基于雙DSP的大功率變流器通用控制平臺的設(shè)計

張文鑭，章國寶

（東南大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210096）

基于雙DSP的大功率變流器通用控制平臺的設(shè)計

張文鑭，章國寶

（東南大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210096）

介紹一種大功率變流器通用控制平臺，是以TMS320C6713B為浮點算法運算核，TMS320F2812為系統(tǒng)定點控制核的雙DSP的控制系統(tǒng)架構(gòu)。詳細分析該系統(tǒng)設(shè)計各模塊硬件電路和軟件程序設(shè)計。該系統(tǒng)控制平臺運算性能強，具有很好的通用性和擴展性，已成功應(yīng)用于400 kVA岸電電源樣機中。

大功率變流器；通用控制平臺；雙DSP；FPGA通信擴展

變流器技術(shù)及現(xiàn)代電力電子技術(shù)在交流變頻調(diào)速、供電電源、電力系統(tǒng)輸配電、電能質(zhì)量控制等方面應(yīng)用廣泛。大功率變流器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、A/D轉(zhuǎn)換電路、微處理器（DSP或單片機）、PWM發(fā)生器、開關(guān)量輸入輸出、與上位機通信（串口或網(wǎng)口）電路等部分組成[1]。因此，變流器裝置控制器具有廣泛的共性，這里提出一種基于雙DSP（TMS320C6713B與 TMS320F2812）架構(gòu)的大功率變流器通用控制平臺的設(shè)計方案。與變流器專用控制器相比通用性更強，有利于變流器控制器軟硬件的模塊化設(shè)計,并促進變流器裝置控制算法研究，縮短其產(chǎn)品研發(fā)周期。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

圖1為控制平臺的控制系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)設(shè)計以TI公司的雙DSP處理器TMS320C6713B（浮點DSP）和 TMS320F2812（定點DSP）為核心控制器。浮點DSP TMS320C6713B擴展AD總線、實現(xiàn)浮點運算、HPI接口在線編程；而定點DSP TMS320F2812事件管理器實現(xiàn)PWM控制、轉(zhuǎn)速采集、開關(guān)狀態(tài)控制、故障檢測以及部分通信等功能。雙端口RAM IDT70V25實現(xiàn)雙DSP通信，具有IDT70V25 8 K×16 bit共享區(qū)，邏輯忙與中斷訪問仲裁方式。同時該控制系統(tǒng)擴展有1片F(xiàn)PGA，用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信、ISP、液晶顯示、鍵盤輸入等。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 采集電路

2.1.1 電流、電壓檢測電路

為有效調(diào)節(jié)變流器主回路輸出電壓、電流及功率因數(shù)等，分別采集三相電壓、電流信號和直流環(huán)節(jié)電壓等輸出信號。

鑒于該控制平臺采樣精度和采樣速率的需要，選用Analog Device公司的AD7865型A/D轉(zhuǎn)換器。該器件是一款高速、低功耗、4通道同步采樣的14位A/D轉(zhuǎn)換器，采用+5 V供電；其內(nèi)部有1個2.4 μs的逐次逼近的A/D轉(zhuǎn)換器，4個跟蹤/保持放大器，內(nèi)部2.5 V參考電壓，片上時鐘振蕩器和1個高速并行接口；同步采樣4通道輸入信號，允許±10 V和±5 V兩種輸入范圍，這里選用±10 V輸入電壓。該設(shè)計每片AD7865都可同時采集4路模擬信號,圖2為AD7865部分信號調(diào)理電路。

主回路輸入與輸出側(cè)三相線電壓、三相電流、直流電壓和電流、輸入與輸出濾波器線電流均經(jīng)霍爾傳感器采集以電流輸出?；魻杺鞲衅鬏敵龅碾娏餍盘柾ㄟ^插槽輸入A/D采樣電路，經(jīng)精密電阻轉(zhuǎn)換為±15 V電壓信號。該電壓信號經(jīng)具有調(diào)幅功能的有源低通濾波器轉(zhuǎn)化為±10 V的電壓信號，再經(jīng)反相器送入AD7865的模擬量輸入端。AD7865的CONVST、CS、BUSY、RD和WR等控制信號是由TMS320C6713B的EMIF總線經(jīng)EPM570T100型CPLD邏輯譯碼實現(xiàn)的[2]。

