CN202183021U

CN202183021U - 一种基于dsp芯片和fpga芯片的高压变频器控制系统

Info

Publication number: CN202183021U
Application number: CN2011202723435U
Authority: CN
Inventors: 盛刚; 杨春国; 潘红娟; 竺伟; 戴佩刚
Original assignee: Shanghai Guangdian Electric Group Co Ltd
Current assignee: Shanghai Autowell Power Electronics Co., Ltd.
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2021-07-29

Abstract

本实用新型为一种基于DSP芯片和FPGA芯片的高压变频器控制系统。它包括DSP芯片、作为光纤通讯电路主控芯片的FPGA芯片、模拟信号调理电路、A/D转化芯片、D/A输出电路、4-20mA输入输出电路，4-20mA输入输出电路包括4-20mA输入模块和4-20mA输出模块；所述4-20mA输入模块、模拟信号调理电路、A/D转化芯片、DSP芯片依次相连；DSP芯片还分别与FPGA芯片、D\A输出电路相连，4-20mA输出模块与FPGA芯片相连。本实用新型的优点是：高精度的电流电压模拟信号的采样，DSP芯片高速的运算支持算法的实现，可实现高性能的电机矢量控制；同时可编程的FPGA芯片实现可靠高速的光纤通讯方式，保证系统的可靠性。

Description

一种基于DSP芯片和FPGA芯片的高压变频器控制系统

技术领域

本实用新型公开一种基于DSP芯片和FPGA芯片的高压变频器控制系统，属于电力电子控制技术领域。

背景技术

随着能源危机的出现，国家一直要求节能减排，高压变频器在电力，水泥等工业现场应用越来越多，并且对控制的性能要求也越来越高，基本的VF控制方式已不能完全满足现有的应用现场，这就需要使用矢量控制方式，而之前的控制系统所使用的控制器，存在主频不高，运算速度相对慢的缺点，不能支持矢量控制方式。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种采用高速的DSP芯片和可编程的FPGA芯片，实现高性能的控制和丰富的接口功能，增强运行可靠性的基于DSP芯片和FPGA芯片的高压变频器控制系统。

本实用新型是这样实现的：一种基于DSP芯片和FPGA芯片的高压变频器控制系统，其特征在于：包括作为数字处理器模块的DSP芯片、作为光纤通讯电路主控芯片的FPGA芯片、模拟信号调理电路、A/D转化芯片、D/A输出电路、4-20mA输入输出电路，所述4-20mA输入输出电路包括4-20mA输入模块和4-20mA输出模块；所述4-20mA输入模块、模拟信号调理电路、A/D转化芯片、DSP芯片依次相连；所述DSP芯片还分别与FPGA芯片、D/A输出电路相连，所述4-20mA输出模块与FPGA芯片相连。

还包括与DSP芯片相连的数据存储模块，所述数据存储模块在EEPROM、Flash、SRAM中任选一种或几种存储介质。

还包括开关输入输出电路，所述开关输入输出电路由与所述FPGA芯片相连的光耦隔离I、与光耦隔离I分别相连的开关输出电路和开关输入电路构成。

所述光纤通讯电路还包括相连的光纤接口电路、数字差分电路，所述数字差分电路与FPGA芯片相连。

所述模拟信号调理电路主要由与所述A/D转化芯片相连的积分电路、与A/D转化芯片相连的低通滤波电路、与低通滤波电路相连的模拟差分采样电路构成，所述低通滤波电路与所述4-20mA输入模块相连。

还包括串口通讯电路，所述串口通讯电路由光耦隔离II、与光耦隔离II分别相连的RS232接口、RS485接口构成，所述光耦隔离II与所述DSP芯片相连。

本实用新型的有益效果是：高精度的电流电压模拟信号的采样，DSP芯片高速的运算支持算法的实现，可实现高性能的电机矢量控制。同时可编程的FPGA芯片实现可靠高速的光纤通讯方式，保证了系统的可靠性。丰富的接口增加了系统的功能性。

附图说明

图1是本实用新型结构框图。

图2是本实用新型数据存储模块的结构示意图。

图3是本实用新型模拟信号调理电路与A/D转化芯片的连接结构框图。

图4是A/D转化芯片、D/A输出电路以及串口通讯电路的连接示意图。

图5是开关输入输出电路、光纤通讯电路以及4-20mA输出模块的连接示意图。

图4中：1、A/D转化芯片；2、DSP芯片；3、信号隔离芯片；4、FPGA芯片；5、D/A输出电路；6、串口通讯电路；7、RS232接口；8、RS485接口；9、光耦隔离II。

