專利名稱：基于dsp+fpga通用型變流控制平臺的制作方法
技術(shù)領域：
:本實用新型屬于變頻控制技術(shù)領域，提出了一種基于DSP+FPGA(DSP為數(shù)字信號處理，Digital Signal Processing,簡稱DSP ;FPGA為現(xiàn)場可編程門陣列，F(xiàn)ield —Programmable Gate Array，簡稱FPGA)通用型變流控制平臺，適用于PWM整流器、雙PWM變換器、多路PWM控制多級變流器以及高性能閉環(huán)控制的電力電子變流器的研究。
技術(shù)背景:目前，變流器控制在交流變頻調(diào)速、供電電源、電力系統(tǒng)輸配電、電能質(zhì)量控制等方面的應用十分廣泛。在實際應用中控制對象和控制算法的不同，比如，在風電并網(wǎng)控制和直流輸電中多級變流器控制中，對控制平臺的要求相應也不盡相同，既存在共性，也有差異。變流控制系統(tǒng)具有相同或相近的主回路結(jié)構(gòu)，其控制器結(jié)構(gòu)基本是由信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換電路微處理器或單片機發(fā)生器開關量輸入輸出與上位機通信串口或網(wǎng)口電路等部分組成，因此變流器裝置控制器具有廣泛的共性。但是在實驗研究中，一般采用為不同的變流器分別開發(fā)專用的控制平臺的方案。同時，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對控制平臺也提出了更高的標準，要求控制平臺能應用于多種復雜、高性能電力電子變換的研究開發(fā)，變流控制系統(tǒng)專用的控制平臺則顯現(xiàn)其不適之處:不具備通用性、運算速度和精度不夠、數(shù)據(jù)存儲量小、可用資源十分有限、可擴展性差、應用靈活性不夠、系統(tǒng)功能不夠完備的特點，從而造成開發(fā)周期長，成本高，利用率不高、資源浪費等問題。
發(fā)明內(nèi)容:本實用新型的目的在于提供一種基于DSP+FPGA通用型變流控制平臺，克服了不具備通用性、運算速度和精度不夠、數(shù)據(jù)存儲量小、可用資源十分有限、可擴展性差、應用靈活性不夠等問題。為PWM整流器、雙PWM變換器、多路PWM控制多級變流器以及高性能閉環(huán)控制的電力電子變流器的研究應用提供了通用型控制平臺基礎，有利于縮短開發(fā)周期、增強擴展性，建立模塊化、通用型硬件和軟件平臺。本實用新型采用的是模塊化、總線式結(jié)構(gòu)。包括DSP+FPGA主控單元、數(shù)字信號控制單元、模擬信號控制單元、電源供電單元、保護單元、底板總線單元。各個單元間的信號都是通過底板總線單元進行傳遞，即各個單元都與底板總線單元相連。電源供電單元與底板總線單元相連，給其他各個單元進行供電。模擬信號控制單元通過底板總線單元，將采集模擬信號傳遞給DSP+FPGA主控單元，通過對數(shù)據(jù)的處理和控制算法的計算，DSP+FPGA單元再通過底板總線單元，將數(shù)字信號傳遞給數(shù)字信號控制單元；保護單元通過底板總線單元，將故障信號傳遞給DSP+FPGA主控單元。DSP+FPGA主控單元包括DSP芯片、FPGA芯片和AD采樣芯片。DSP芯片與FPGA芯片相連，AD采用芯片與FPGA芯片相連。模擬信號控制單元將采集的模擬信號送到DSP+FPGA主控單元，AD芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，F(xiàn)PGA芯片讀取AD芯片的數(shù)字信號，并進行存儲，DSP再讀取 FPGA內(nèi)部的數(shù)字信號，在DSP上完成數(shù)據(jù)進行處理計算和控制信號輸出。