针对3/3相双绕组感应发电机设计的励磁系统

1 3/3相双绕组感应发电机

　　设计的励磁系统,由DSP和FPGA构成。该系统带有励磁补偿和功率这两个绕组，如图1所示。励磁补偿绕组上接一个电力电子变换装置，用来提供感应发电机需要的无功功率，使功率绕组上输出一个稳定的直流电压。

　　图1中各参数的含义如下：

　　isa,isb,isc——补偿绕组中的励磁电流；

　　usa,usb,usc——补偿绕组相电压；

　　ipa,ipb,ipc——功率绕组电流；

　　upa,upb,upc——功率绕组相电压；

　　udc——二极管整流桥直流侧输出电压；

　　uc——变流器直流侧电容电压。

　　电力电子变换装置由功率器件及其驱动电路和控制电路两部分组成。功率器件选用三菱公司的智能功率模块（IPM）PM75CSA120（75A/1200V），驱动电路使用光耦HCPL4502。

　　2 EPM7128与TMS320C32同外设之间的接口电路

　　图2所示为控制电路的接口电路。控制电路使用的DSP是TMS320C32,它是TI公司生产的第三代高性能的CMOS 32位数字信号处理器，其拥有指令系统强大，数据处理快和结构创新的特点，已经成为理想的工业控制用DSP器件。其主要特点是：

    （1）单周期指令执行时间为50ns,具有每秒可执行2200万条指令、进行4000万次浮点运算的能力；

    （2）提供了一个增强的外部存储器配置接口，具备更加灵活的存储器管理与数据处理方式。

    控制电路使用的FPGA器件为ALTERA公司的EPM7128,它属于高密度、高性能的CMOS EPLD器件，与ALTERA公司的MAXPLUS II开发系统软件配合，可以100%地模仿高密度的集成有各种逻辑函数和多种可编程逻辑的TTL器件。采用类似器件作为DSP的专用外围集成电路（ASIC）更为经济灵活，可以进一步降低控制系统的成本。

　　电压检测使用三相变压器，电流检测使用HL电流传感器。电平转换电路用来将检测到的信号转换为0～5V的电平。A/D转换器选用ADS7862。保护电路使用电压比较器311得到过压/过流故障信号。

　　DSP完成以下四项工作：

    ◆数据的采集和处理

    ◆控制算法的完成

    ◆PWM脉冲值的计算

    ◆保护中断的处理

　　FPGA完成以下三项工作：

    （1）管理DSP和各种外部设备的接口；

    （2）脉冲的输出和死区的产生；

    （3）保护信号的处理。

　　3 使用FPGA实现DSP和ADS7862之间的高速接口

　　ADS7862是TI公司专为电机和电力系统控制而设计的A/D转换器。它的主要特点有：

    ◆4个全差分输入接口，可分成两组，两个通道可同时转换

    ◆12bits并行输出

    ◆每通道的转换速率为500kHz

    控制方法为：

    ◆由A0线的值决定哪两个通道转换

    ◆由Convst线上的脉宽大于250ns的低电平脉冲启动转换

    ◆由CS和RD线的低电平控制数据的读出，连续两次读信号可以得到两个通道的数据

　　系统中使用了两片ADS7862,它们的控制线使用同样的接口，数据线则分别和DSP的高/低16位数据线中的低12位相连接。这样DSP可以同时控制两片A/D转换器：4通道同时转换；每次读操作可以得到两路数据。

　　如图3所示，将A/D转换器的控制信号映射为DSP的三个外部端口：A0、ADCS（和ADRD使用一个端口）和CONVST。在FPGA中使用逻辑译码器对端口译码。利用AHDL语言编写的译码程序如下：

　　TABLE

　　A[2312],IS,RW=>A0,ADCS,CONVST,PWM1,PWM2,

　　PWM3, PWM, PRO, CLEAR;

　　H″810″，0,0=>0,1,1,1,1,1,1,1,1;

　　H″811″，0,1=>1,0,1,1,1,1,1,1,1;

　　H″812″，0,0=>1,1,0,1,1,1,1,1,1;

　　H″813″，0,1=>1,1,1,0,1,1,1,1,1;

　　H″814″，0,0=>1,1,1,1,0,1,1,1,1;

　　H″815″，0,0=>1,1,1,1,1,0,1,1,1;

　　H″816″，0,0=>1,1,1,1,1,1,0,1,1;

　　H″817″，0,1=>1,1,1,1,1,1,1,0,1;

　　H″817″，0,0=>1,1,1,1,1,1,1,1,0;

　　END TABLE

　　其中，0表示低电平，1表示高电平。RW=1表示读，RW=0表示写。

　　DSP对这三个端口进行操作就可以控制A/D转换器：

    （1）写CONVST端口可以启动A/D转换器；

    （2）读ADCS端口可以从A/D转换器中读到数据；

    （3）写数据到A0端口可以设置不同的通道。

　　使用上述方法可以实现DSP和A/D转换器之间的无缝快速连接。

　　4 使用FPGA实现PWM脉冲的产生和死区的注入

　　FPGA除了管理DSP和外设的接口外，还完成PWM脉冲的产生和死区的注入。将PWM芯片和死区发生器集成在FPGA中，就可以使DSP专注于复杂算法的实现，而将PWM处理交给FPGA系统，使系统运行于准并行处理状态。

　　5 使用FPGA实现系统保护

　　为了保护发电机和IGBT功率器件，励磁控制系统提供了多种保护功能：

    ◆变流器直流侧过压保护

    ◆变流器交流电流过流保护

    ◆变流器过温保护

    ◆发电机输出过压保护

    ◆IPM错误保护

　　使用如图4所示的硬件逻辑来实现保护功能。当FPGA检测到相应的故障信号时，D触发器输出一个错误信号，使与门输出一个低电平，此低电平封锁住所有的PWM脉冲，并触发一个DSP的外部中断信号。当DSP响应外部中断时，可以使用PRO端口读到错误的状态位。CLEAR端口用来清除D触发器，系统因此可以重复启动。

　　图5给出了本控制系统的实验波形图：变流器的输出电流基本为正弦；变流器侧电容电压稳定在365V;功率绕组侧输出电压稳定在510V。

　　关于Altera 公司

　　Altera 公司 （NASDAQ：ALTR） 秉承了创新的传统，是世界上“可编程芯片系统” （SOPC） 解决方案倡导者。Altera 公司总部位于美国加州的圣何塞，并在的14个国家中拥有近2000名员工，其2005年度的年收入高达11.23亿美元。Altera 将其早在1983年发明的可编程逻辑技术与软件工具、IP 和设计服务相结合，向全世界近14,000家客户提供超值的可编程解决方案。

　　关于TI

　　德州仪器 （Texas Instruments），简称TI，是的半导体公司，为现实世界的信号处理提供创新的数字信号处理（DSP）及模拟器件技术。除半导体业务外，还提供包括传感与控制、教育产品和数字光源处理解决方案。TI总部位于美国得克萨斯州的达拉斯，并在25多个国家设有制造、设计或销售机构。