图5中：10、开关输入电路；11、开关输出电路；12、光纤通讯电路；13、4-20mA输出模块；14、光耦隔离I；15、光纤发送器；16、光纤接收器。

具体实施方式

根据图1，本实用新型包括作为数字处理器模块的DSP芯片、作为光纤通讯电路主控芯片的FPGA芯片、模拟信号调理电路、A/D转化芯片、D/A输出电路、4-20mA输入输出电路、与DSP芯片相连的数据存储模块、开关输入输出电路、串口通讯电路。

所述4-20mA输入输出电路包括4-20mA输入模块和4-20mA输出模块；所述4-20mA输入模块、模拟信号调理电路、A/D转化芯片、DSP芯片依次相连；所述DSP芯片还分别与FPGA芯片、D/A输出电路相连，所述4-20mA输出模块与FPGA芯片相连。所述数据存储模块在EEPROM、Flash、SRAM中任选一种或几种存储介质。所述开关输入输出电路由与所述FPGA芯片相连的光耦隔离I、与光耦隔离I分别相连的开关输出电路和开关输入电路构成。所述光纤通讯电路还包括相连的光纤接口电路、数字差分电路，所述数字差分电路与FPGA芯片相连。所述模拟信号调理电路主要由与所述A/D转化芯片相连的积分电路、与A/D转化芯片相连的低通滤波电路、与低通滤波电路相连的模拟差分采样电路构成，所述低通滤波电路与所述4-20mA输入模块相连。所述串口通讯电路由光耦隔离II、与光耦隔离II分别相连的RS232接口、RS485接口构成，所述光耦隔离II与所述DSP芯片相连。

下面就上述各个组成部分对本实用新型作进一步阐述。

如图2所示，本实用新型的数据存储模块由EEPROM、Flash、SRAM三种数据存储介质芯片组成，它们具有各自特点：Flash用于程序和日志记录的存储，SRAM用于上电运行中的大量数据保存，EEPROM用于设置参数的保存，重新上电开机可使用原有参数。DSP芯片控制三种存储介质，通过DSP芯片的EMIF接口的数据总线D[15..0]，地址总线A[18..0]，读写信号/OE、读写信号/WE和片选信号CE0、片选信号CE1直接与Flash、SRAM的对应信号连接；DSP芯片通过I2C总线即SCL、SDA与EERPOM对应信号连接。

如图3结合图1所示，模拟信号调理电路主要由积分电路、低通滤波电路、模拟差分采样电路构成。积分电路、低通滤波电路分别与A/D转化芯片相连，低通滤波电路还与4-20mA输入模块相连。电流信号进入模拟差分采样电路，去除差模干扰信号，再经低通滤波电路调理去除高频干扰信号进入A/D转化芯片。经电阻分压后的电压信号，一部分经低通滤波电路进入A/D转化芯片，另一部分则经积分电路进入A/D转化芯片，满足矢量控制算法的需求。经4-20mA输入模块产生的模拟信号通过电阻采样，经低通滤波电路再进入A/D转化芯片。

如图4结合图1所示，A/D转化芯片1的接口是并行数据总线方式，DSP芯片2通过EMIF接口数据总线D[15..0]连接到信号隔离芯片3再连接到A/D转化芯片1上，信号隔离芯片3可增大信号的驱动能力。A/D转化芯片1的片选/CS和转换启动信号Start由FPGA芯片4的IO控制，A/D转化芯片1采样的VDD、VSS是+12V、-12V，参考电压为2.5V。A/D转化芯片1有6个采样通道，本实用新型使用2个A/D转化芯片1满足采样通道的需求。

本实用新型有DA1、DA2两个D/A输出电路5，D/A输出电路5的DA1为单通道输出，D/A输出电路5的DA2为8通道输出。DSP芯片4的CLKX0信号，DX0信号分别与DA1的SCLK信号和DIN信号连接，DSP芯片4的CLKX1信号，DX1信号分别与DA2的SCLK信号和DIN信号连接，DA1的/CS和DA2的LDAC、SYNC信号由FPGA芯片4的IO进行编码控制。DA1的电压输出范围为0-12V，提供可设置的故障保护点电压。DA2的电压输出范围0-2.5V，可同时输出8路波形。DSP芯片2与FPGA芯片4的连接也是通过EMIF接口连接，DSP芯片2的数据总线D[15..0]经信号隔离芯片3再连接到FPGA芯片4的IO上，DSP芯片2的A[10..0]、/RD、/WE、/OE信号直接与FPGA芯片4的IO连接。DSP芯片2对FPGA芯片4的访问通过并行总线方式进行。