DSP采用的是TI公司新推出的一款C2000系列的浮點型數(shù)字信號處理器TMS320F28335 ；FPGA采用的是ATERAL公司的Cyclone系列的第四代產(chǎn)品EP4C115E ；AD芯片采用的是2片AD7606。電源供電單元用來給控制平臺供電，主要包括AC/DC開關電源和DC/DC開關電源。220V市電通過AC/DC開關電源，將交流電壓轉(zhuǎn)化成直流電壓，再通過DC/DC開關電源，將直流電壓轉(zhuǎn)化成供電平臺所需的各電壓等級。數(shù)字信號控制單元包括光耦隔離電路、故障封鎖電路、光電轉(zhuǎn)換電路；光耦隔離電路與光電轉(zhuǎn)換電路相連，故障封鎖電路與光耦隔離電路相連。底板總線單元傳送的數(shù)字信號通過光耦隔離電路進行隔離，減少外界干擾，再通過光電轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成光信號通過光纖傳輸。當發(fā)生故障時，故障封鎖電路通過光耦隔離電路對數(shù)字信號進行封鎖。模擬信號控制單元包括信號采集電路和信號調(diào)理電路，信號采集電路與信號調(diào)理電路相連。信號采集電路通過霍爾傳感器采集主回路中電壓和電流模擬信號，再將模擬信號送給信號調(diào)理電路，通過調(diào)理電路對模擬信號進行濾波、比例放大處理。然后將模擬信號通過底板總線單元傳遞給DSP+FPGA主控單元。霍爾電壓傳感器型號為LV28-P，霍爾電流傳感器是LA100-P。保護單元包 括過流和過壓保護電路，模擬信號控制單元通過底板總線單元將采集的模擬信號傳遞給過流過壓保護電路，保護電路判斷是否過壓過流，假如發(fā)生過壓或過流，則產(chǎn)生故障信號，并將故障信號通過底板總線單元傳遞給DSP+FPGA主控單元。底板總線單元與各個單元相連，主要功能是傳遞各單元之間的信號。為了實現(xiàn)PWM整流器、雙PWM變換器、多路PWM控制多級變流器以及高性能閉環(huán)控制的電力電子變流器的研究，按照PWM輸出數(shù)量的不同，將控制平臺分成兩種工作方式:PWM數(shù)量〈=12路；PWM數(shù)量>12路。(I) PWM 數(shù)量〈=12 路模擬信號控制單元采集主回路的電壓電流信號，通過底板總線單元傳遞給DSP+FPGA主控單元的AD采樣芯片，F(xiàn)PGA通過對AD芯片控制，啟動AD轉(zhuǎn)換，讀寫取AD數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波和存儲，DSP再讀取FPGA內(nèi)的AD采樣實時數(shù)據(jù)，然后進行算法計算，并通過DSP內(nèi)部的ePWM模塊產(chǎn)生PWM脈沖信號，再將PWM脈沖信號傳送給FPGA，F(xiàn)PGA再將PWM脈沖信號通過底板總線單元傳遞給數(shù)字信號控制單元，數(shù)字信號控制單元將PWM脈沖信號轉(zhuǎn)換成光纖信號，實現(xiàn)變流器控制。保護單元可以監(jiān)測主回路電壓和電流，判斷是否發(fā)生過壓過流故障，當發(fā)生故障時，保護單元產(chǎn)生故障信號，通過底板總線單元將故障信號傳遞給DSP+FPGA主控單元，F(xiàn)PGA通過故障信號實現(xiàn)對PWM脈沖的封鎖，實現(xiàn)變流器保護，此外FPGA還實現(xiàn)對其他外圍電路或芯片的譯碼、訪問與控制。(2)當 PWM 數(shù)量> 12 路模擬信號控制單元采集主回路的電壓電流信號，通過底板總線單元傳遞給DSP+FPGA主控單元，F(xiàn)PGA通過對AD芯片控制，啟動AD轉(zhuǎn)換，讀寫取AD數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波和存儲，DSP再讀取FPGA內(nèi)的AD采樣實時數(shù)據(jù)，將計算結(jié)果(占空比)寫入FPGA。FPGA根據(jù)DSP計算結(jié)果完成PWM脈沖的產(chǎn)生、擴展，以實現(xiàn)大于12路PWM脈沖信號的輸出。其他單元功能與工作方式(I)相同。本實用新型的優(yōu)點、積極效果:[0017]為PWM整流器、雙PWM變換器、多路PWM控制多級變流器以及高性能閉環(huán)控制的電力電子變流器的研究應用提供了高精度和高速度的通用型控制平臺基礎，有利于縮短開發(fā)周期、增強擴展性，建立模塊化、通用型硬件和軟件平臺。

