载DSP芯片为C6000系列的浮点型数字信号处理器TMS320C6713B，主频时钟300MHz，每秒可运行定点指令24亿条，浮点指令18亿条；还使用了板上的一个2×40引脚的外设扩展接口(External PeripheralInterface)和一个2×40引脚的外部存储器接口(External Memory Interface)；DSP芯片通过这两个2×40引脚的并行接口与FPGA芯片进行数据、地址和控制信号通讯，DSP板也通过这两个并行接口为FPGA电路板提供电源。
其中，每一块自主研发的FPGA板包括：一片FPGA芯片，采用Microsemi公司的ProASIC3系列的FPGA芯片，芯片自身支持128位片上高级加密标准AES，实现控制器的信息安全；十个ADC通道，每个通道的ADC转换芯片为LTC1407A，ADC通道既可以采集电流信号也可以采集电压信号；两个2×40引脚的并行接口，用于向下与DSP板相连，向上扩展更多的FPGA板，也可以通过两个数字信号I/O接口(一个2×13引脚的并行接口，一个2×15引脚的并行接口)板至板向上叠加扩展其他功能电路板，实现控制器的高可扩展性；56路用户可配置的数字I/O，可自由定义数字信号的方向，每个数字I/O都可以输出PWM脉冲，实现了控制器的通用性；20路模拟输入I/O，用于采集电力电子系统的电压和电流信号，FPGA板对每一个模拟输入I/O都设计了安全保护电路，只要检测到故障状态，FPGA芯片内的故障监测和保护电路便封锁PWM脉冲信号，并将当前的故障状态返回DSP芯片；一个LED显示器，用于显示当前的故障状态，以供操作人员进行安全操作，实现控制器的操作安全。
其中，每一种典型或非典型的工作模式的工作机理相同，模拟输入I/O采集电压或电流信号经过ADC通道的调理和转换，变成32位数字信号缓存在FPGA芯片里等待DSP芯片读取，DSP芯片读取到FPGA芯片里的数字信号，经过既定的控制算法，将计算得到的控制信号通过2×40引脚的并行接口发送到FPGA芯片，FPGA芯片接收到控制信号后产生并输出PWM脉冲，同时向DSP芯片发回一个PWM中断信号；FPGA板上和FPGA芯片内部都设计了故障监测和保护电路，保证在不同的工作模式下，针对不同的软硬件故障都能启动保护措施；不同工作模式之间的区别在于DSP控制程序不同，FPGA硬件程序略有区别，输出的PWM脉冲数量可能不同。
其中，该控制器具有通用性、高可扩展性、安全性和开放性，可用于控制任何拓扑结构的电力电子系统，可输出任意数量的PWM脉冲；
根据电力电子系统的拓扑结构及其需要的PWM脉冲数量，本通用控制器的工作模式可分为典型工作模式和非典型工作模式；典型工作模式包括：
典型模式一，Buck、Boost及Buck-Boost电路，PWM数量<6；
典型模式二，三相PWM整流器模式，PWM数量＝6；
典型模式三，三相PWM逆变器模式，PWM数量＝6；
典型模式四，双PWM变换器模式，PWM数量＝12；
典型模式五，三相输出的单级矩阵变换器模式，PWM数量＝18；
典型模式六，带冗余输出相的单级矩阵变换器模式，PWM数量＝24；
典型模式七，三相输出双级矩阵变换器模式，PWM数量＝18；
典型模式八，带冗余输出相的双级矩阵变换器模式，PWM数量＝24；
非典型工作模式包括：多电平整流器、多电平逆变器、多电平双PWM变换器、多电平矩阵变换器。
其中，得益于FPGA芯片的硬件可编程特征和FPGA电路板可叠加扩展的特征，由于每块FPGA板设计了高达56路数字I/O和10个ADC通道，以及预留的四个模拟输出I/O和12个光纤接口，可供开发人员在现有的硬件资源条件下，对FPGA芯片进行硬件再编程设计，进一步开发控制器的功能，实现了控制器的开放性。
其中，DSP板采用TI公司的TMDSDSK6713开发板，板载DSP芯片为C6000系列的浮点型数字信号处理器TMS320C6713B，主频时钟300MHz，每秒可运行定点指令24亿条，浮点指令18亿条；FPGA板为自主设计，FPGA芯片采用Microsemi公司的ProASIC3系列，采用PQ208类型的封装，这类FPGA芯片具有最高一百万个门电路和最多300个用户可配置I/O，FPGA芯片支持128位片上高级加密标准AES，ProASIC3系列不同型号的FPGA芯片的功能引脚之间有细微差别，FPGA板已对这些差别做了适应性设计；每一个ADC通道采用的ADC芯片为LTC1407A。