串口通讯电路6包含一个RS232接口7，一个RS485接口8，RS232接口7对信号TX、RX进行电平转化，经光耦隔离II9与DSP芯片2的TX1、RX1连接；RS485接口8对信号A、B进行电平转化，经光耦隔离II9与DSP芯片2的TX2、RX2连接，DSP芯片2的DE485信号经光耦隔离II9后与RS485接口8芯片的DE连接，控制RS485接口8的发送或接收。

如图5结合图1所示，所述的开关输入输出电路由开关输入电路10、开关输出电路11、光耦隔离I14构成，将所述开关输入电路10中的光耦隔离I 14定义为光耦OP1，将开关输出电路11中的光耦隔离I 14定义为光耦OP2。开关输入电路10、开关输出电路11、光纤通讯电路12、4-20mA输出模块13均由FPGA芯片4的IO口进行控制。

开关输入信号经开关输入电路10的稳压管Z1控制光耦OP1的二极管导通与截止，输出端上拉后与FPGA芯片4的输入IO连接，稳压管Z1作用为防止干扰。

FPGA芯片4的输出IO通过开关输出电路11的三极管Q1控制光耦OP2的二极管导通与截止，控制继电器JDQ的线圈通电与否。本实用新型设有4个开关输入电路10和4个开关输出电路11。

光纤通讯电路12中的光纤接口电路由专用的光纤发送器15和光纤接收器16构成，信号在采用数字差分电路传输，增强信号的可靠性。FPGA芯片4的IO信号经数字差分电路与光纤发送器15和光纤接收器16连接。本实用新型设有27组(一收一发为一组)光纤通讯电路12。

4-20mA输出模块13由FPGA芯片4输出可调频率和占空比的脉冲经电阻R11和电容C5充电输出直流电压，直流电压输入到电压电流转化模块，其模块输出4-20mA电流。本实用新型设有4路4-20mA输出模块13。

本实用新型采用了高速DSP芯片，具备主频高，运算速度快的特点，完全能支持矢量控制方式的实现。其次，高压变频器采用单元级联方式，主控系统要控制多个单元，同时考虑高压低压的安全问题，所以本实用新型采用多路光纤通讯的方式，由FPGA芯片进行控制，达到安全高速传输的要求。另外，本实用新型高精度的信号采样，以及丰富的功能接口，可以解决原有控制系统存在的问题。

Claims

1.一种基于DSP芯片和FPGA芯片的高压变频器控制系统，其特征在于：包括作为数字处理器模块的DSP芯片、作为光纤通讯电路主控芯片的FPGA芯片、模拟信号调理电路、A/D转化芯片、D/A输出电路、4-20mA输入输出电路，所述4-20mA输入输出电路包括4-20mA输入模块和4-20mA输出模块；所述4-20mA输入模块、模拟信号调理电路、A/D转化芯片、DSP芯片依次相连；所述DSP芯片还分别与FPGA芯片、D\A输出电路相连，所述4-20mA输出模块与FPGA芯片相连。

2.根据权利要求 1 所述的一种基于DSP芯片和FPGA芯片的高压变频器控制系统，其特征在于：还包括与DSP芯片相连的数据存储模块，所述数据存储模块在EEPROM、Flash、SRAM中任选一种或几种存储介质。

3.根据权利要求 1 所述的一种基于DSP芯片和FPGA芯片的高压变频器控制系统，其特征在于：还包括开关输入输出电路，所述开关输入输出电路由与所述FPGA芯片相连的光耦隔离I、与光耦隔离I分别相连的开关输出电路和开关输入电路构成。

4.根据权利要求 1 所述的一种基于DSP芯片和FPGA芯片的高压变频器控制系统，其特征在于：所述光纤通讯电路还包括相连的光纤接口电路、数字差分电路，所述数字差分电路与FPGA芯片相连。

5.根据权利要求 1 所述的一种基于DSP芯片和FPGA芯片的高压变频器控制系统，其特征在于：所述模拟信号调理电路主要由与所述A/D转化芯片相连的积分电路、与A/D转化芯片相连的低通滤波电路、与低通滤波电路相连的模拟差分采样电路构成，所述低通滤波电路与所述4-20mA输入模块相连。

6.根据权利要求 1 所述的一种基于DSP芯片和FPGA芯片的高压变频器控制系统，其特征在于：还包括串口通讯电路，所述串口通讯电路由光耦隔离II、与光耦隔离II分别相连的RS232接口、RS485接口构成，所述光耦隔离II与所述DSP芯片相连。