圖1為控制平臺前視圖。圖2為控制平臺后視圖。圖3為控制平臺的功能結(jié)構(gòu)圖。圖4為DSP與FPGA的連接示意圖。圖5為PWM數(shù)量〈=12路時，DSP+FPGA主控單元功能原理圖。圖6為PWM數(shù)量> 12路時，DSP+FPGA主控單元功能原理圖。
具體實施方式
本實用新型DSP+FPGA通用型變流控制平臺采用模塊化、總線式結(jié)構(gòu)。包括DSP+FPGA主控單元，數(shù)字信號控制單元，模擬信號控制單元，保護單元，電源供電單元，底板總線單元。圖1為控制平臺前視圖，圖2為控制平臺后視圖。DSP+FPGA主控單元插在底板總線單元正面上，數(shù)字信號控制單元、模擬信號控制單元、保護單元、電源供電單元相互平行，分別垂直插在底板總線單元的背面，形成一個柜形結(jié)構(gòu)，并且各單元是通過插針和插槽連接，可以方便對各個模塊進行組裝和拆卸。這種模塊化、總線式的柜形結(jié)構(gòu)，保證了控制平臺的高度通用性和靈活性。2.
以下結(jié)合附圖與具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細描述:圖3是本實用新型的功能結(jié)構(gòu)圖，說明各單元之間的連接關系。各個單元間的信號都是通過底板總線單元進行傳遞，即各個單元都與底板總線單元相連。首先，電源供電單元與底板總線單元相連，在電源供電單元中生成控制平臺所需的各個等級的電壓，通過底板總線單元給其他各個單元進行供電。模擬信號控制單元通過底板總線單元，將采集模擬信號傳遞給DSP+FPGA主控單元，通過對數(shù)據(jù)的處理和控制算法的計算，DSP+FPGA單元再通過底板總線單元，將數(shù)字信號傳遞給數(shù)字信號控制單元；保護單元通過底板總線單元，將故障信號傳遞給DSP+FPGA主控單元。圖4為DSP和FPGA的連接示意圖。DSP的數(shù)據(jù)總線引腳、地址總線引腳、讀寫信號引腳、片選信號引腳、中斷信號引腳、12路PWM信號引腳、8路eQEP信號引腳與FPGA的IO引腳相連，這種連接方式具有的功能:(I) DSP可以方便的讀取FPGA中采集的數(shù)據(jù)，并通過FPGA擴展了訪問控制范圍；(2)DSP還可以將占空比數(shù)據(jù)通過總線寫給FPGA，根據(jù)DSP計算結(jié)果，在FPGA內(nèi)部形成PWM模塊，完 成PWM脈沖的產(chǎn)生、擴展，以實現(xiàn)更多數(shù)量的PWM脈沖路數(shù)。(3) FPGA內(nèi)部可以構(gòu)成故障保護邏輯單元，判斷故障的發(fā)生。當故障發(fā)生時，在FPGA內(nèi)部對PWM脈沖進行封鎖。本控制平臺設計用于PWM整流器、雙PWM變換器、多路PWM控制多級變流器以及高性能閉環(huán)控制的電力電子變流器的研究，根據(jù)按照PWM輸出的數(shù)量的不同，控制平臺可以分成以下兩種方式工作:PWM數(shù)量〈=12路；PWM數(shù)量>12路。根據(jù)工作方式的不同，DSP+FPGA主控單元功能原理圖也相應的不同。如圖5所示，為PWM數(shù)量〈=12路時，DSP+FPGA主控單元功能原理圖；DSP完成的主要功能是控制算法運算、PWM脈沖輸出、通信功能；FPGA的主要功能是數(shù)據(jù)存儲、數(shù)字濾波、訪問控制中斷的收發(fā)(包括AD7606讀寫和其他外圍電路的譯碼)、故障封鎖與PWM輸出、正交編碼信號和電網(wǎng)頻率信號的采集。