本发明的优点和积极效果：
(1)本发明为Buck、Boost及Buck-Boost电路、PWM整流器、PWM逆变器、双PWM变换器、单级矩阵变换器、双级矩阵变换器、多电平整流器、多电平逆变器和多电平矩阵变换器等电力电子系统提供了一个通用的控制器；
(2)本发明的高可扩展性为电力电子系统的可靠性研究提供了便利，可利用本发明对电力电子变换装置进行冗余设计和容错控制；
(3)本发明可专门应用于航空航天领域、汽车电子和风力发电领域，为这些领域对电力电子变换装置的可靠性、体积和重量要求高的应用场合提供了一个适用的控制器；
(4)本发明的信息安全性严格保护知识产权，可用于研制商业化生产的电力电子系统；
(5)本发明的开放性有利于开放式开发设计，对控制器的功能进行进一步开发，有利于建立更完善的电力电子系统控制平台。
附图说明
图1为控制器的板至板连接结构示意图。
图2为FPGA板的结构示意图。
图3为控制器的原理示意图。
图4为扩展FPGA板之后的控制器板至板连接结构示意图。
图5为扩展FPGA板之后的控制器原理示意图。
图6为通用控制器典型工作模式六的硬件示意图。
图7为通用控制器在典型工作模式六下工作得到的实验波形。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
本发明一种基于DSP+FPGA的电力电子系统的通用控制器，包括一块DSP板、一块或多块可叠加扩展的FPGA板；DSP控制板为TI公司的TMDSDSK6713开发板，板载DSP芯片为C6000系列的浮点型数字信号处理器TMS320C6713B，板上还有一个2×40引脚的外设扩展接口(External Peripheral Interface)和一个2×40引脚的外部存储器接口(ExternalMemory Interface)；FPGA板包括一片FPGA芯片、十个ADC通道、两个2×40引脚的并行接口、56路用户可配置的数字I/O、20路模拟输入I/O、四路模拟输出I/O，12个光纤接口和一个LED显示器。
图1为控制器的结构示意图，FPGA板通过两个2×40引脚的并行接口，板至板连接至DSP板，FPGA板位于DSP板上方，DSP芯片通过这两个并行接口与FPGA芯片进行数据、地址和控制信号通讯，控制器的电源端口在DSP板上，通过两个2×40引脚的并行接口向FPGA板供电。
图2为FPGA板的结构示意图，FPGA芯片采用Microsemi公司的ProASIC3系列A3P400，具有400K个门电路和194个用户可配置I/O；ADC通道采用的ADC转换芯片为LTC1407A，既可以采集电流信号也可以采集电压信号；两个2×40引脚的并行接口用于向下与DSP板相连、向上扩展更多的FPGA板；56路用户可配置的数字I/O可至多输出56路PWM脉冲；20路模拟输入I/O用于采集电力电子系统的电压和电流信号，FPGA板对每一路模拟输入I/O都设置了安全保护电路；LED显示器显示当前的故障状态，供操作人员进行安全操作；四路模拟输出I/O和12个光纤接口留作开放开发使用，供开发人员利用预留的硬件资源对FPGA芯片进行硬件再编程设计，对控制器的功能进一步开发。
图3为控制器的原理示意图，模拟输入I/O采集到电压/电流信号，经过ADC通道的调理和转换，变成32位的外设数据缓存在FPGA芯片里等待DSP芯片读取，DSP芯片读取到FPGA芯片里的数字信号，经过既定的控制算法，将计算得到的PWM脉宽序列和占空比等控制信号通过2×40引脚的并行接口发送到FPGA芯片，FPGA芯片接收到信号后由PWM发生器模块产生PWM脉冲，经过FPGA芯片内设计的死区/换流控制模块，再经过电平转换后输出PWM脉冲到数字信号I/O接口，同时PWM发生器模块向DSP芯片发回一个PWM中断信号；FPGA芯片内设计了看门狗电路和开路检测电路，每个ADC通道设计了模拟越限检测电路，在控制器的任意工作模式下，只要有任何软硬件故障发生，如看门狗电路检测FPGA芯片的运行故障、开路检测电路根据ADC通道采集的数据检测到开路故障，或ADC通道的模拟信号越限检测电路检测到模拟信号超越限定值，FPGA芯片设计的故障捕获模块都会向DSP芯片发送故障指示信号，DSP芯片读取到故障指示信号后随即进行安全决策，同时FPGA芯片向LED显示模块发送信号，将故障信息显示在FPGA板的LED显示器上，以供操作人员看到后进行安全操作，实现控制器的故障检测和保护。
