CN202906491U - 基于dsp与fpga的三电平逆变器控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于DSP与FPGA的三电平逆变器控制系统，包括数字信号处理器DSP、现场可编程门阵列FPGA、模拟信号检测及采样电路、三电平IGBT功率模块驱动电路、输入输出接口电路及通信电路；由DSP完成逆变器控制策略的实现，主要包括：最大功率点跟踪、电压电流双闭环控制、分压电容中性点平衡控制、通信功能；FPGA完成三相锁相环控制、AD芯片采样控制、三电平SVPWM波形控制、逻辑输出控制以及各类故障信号检测与停机保护功能。该控制系统能够进行复杂的数学运算，降低DSP对程序的执行效率要求，改善逆变器的并网性能，实现高性能的控制和接口功能。

Description

基于DSP与FPGA的三电平逆变器控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于DSP与FPGA的三电平逆变器控制系统，属于电力电子控制技术领域。

背景技术

随着分布式能源设备接入电网的数量不断增加，为了保护电网的安全，提升电力系统电能质量，电网公司对并网逆变器提出了新的功能要求，例如要求逆变器具备低电压穿越功能、不对称运行功能、无功调节功能等。这些功能都需要复杂的数学运算，传统逆变器多采用单DSP的结构，存在运算速度相对较慢、动态响应不及时的缺点，不能够满足越来越复杂的控制算法需求。特别对于三电平逆变器，其SVPMW调制脉冲的生成运算量很大，当要增加上述新功能时，当前主流的DSP都难以完成如此复杂的运算任务，这极大地限制了三电平逆变器的发展。 

发明内容

本实用新型的目的是：设计出一种基于DSP与FPGA的三电平逆变器控制系统，能够进行复杂的数学运算，改善逆变器的并网性能，实现高性能的控制和接口功能。

本实用新型的技术解决方案是： 

一种基于DSP与FPGA的三电平逆变器控制系统，其单元分块电路包括：霍尔传感器数据采集电路、IGBT驱动电路、DSP与FPGA组成的控制电路、开入开出接口电路、故障录波存储电路及通信电路。其中，霍尔传感器数据采集电路、IGBT驱动电路、开入开出接口电路与FPGA芯片相连。通信电路、故障录波存储电路与DSP相连。DSP与CPLD之间通过数据总线与地址总线相连，进行数据交换。

霍尔传感器数据采集电路包括信号调理电路和模数转换芯片AD7606。信号调理电路的输入信号来自于霍尔传感器，信号调理电路输出与模数转换芯片AD7606的模拟信号输入端相连。霍尔传感器通常包括用于测量逆变器输出的三个电流传感器，用于测量中间直流电容电压的两个电压传感器及用于测量电网电压的两个电压传感器。

IGBT驱动电路采用12个Avago公司的HCPL-316J光耦隔离驱动芯片，驱动电路与FPAG相连接，将FPGA输出的PWM控制信号转化为IGBT的驱动信号。

故障录波电路由Freescale 公司的MRAM 存储器与USB接口电路组成。其中存储器芯片、USB控制芯片与DSP相连，存储器芯片读写时间都在35ns以内，在故障结束后，可以通过USB接口存储器将故障数据读取到上位机进行查询。

FPGA采用Altera公司高性能Cyclone系列现场可编辑逻辑器件作为协处理器芯片，在该芯片上使用硬件描述语言VHDL实现AD芯片采样控制、三相锁相环算法、三电平SVPWM波形控制算法、逻辑控制输出以及各类故障信号检测与停机保护功能。其中FPGA与DSP通过FPGA内部的双口RAM完成数据通信。

DSP采用TI公司TMS320F28346浮点DSP控制器作为主控制器芯片，由主要完成最大功率点跟踪算法、分压电容中性点平衡控制算法、主动孤岛检测算法、低电压穿越算法。

本实用新型的有益效果是：采用双处理器协同工作，FPGA作为协处理器负责AD采样控制、PWM信号的产生等，减轻了DSP的预算负担。DSP作为主处理器负责复杂控制算法的实时运算，该控制系统可以运行复杂的并网控制程序，提高逆变器的实时性与稳定性，改善逆变系统的EMI特性，具有重要的实际应用意义。

附图说明

图1为基于DSP与FPGA的三电平逆变器控制系统示意图。

图2为DSP与FPGA连接示意图。

具体实施方式

参见附图1、图2所示。

一种基于DSP与FPGA的三电平逆变器控制系统，包括：霍尔传感器数据采集电路、IGBT驱动电路、DSP与FPGA组成的控制电路、开入开出接口电路、故障录波电路与通信电路。

