摘要：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。詳細分析該系統(tǒng)設計各模塊硬件電路和軟件程序設計。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，已成功應用于400 kVA岸電電源樣機中。
關鍵詞：大功率變流器；通用控制平臺；雙DSP；FPGA通信擴展

    變流器技術及現(xiàn)代電力電子技術在交流變頻調速、供電電源、電力系統(tǒng)輸配電、電能質量控制等方面應用廣泛。大功率變流器具有相同或相近的主回路結構。其控制器結構基本是由信號調理電路、A／D轉換電路、微處理器(DSP或單片機)、PWM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，這里提出一種基于雙DSP(TMS320C6713B與TMS320F2812)架構的大功率變流器通用控制平臺的設計方案。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計，并促進變流器裝置控制算法研究，縮短其產品研發(fā)周期。

1 系統(tǒng)整體設計
    圖l為控制平臺的控制系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)設計以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DSPTMS320F2812事件管理器實現(xiàn)PWM控制、轉速采集、開關狀態(tài)控制、故障檢測以及部分通信等功能。雙端口RAMIDT70V25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)絡通信、ISP、液晶顯示、鍵盤輸入等。

2 系統(tǒng)硬件電路設計
2．1采集電路
2．1．1電流、電壓檢測電路
    為有效調節(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。[!--empirenews.page--]
    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轉換器，采用+5 V供電；其內部有1個2．4μs的逐次逼近的A／D轉換器，4個跟蹤／保持放大器，內部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部分信號調理電路。

    主回路輸入與輸出側三相線電壓、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)精密電阻轉換為±15 V電壓信號。該電壓信號經(jīng)具有調幅功能的有源低通濾波器轉化為+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、BUSY、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。
2．1．2電機轉速檢測電路
    變流器通用控制平臺選用增量式光電編碼器設計電機測速器，其光電編碼器輸出脈沖波型相差90°的QEPI、QEP2兩相信號，正轉時QEPl相超前QEP2相；反轉QEP2相超前QEPl相。根據(jù)光電編碼器輸出光脈沖頻率測定電機轉速。增量式旋轉編碼器與被測電機同軸轉動，輸出A、B、Z 3路差分信號。其中A、B兩組脈沖相位差90°，可方便判斷旋轉方向，而Z路為每轉一個脈沖的基準點定位。這3路差分信號經(jīng)MAX490ESA將差分信號轉換為邏輯信號，再經(jīng)高速光耦6N137隔離送入TMS320F2812的正交脈沖編碼電路，測定電機轉速。增量式旋轉編碼器差分信號輸入電路如圖3所示。

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。其中，浮點DSPTMS320C6713B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)；坐標變換等初級復雜浮點運算；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)外設功能和部分定點運算。TMS320-F2812通過雙端口RAM IDT70V25讀取TMS320C6713B的運算結果；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)主回路開關狀態(tài)輸入輸出等。FPGA EP2C20Q240通過HPI接口與TMS320C6713B連接，通過McBSP接口與TMS320F2812。遠程PC機通過網(wǎng)絡在線更新雙DSP程序，從而更方便調試雙DSP。
2．3 PWM信號產生與輸出電路
    控制平臺通過SPWM、SVPWM等調制產生PWM控制信號實現(xiàn)變流器的控制，再經(jīng)驅動電路控制IGBT、IPM模塊的主回路開關器，逆變產生交流輸出。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 EPMl270T144，經(jīng)CPLD處理和SN75451驅動后采用光纖HFBRl521輸出。通用控制平臺的PWM與主回路的驅動模塊之間均經(jīng)光纖隔離，可有效消除主回路對控制平臺的干擾。驅動板同時通過16路光纖接收器HFBR252l接收驅動板發(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。

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    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，避免在復位期間或CPLD無裝載程序時因PWM信號狀態(tài)不確定導致開關器件誤導通。
2．4開關狀態(tài)輸入與輸出電路
    控制平臺通過開關狀態(tài)量的輸入，讀入主回路空氣開關、斷路器、按鍵等通斷狀態(tài)；通過開關狀態(tài)輸出及控制輸出繼電器的通斷控制主回路斷路器、排氣扇控制開關等。開關量的輸入輸出由數(shù)據(jù)、地址總線、74LVC245、光耦TLP52l和繼電器等構成。開關量的輸入通過74LV-C244轉換為3．3 V電平，送入TMS320F2812；開關量經(jīng)74LVC244輸出以控制信號燈和繼電器等，從而實現(xiàn)調試、指示、保護動作等功能。本設計開關狀態(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，從而減少主同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，調試方便，利用1片F(xiàn)PGA EP2C20Q240和網(wǎng)絡控制器RTL8019擴展以太網(wǎng)。FPGA需外擴l片SDRAM HY57V641620和1片F(xiàn)lashE28F640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；ICD為并行接口，其數(shù)據(jù)線與網(wǎng)卡控制器RTL8019復用，控制信號由FPGA直接發(fā)送。

3 控制系統(tǒng)軟件設計
    控制系統(tǒng)軟件設計主要包括初始化、通信、MD采樣、控制算法、SPWM調制、故障檢測與處理等程序。圖5為主程序流程。

4 結束語
    將該大功率變流器通用控制平臺應用于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。需要注意的是該設計為通用控制平臺，各項外設功能完備，實際產品中需要根據(jù)相關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。