图4为扩展FPGA板之后的控制器结构示意图，由于DSP板和FPGA板进行通讯时只占用了两个2×40引脚的并行接口中的小部分引脚，因此可以利用FPGA板的结构特点往上叠加扩展一块或多块，图中的两块FPGA板与DSP芯片通讯时占用的并行接口引脚不同，两块板使用相同的供电方式。
图5为扩展FPGA板之后的控制器原理示意图，扩展之后的控制器工作原理和扩展之前完全相同，扩展之后的FPGA板向DSP芯片发回两个不同的PWM中断信号和两个不同的故障指示信号，图中的控制器可以采集至多20×2＝40路模拟信号，可以输出至多56×2＝112路PWM脉冲，适用于控制所有场合的电力电子系统。
图6为通用控制器典型工作模式六的硬件示意图，控制对象为三相交流输入、四相交流输出(3×4)的直接交-交变频的单级矩阵变换器，每一个功率模块代表一个输出相，其中功率模块4为冗余输出相，在正常工况下不工作，发生短路或开路故障后矩阵变换器可快速切除故障所在的输出相，切换到冗余输出相继续工作，在每个输出相上有三个功率双向开关，分别连接三相输入交流电源，一个功率双向开关由两个晶体管构成，因此3×4单级矩阵变换器共有24个晶体管，这种电力电子变换器具有航空、航天、航海等领域可用的冗余设计和容错设计功能，适用于高可靠性要求的场合，矩阵变换器的负载可以是永磁同步电机，也可以是别的类型的电机或阻感负载；通用控制器的ADC通道采集两路输入交流电的线电压，采集三相输出交流电的相电流，经过控制器既定的控制算法，通过控制器的数字I/O接口向矩阵变换器输出28路数字信号，其中包括四路矩阵变换器功率模块的使能信号和24路双向开关晶体管的PWM驱动信号，从而完成通用控制器典型模式六的工作。
图7为通用控制器在典型工作模式六下工作得到的实验波形，3×4单级矩阵变换器的输入为50Hz交流电源，通用控制器设定的输出频率为60Hz，电压调制比为0.8，矩阵变换器连接的负载为三相星形连接的阻感负载网络，该图为实际测量到的流过三相阻感负载的电流波形图。
Claims (7)
1.一种基于DSP+FPGA的电力电子系统的通用控制器，其特征在于：包括一块DSP板、一块或多块可叠加扩展的FPGA板；FPGA板通过两个2×40引脚的并行接口，板至板连接至DSP板，FPGA板位于DSP板上方，并可通过这两个并行接口继续往上叠加扩展更多的FPGA板，也可以通过两个数字信号I/O接口板至板扩展其他功能电路板；DSP板执行数字信号处理和控制算法计算；FPGA板负责生成并输出PWM脉冲驱动控制信号，数字信号的输入/输出，模拟信号的输入/输出，光纤输入/输出，对模拟信号调理和转换，对系统故障进行监测和保护；每一块FPGA板可输出56路PWM脉冲或数字信号，可输出四路模拟信号，有12路光纤输入/输出，可对模拟信号进行调理和转换，可对系统故障进行监测和保护。
2.根据权利要求1所述的一种基于DSP+FPGA的电力电子系统的通用控制器，其特征在于：DSP板采用TI公司的TMDSDSK6713开发板，板上有一个2×40引脚的外设扩展接口(External Peripheral Interface)和一个2×40引脚的外部存储器接口(ExternalMemory Interface)，DSP芯片通过这两个2×40引脚的并行接口与FPGA芯片进行数据、地址和控制信号通讯。
