采用DSP和FPGA器件实现电机励磁控制系统的设计

　　介绍了针对3/3相双绕组感应发电机设计的励磁系统，该系统由DSP和FPGA构成。给出了控制系统的接口电路和实验结果。

　　1 、系统简介

　　3/3相双绕组感应发电机带有两个绕组：励磁补偿绕组和功率绕组，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。控制电路由DSP+FPGA构成。

　　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，其凭借强大的指令系统、高速数据处理能力及创新的结构，已经成为理想的工业控制用DSP器件。其主要特点是：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;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脉冲值的计算和保护中断的处理。

　　FPGA完成以下三项工作：管理DSP和各种外部设备的接口;脉冲的输出和死区的产生;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。它的主要特点是：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［23..12］， 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：写CONVST端口可以启动A/D转换器;读ADCS端口可以从A/D转换器中读到数据;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。使用介绍的方法，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。