圖1 控制平臺的控制系統(tǒng)框圖

圖2 AD7865信號調(diào)理電路

2.1.2 電機轉(zhuǎn)速檢測電路

變流器通用控制平臺選用增量式光電編碼器設(shè)計電機測速器，其光電編碼器輸出脈沖波型相差90°的QEP1、QEP2兩相信號，正轉(zhuǎn)時QEP1相超前QEP2相；反轉(zhuǎn)QEP2相超前QEP1相。根據(jù)光電編碼器輸出光脈沖頻率測定電機轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器與被測電機同軸轉(zhuǎn)動，輸出A、B、Z 3路差分信號。其中A、B兩組脈沖相位差90°，可方便判斷旋轉(zhuǎn)方向，而Z路為每轉(zhuǎn)一個脈沖的基準(zhǔn)點定位。這3路差分信號經(jīng)MAX490ESA將差分信號轉(zhuǎn)換為邏輯信號，再經(jīng)高速光耦6N137隔離送入TMS320F2812的正交脈沖編碼電路，測定電機轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器差分信號輸入電路如圖3所示。

圖3 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸入電路

2.2 微處理器核心電路

通用控制平臺的核心單元主控制器需兼顧實現(xiàn)系統(tǒng)的定點與浮點運算、模擬采樣、保護、通信等功能，因此采用浮點DSP+定點DSP+FPGA的主控制器架構(gòu)[3]。其中，浮點DSP TMS320C6713B通過CPLD EPM570T100總線擴展AD7865完成三相電壓、電流，頻率以及直流電壓等控制參數(shù)；坐標(biāo)變換等初級復(fù)雜浮點運算；控制算法實現(xiàn)以及運行狀態(tài)記錄存儲等。定點DSP TMS320F2812主要實現(xiàn)外設(shè)功能和部分定點運算。TMS320F2812通過雙端口RAM IDT70V25讀取TMS320C6713B的運算結(jié)果；通過事件管理器模塊EVA、EVB實現(xiàn)SPWM，SVPWM；故障狀態(tài)檢測與保護；系統(tǒng)主回路開關(guān)狀態(tài)輸入輸出等。FPGA EP2C20Q240通過HPI接口與TMS3 20C6713B連接，通過McBSP接口與TMS320F2812。遠程PC機通過網(wǎng)絡(luò)在線更新雙DSP程序，從而更方便調(diào)試雙DSP。

2.3 PWM信號產(chǎn)生與輸出電路

控制平臺通過SPWM、SVPWM等調(diào)制產(chǎn)生PWM控制信號實現(xiàn)變流器的控制，再經(jīng)驅(qū)動電路控制IGBT、IPM模塊的主回路開關(guān)器，逆變產(chǎn)生交流輸出。在通用控制平臺上，將TMS320F2812中事件管理器EVA、EVB的16路PWM信號引入CPLD EPM1270T144，經(jīng)CPLD處理和SN75451驅(qū)動后采用光纖HFBR1521輸出。通用控制平臺的PWM與主回路的驅(qū)動模塊之間均經(jīng)光纖隔離，可有效消除主回路對控制平臺的干擾。驅(qū)動板同時通過16路光纖接收器HFBR2521接收驅(qū)動板發(fā)送的16路故障信號送至CPLD，用于封鎖PWM輸出。圖4為單路光纖收發(fā)電路。

圖4 光纖收發(fā)電路

CPLD整形TMS320F2812輸出的16路PWM信號，包括增加互補脈沖、添加死區(qū)、限制最小脈寬等；按實際要求封鎖脈沖、完成保護動作并輸出故障信號。CPLD輸出的PWM信號接下拉電阻，這樣在CPLD輸出高阻時PWM輸出為確定的低電平，避免在復(fù)位期間或CPLD無裝載程序時因PWM信號狀態(tài)不確定導(dǎo)致開關(guān)器件誤導(dǎo)通[4]。