检测电路包括信号调理电路和模数转换芯片AD7606。霍尔传感器输出信号与调理电路相连接，将霍尔传感器的输出变换为模数转换为模数转换芯片采集范围内的电压信号，AD7606芯片将模拟信号转变成数字信号，并通过数据总线将采样数值输入FPGA。

FPGA对采样数据进行零飘滤波算法和三相锁相环算法后，得到预处理的三相电网电压量、逆变器输出电流量、直流侧电压量及电网电压的相位信息。FPGA通过内部构建的双口RAM作为缓冲，将数据信息通过数据总线发送给DSP。

DSP读取FPGA传送的采集数据，通过两个直流侧电压信息完成最大功率跟踪算法与中性点平衡算法，DSP输出的PWM控制信号通过FPGA连接到IGBT光耦隔离驱动电路，对DC/DC升压电路的IGBT进行控制。DSP对三相电网电压传感器信息与逆变器输出电流传感器信息进行正负序解耦控制及有无功解耦控制，完成并网控制算法与低电压穿越算法，得到包含幅值与相位信息的三相逆变器输出电压信号。该信号再经过SVPWM算法得到矢量扇区、小三角形区域、作用时间等数据。将这些数据写入到双口RAM中由FPGA读取，FPGA读取这些信息送入到多路选通器，进行矢量开通作用时间分配得到共12路PWM波形输出，加入死区时间经驱动电路放大后即可驱动NPC逆变器工作。

FPGA接收开入信号与故障信号输入并转换成两个16bit数据通过数据总线传送给DSP，FPGA对IGBT故障信号进行逻辑控制，通过IO口与DSP的中断接口连接。

在逆变器出现故障时，DSP通过故障录波电路可将故障发生前120s与后120s的电网电压波形，逆变器输出电流波形，逆变器控制系统中间变量U_d、U_q、I_d和I_q波形进行不掉电存储，并通过USB接口存储器将故障数据读取到上位机进行故障分析。

DSP与FPGA之间的数据交换通过FPGA内部的双口RAM进行，两者都可以通过数据总线和地址总线读写RAM中的数据，并通过互置使能信号通知对方传送或接收数据。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于DSP与FPGA的三电平逆变器控制系统，包括霍尔传感器数据采集电路、IGBT驱动电路、DSP与FPGA组成的控制电路、开入开出接口电路、故障录波存储电路与通信电路，其特征在于：所述霍尔传感器数据采集电路、IGBT驱动电路、开入开出接口电路与FPGA芯片相连，所述通信电路和故障录波存储电路与DSP相连，所述DSP与FPGA 通过数据总线和地址总线相连。

2.根据权利要求1所述的基于DSP与FPGA的三电平逆变器控制系统，其特征在于：所述霍尔传感器数据采集电路包括信号调理电路和模数转换芯片AD7606，信号输入源为电流或电压霍尔传感器。

3.根据权利要求1所述的基于DSP与FPGA的三电平逆变器控制系统，其特征在于：所述IGBT驱动电路是一种IGBT光耦隔离驱动电路，它采用12个HCPL-316J光耦隔离驱动芯片驱动12只IGBT，驱动电路与FPGA相连接，将FPGA输出的PWM控制信号转化为IGBT的驱动信号。

4.根据权利要求1所述的基于DSP与FPGA的三电平逆变器控制系统，其特征在于：所述故障录波存储电路由MRAM 存储器与USB接口电路组成，其中存储器芯片与USB控制芯片与DSP相连，可以存储故障发生前120秒与后120秒的电网电压波形，逆变器输出电流波形及逆变器控制系统中间变量，在故障结束后，通过USB接口存储器将故障数据读取到上位机进行查询。

5.根据权利要求1所述的基于DSP与FPGA的三电平逆变器控制系统，其特征在于：FPGA采用高性能Cyclone系列现场可编辑逻辑器件作为协处理器芯片，在该芯片上使用硬件描述语言VHDL实现AD芯片采样控制、三相锁相环算法、三电平SVPWM波形控制算法、逻辑控制输出以及故障信号检测与停机保护功能。

6.根据权利要求1所述的基于DSP与FPGA的三电平逆变器控制系统，其特征在于：DSP采用TMS320F28346浮点DSP控制器作为主控制器芯片，完成最大功率点跟踪算法、分压电容中性点平衡控制算法、三相不平衡控制算法、低电压穿越算法。

7.根据权利要求1所述的基于DSP与FPGA的三电平逆变器控制系统，其特征在于：FPGA与DSP通过FPGA内部的双口RAM完成数据通信。

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