DSP通過中斷讀取FPGA存放于FIFO內(nèi)的AD采用實時數(shù)據(jù)，然后進行算法計算，并通過ePWM模塊產(chǎn)生小于或等于12路PWM脈沖信號，PWM脈沖信號由FPGA進一步實現(xiàn)保護、封鎖等功能；FPGA通過對AD芯片的訪問控制，啟動AD轉(zhuǎn)換，讀寫取AD數(shù)據(jù)，通過保護信號實現(xiàn)對PWM脈沖的封鎖，實現(xiàn)變流器保護，對IO信號進行數(shù)字濾波算法，進行前置處理，此外FPGA還實現(xiàn)對其他外圍電路或芯片的譯碼、訪問與控制。如圖6所示，為PWM數(shù)量>12路時，DSP+FPGA主控單元功能原理圖。該方式與第一種方式的區(qū)別是DSP僅完成算法運算、通信功能，不再實現(xiàn)PWM輸出，F(xiàn)PGA完成PWM脈沖的產(chǎn)生與擴展，從而實現(xiàn)大于12路PWM脈沖數(shù)的輸出，F(xiàn)PGA的其他功能類似于第一種方式 。DSP通過讀取FPGA實時采集的AD數(shù)據(jù)，然后進行算法運算，將計算結(jié)果(占空比)寫入FPGA。FPGA根據(jù)DSP計算結(jié)果完成脈沖的產(chǎn)生、擴展以實現(xiàn)產(chǎn)生大于12路的脈沖數(shù)。根據(jù)PWM數(shù)量的不同，合理采用不同的工作方式，充分發(fā)揮DSP和FPGA自身的資源和優(yōu)勢，保證控制平臺高效工作。
權(quán)利要求1.一種基于DSP+FPGA通用型變流控制平臺，其特征在于，包括DSP+FPGA主控單元、數(shù)字信號控制單元、模擬信號控制單元、電源供電單元、保護單元、底板總線單元；各個單元都與底板總線單元相連；電源供電單元與底板總線單元相連； DSP+FPGA主控單元包括DSP芯片、FPGA芯片和AD采樣芯片；DSP芯片與FPGA芯片相連，AD采用芯片與FPGA芯片相連； 電源供電單元包括AC/DC開關電源和DC/DC開關電源； 數(shù)字信號控制單元包括光耦隔離電路、故障封鎖電路、光電轉(zhuǎn)換電路；光耦隔離電路與光電轉(zhuǎn)換電路相連，故障封鎖電路與光稱隔離電路相連； 模擬信號控制單元包括信號采集電路和信號調(diào)理電路，信號采集電路與信號調(diào)理電路相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變流控制平臺，其特征在于，所述的DSP采用C2000系列的浮點型數(shù)字信號處 理器TMS320F28335 ；FPGA采用EP4C115E ；AD芯片采用的是2片AD7606。
專利摘要一種基于DSP+FPGA通用型變流控制平臺，屬于變頻控制技術(shù)領域。采用的是模塊化、總線式結(jié)構(gòu)。包括DSP+FPGA主控單元、數(shù)字信號控制單元、模擬信號控制單元、電源供電單元、保護單元、底板總線單元。各個單元間的信號都是通過底板總線單元進行傳遞，即各個單元都與底板總線單元相連。電源供電單元給其他各個單元進行供電。模擬信號控制單元通過底板總線單元，將采集模擬信號傳遞給DSP+FPGA主控單元， DSP+FPGA單元再通過底板總線單元，將數(shù)字信號傳遞給數(shù)字信號控制單元；保護單元通過底板總線單元，將故障信號傳遞給DSP+FPGA主控單元。優(yōu)點在于，有利于縮短開發(fā)周期、增強擴展性，建立模塊化、通用型硬件和軟件平臺。
文檔編號H02M1/092GK203135699SQ20132011689
公開日2013年8月14日 申請日期2013年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月14日
發(fā)明者王小明, 劉其輝, 李志艷 申請人:華北電力大學