2.4 開關(guān)狀態(tài)輸入與輸出電路

控制平臺通過開關(guān)狀態(tài)量的輸入，讀入主回路空氣開關(guān)、斷路器、按鍵等通斷狀態(tài)；通過開關(guān)狀態(tài)輸出及控制輸出繼電器的通斷控制主回路斷路器、排氣扇控制開關(guān)等。開關(guān)量的輸入輸出由數(shù)據(jù)、地址總線、74LVC245、光耦TLP521和繼電器等構(gòu)成。開關(guān)量的輸入通過74LVC244轉(zhuǎn)換為3.3 V電平，送入 TMS320F2812；開關(guān)量經(jīng)74LVC244輸出以控制信號燈和繼電器等，從而實現(xiàn)調(diào)試、指示、保護動作等功能。本設(shè)計開關(guān)狀態(tài)量共8路輸入輸出均經(jīng)光耦隔離，采用24 V單獨供電。光耦隔離和單獨供電能有效隔離主回路和控制平臺，從而減少主回路對控制平臺的干擾。

2.5 通信模塊與人機界面（HMI）

大功率變流器工作時，控制平臺通過通信電路與人機交互界面、上位機等其他系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。該通信電路由FPGA控制。為使雙DSP能夠在線更新程序，調(diào)試方便，利用1片F(xiàn)PGA EP2C20Q240和網(wǎng)絡(luò)控制器RTL8019擴展以太網(wǎng)。FPGA需外擴1片SDRAM HY57V641620和1片F(xiàn)lash E28F640用于存儲FPGA運行時需要載入的軟核Nios II和μCLinux操作系統(tǒng)。通用控制平臺為實現(xiàn)良好的人機界面（HMI），還擴展1塊LCD和鍵盤輸入電路。鍵盤輸入電路由ZLG7290控制，通過I2C總線與FPGA通信；LCD為并行接口，其數(shù)據(jù)線與網(wǎng)卡控制器RTL8019復(fù)用，控制信號由FPGA直接發(fā)送[5]。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括初始化、通信、A/D采樣、控制算法、SPWM調(diào)制、故障檢測與處理等程序[6]。圖5為主程序流程。

4 結(jié)束語

圖5 主程序流程

將該大功率變流器通用控制平臺應(yīng)用于400 kVA岸電電源樣機，進行基于SVPWM的電機拖動實驗，電機運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)諧波造成的電機振動；對主回路各路電壓、電流采樣數(shù)據(jù)與現(xiàn)場儀表測試結(jié)果基本相同；保護電路能正常動作；通信功能正常，實現(xiàn)雙DSP在線更新程序。需要注意的是該設(shè)計為通用控制平臺，各項外設(shè)功能完備，實際產(chǎn)品中需要根據(jù)相關(guān)需求進行模塊化裁剪。與傳統(tǒng)大功率變流器專用控制器相比，該通用控制平臺運算能力強，數(shù)據(jù)存儲量大，能同時進行定點和浮點運算，具有精確可靠的模擬電路，通信資源豐富且抗干擾能力強。

[1]劉 晉.基于嵌入式操作系統(tǒng)的電力電子控制平臺的研制[D].北京：華北電力大學(xué)，2003.

[2]Anolog Device Inc.AD7865 data sheet[EB/OL].2008.http://www.Analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7865.pdf.

[3]魯 挺，趙爭鳴，張穎超，等.基于雙DSP的電力電子變換器通用控制平臺[J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，48（10）：1537-1540.

[4]蘇奎峰，呂 強，常天慶，等.TMS320X281X DSP原理及 C程序開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[5]孫 愷，張永秀.Nios II系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計與應(yīng)用實例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[6]林 杰，姜學(xué)東.基于DSP2407的高頻高壓電源控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機械與電子，2009（2）:56-58.

Design of general-purpose control platform for high-power converters based on dual DSPs

ZHANG Wen-lan，ZHANG Guo-bao
（Department of Automation，Southeast University，Nanjing210096,China）

The paper introduces a design of general-purpose control platform for high-power converters.The structure of the control platform is dual DSPs，which uses TMS320C6713B as floating-point arithmetic core and uses TMS320F2812 as fixed-point controlling core.And the paper analyzes the hardware circuit and software programme design of modules for this system design in details.The control platform with excellent operation performance is highly versatile and scalable，and has been applied to the prototype of 400kVA shore power supply successfully.

high-power converters； general-purpose control platform； dual DSPs； FPGA communication extension

TN492

A

1674－6236（2010）01-0078-03

2009-07-09 稿件編號：200907031

張文鑭（1983—），男，湖北鄂州人，碩士研究生。研究方向：嵌入式系統(tǒng)，電力電子。