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DSP和FPGA構成的3/3相雙繞組感應發電機勵磁控制系統
摘要：介紹了針對３／３相雙繞組感應發電機設計的勵磁系統，該系統由ＤＳＰ和ＦＰＧＡ構成。給出了控制系統的接口電路和實驗結果。關鍵詞：ＤＳＰ ＦＰＧＡ ３／３相雙繞組感應發電機
１ 系統簡介
３／３相雙繞組感應發電機帶有兩個繞組：勵磁補償繞組和功率繞組，如圖１所示。勵磁補償繞組上接一個電力電子變換裝置，用來提供感應發電機需要的無功功率，使功率繞組上輸出一個穩定的直流電壓。
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圖１中各參數的含義如下：
ｉｓａ,ｉｓｂ,ｉｓｃ——補償繞組中的勵磁電流；
ｕｓａ,ｕｓｂ,ｕｓｃ——補償繞組相電壓；
ｉｐａ,ｉｐｂ,ｉｐｃ——功率繞組電流；
ｕｐａ,ｕｐｂ,ｕｐｃ——功率繞組相電壓；
ｕｄｃ——二極管整流橋直流側輸出電壓；
ｕｃ——變流器直流側電容電壓。
電力電子變換裝置由功率器件及其驅動電路和控制電路兩部分組成。功率器件選用三菱公司的智能功率模塊（ＩＰＭ）ＰＭ７５ＣＳＡ１２０（７５Ａ／１２００Ｖ），驅動電路使用光耦ＨＣＰＬ４５０２。控制電路由ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ構成。
圖2 控制電路的接口電路
２ ＥＰＭ７１２８與ＴＭＳ３２０Ｃ３２同外設之間的接口電路
圖２所示為控制電路的接口電路。控制電路使用的ＤＳＰ是ＴＭＳ３２０Ｃ３２，它是ＴＩ公司生產的第三代高性能的ＣＭＯＳ ３２位數字信號處理器，其憑借強大的指令系統、高速數據處理能力及創新的結構，已經成為理想的工業控制用ＤＳＰ器件。其主要特點是：單周期指令執行時間為５０ｎｓ，具有每秒可執行２２００萬條指令、進行４０００萬次浮點運算的能力；提供了一個增強的外部存儲器配置接口，具備更加靈活的存儲器管理與數據處理方式。控制電路使用的ＦＰＧＡ器件為ＡＬＴＥＲＡ公司的ＥＰＭ７１２８，它屬于高密度、高性能的ＣＭＯＳ ＥＰＬＤ器件，與ＡＬＴＥＲＡ公司的ＭＡＸＰＬＵＳ ＩＩ開發系統軟件配合，可以１００％地模仿高密度的集成有各種邏輯函數和多種可編程邏輯的ＴＴＬ器件。采用類似器件作為ＤＳＰ的專用外圍集成電路?ＡＳＩＣ?更為經濟靈活，可以進一步降低控制系統的成本。
電壓檢測使用三相變壓器，電流檢測使用ＨＬ電流傳感器。電平轉換電路用來將檢測到的信號轉換為０～５Ｖ的電平。Ａ／Ｄ轉換器選用ＡＤＳ７８６２。保護電路使用電壓比較器３１１得到過壓／過流故障信號。
ＤＳＰ完成以下四項工作：數據的采集和處理、控制算法的完成、ＰＷＭ脈沖值的計算和保護中斷的處理。
ＦＰＧＡ完成以下三項工作：管理ＤＳＰ和各種外部設備的接口；脈沖的輸出和死區的產生；保護信號的處理。
圖3 FPGA與A/D轉換器和DSP之間的接口
３ 使用ＦＰＧＡ實現ＤＳＰ和ＡＤＳ７８６２之間的高速接口
ＡＤＳ７８６２是ＴＩ公司專為電機和電力系統控制而設計的Ａ／Ｄ轉換器。它的主要特點是：４個全差分輸入接口，可分成兩組，兩個通道可同時轉換；１２ｂｉｔｓ并行輸出；每通道的轉換速率為５００ｋＨｚ。控制方法為：由Ａ０線的值決定哪兩個通道轉換；由Ｃｏｎｖｓｔ線上的脈寬大于２５０ｎｓ的低電平脈沖啟動轉換；由ＣＳ和ＲＤ線的低電平控制數據的讀出，連續兩次讀信號可以得到兩個通道的數據。
系統中使用了兩片ＡＤＳ７８６２，它們的控制線使用同樣的接口，數據線則分別和ＤＳＰ的高／低１６位數據線中的低１２位相連接。這樣ＤＳＰ可以同時控制兩片Ａ／Ｄ轉換器：４通道同時轉換；每次讀操作可以得到兩路數據。
如圖３所示，將Ａ／Ｄ轉換器的控制信號映射為ＤＳＰ的三個外部端口：Ａ０、ＡＤＣＳ（和ＡＤＲＤ使用一個端口）和ＣＯＮＶＳＴ。在ＦＰＧＡ中使用邏輯譯碼器對端口譯碼。利用ＡＨＤＬ語言編寫的譯碼程序如下：
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表示低電平，１表示高電平。ＲＷ＝１表示讀，ＲＷ＝０表示寫。
ＤＳＰ對這三個端口進行操作就可以控制Ａ／Ｄ轉換器：寫ＣＯＮＶＳＴ端口可以啟動Ａ／Ｄ轉換器；讀ＡＤＣＳ端口可以從Ａ／Ｄ轉換器中讀到數據；寫數據到Ａ０端口可以設置不同的通道。
使用上述方法可以實現ＤＳＰ和Ａ／Ｄ轉換器之間的無縫快速連接。
４ 使用ＦＰＧＡ實現ＰＷＭ脈沖的產生和死區的注入
ＦＰＧＡ除了管理ＤＳＰ和外設的接口外，還完成ＰＷＭ脈沖的產生和死區的注入。將ＰＷＭ芯片和死區發生器集成在ＦＰＧＡ中，就可以使ＤＳＰ專注于復雜算法的實現，而將ＰＷＭ處理交給ＦＰＧＡ系統，使系統運行于準并行處理狀態。
５ 使用ＦＰＧＡ實現系統保護
為了保護發電機和ＩＧＢＴ功率器件，勵磁控制系統提供了多種保護功能：變流器直流側過壓保護；變流器交流電流過流保護；變流器過溫保護；發電機輸出過壓保護；ＩＰＭ錯誤保護。
圖5 穩態時勵磁繞組電壓電流及系統直流電壓波形
使用如圖４所示的硬件邏輯來實現保護功能。當ＦＰＧＡ檢測到相應的故障信號時，Ｄ觸發器輸出一個錯誤信號，使與門輸出一個低電平，此低電平封鎖住所有的ＰＷＭ脈沖，并觸發一個ＤＳＰ的外部中斷信號。當ＤＳＰ響應外部中斷時，可以使用ＰＲＯ端口讀到錯誤的狀態位。ＣＬＥＡＲ端口用來清除Ｄ觸發器，系統因此可以重復啟動。
圖５給出了本控制系統的實驗波形圖：變流器的輸出電流基本為正弦；變流器側電容電壓穩定在３６５Ｖ；功率繞組側輸出電壓穩定在５１０Ｖ。
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