3.根据权利要求1所述的一种基于DSP+FPGA的电力电子系统的通用控制器，其特征在于：FPGA板为自主设计研发，包括一片FPGA芯片、10路ADC通道、两个2×40引脚的并行接口、56路用户可配置的数字I/O、20路模拟输入I/O、四路模拟输出I/O、12个光纤接口和一个LED显示器；每个ADC通道既可采集电流信号也可采集电压信号，每个数字I/O都可以配置为输出PWM脉冲，实现了控制器的通用性，两块或两块以上的FPGA板可以通过两个2×40引脚的并行接口往上叠加，也可以通过两个数字信号I/O接口板至板往上叠加扩展其他功能电路板，实现了控制器的通用性和高可扩展性；两个数字信号I/O接口分别为一个2×13引脚的并行接口和一个2×15引脚的并行接口；
FPGA电路板对每一路模拟输入I/O设置了硬件保护电路，板上的LED显示器显示当前的故障状态，以供操作人员看到后进行安全操作，只要检测到故障状态，FPGA芯片内的故障监测和保护电路便封锁PWM脉冲信号，并将当前的故障状态返回DSP芯片，DSP芯片根据返回的故障指示信号进行安全决策，实现了控制器的安全操作，另一方面，FPGA芯片自身支持的128位片上高级加密标准AES保证了控制器的信息安全。
4.根据权利要求1所述的一种基于DSP+FPGA的电力电子系统的通用控制器，其特征在于：每一种典型或非典型的工作模式的工作机理相同，模拟输入I/O采集电压或电流信号经过ADC通道的调理和转换，变成32位数字信号缓存在FPGA芯片里等待DSP芯片读取，DSP芯片读取到FPGA芯片里的数字信号，经过既定的控制算法，将计算得到的控制信号通过2×40引脚的并行接口发送到FPGA芯片，FPGA芯片接收到控制信号后产生并输出PWM脉冲，同时向DSP芯片发回一个PWM中断信号；FPGA板上和FPGA芯片内部都设计了故障监测和保护电路，保证在不同的工作模式下，针对不同的软硬件故障都能启动保护措施；不同工作模式之间的区别在于DSP控制程序不同，FPGA硬件程序略有区别，输出的PWM脉冲数量可能不同。
5.根据权利要求1所述的一种基于DSP+FPGA的电力电子系统的通用控制器，其特征在于：该控制器具有通用性、高可扩展性、安全性和开放性，可用于控制任何拓扑结构的电力电子系统，可输出任意数量的PWM脉冲；
根据电力电子系统的拓扑结构及其需要的PWM脉冲数量，本通用控制器的工作模式可分为典型工作模式和非典型工作模式；典型工作模式包括：
典型模式一，Buck、Boost及Buck-Boost电路，PWM数量<6；
典型模式二，三相PWM整流器模式，PWM数量＝6；
典型模式三，三相PWM逆变器模式，PWM数量＝6；
典型模式四，双PWM变换器模式，PWM数量＝12；
典型模式五，三相输出的单级矩阵变换器模式，PWM数量＝18；
典型模式六，带冗余输出相的单级矩阵变换器模式，PWM数量＝24；
典型模式七，三相输出双级矩阵变换器模式，PWM数量＝18；
典型模式八，带冗余输出相的双级矩阵变换器模式，PWM数量＝24；
非典型工作模式包括：多电平整流器、多电平逆变器、多电平双PWM变换器、多电平矩阵变换器。
6.根据权利要求1所述的电力电子系统的通用控制器，其特征在于：得益于FPGA芯片的硬件可编程特征和FPGA电路板可叠加扩展的特征，由于每块FPGA板设计了高达56路数字I/O和10个ADC通道，以及预留的四个模拟输出I/O和12个光纤接口，可供开发人员在现有的硬件资源条件下，对FPGA芯片进行硬件再编程设计，进一步开发控制器的功能，实现了控制器的开放性。
7.根据权利要求1所述的电力电子系统的通用控制器，其特征在于：DSP板采用TI公司的TMDSDSK6713开发板，板载DSP芯片为C6000系列的浮点型数字信号处理器TMS320C6713B，主频时钟300MHz，每秒可运行定点指令24亿条，浮点指令18亿条；FPGA板为自主设计，FPGA芯片采用Microsemi公司的ProASIC3系列，采用PQ208类型的封装，这类FPGA芯片具有最高一百万个门电路和最多300个用户可配置I/O，FPGA芯片支持128位片上高级加密标准AES，ProASIC3系列不同型号的FPGA芯片的功能引脚仅有细微差别，FPGA板已对这些差别做了适应性设计；每一个ADC通道采用的ADC芯片为LTC1407A。
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