基于DSP和FPGA的多相變頻控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

任 晶，夏加寬，沈 麗

（沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽110870）

基于DSP和FPGA的多相變頻控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

任 晶，夏加寬，沈 麗

（沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽110870）

為了解決多相變頻控制系統(tǒng)驅(qū)動信號多、對實(shí)時(shí)性要求高的問題，設(shè)計(jì)了一種基于DSP和FPGA的多相變頻控制器。提出一種利用三相PWM信號產(chǎn)生單元構(gòu)建多相PWM發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。該多相變頻控制器可以對任意相數(shù)、任意調(diào)制波波形進(jìn)行在線設(shè)置及多種控制方法的選擇。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該多相變頻控制器具有通用、靈活、可靠的特點(diǎn)。

多相變頻控制器；脈沖寬度調(diào)制；數(shù)字信號處理器；現(xiàn)場可編程門陣列

在電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用中，多相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)可以應(yīng)用在供電電壓受限制的場合，其作用是：(1)解決低壓大功率的問題；(2)減小振動和噪音。由于電機(jī)相數(shù)增加，輸出轉(zhuǎn)矩脈動減小、脈動頻率增加，使驅(qū)動系統(tǒng)低速特性得到很大的改善；(3)提高可靠性。由于相數(shù)冗余，當(dāng)多相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中有一相甚至幾相發(fā)生故障時(shí)，電機(jī)仍可運(yùn)行。因此，多相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)特別適合于高可靠性要求的場合，多相系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)引起學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注。由于多相系統(tǒng)采用的開關(guān)器件多，控制系統(tǒng)復(fù)雜，所以對多相系統(tǒng)控制器的性能要求較高[1-3]。

在三相變頻控制系統(tǒng)中，雖然DSP控制算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但運(yùn)算速度高、尋址方式靈活和通信性能強(qiáng)大等特點(diǎn)，已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。而對于多相變頻控制系統(tǒng)，還要求控制器的實(shí)時(shí)性能高、能夠處理大量數(shù)據(jù)，并且要有更多接口用于PWM驅(qū)動信號，而這些要求FPGA都能滿足。

因此，本文在三相PWM信號產(chǎn)生方法的基礎(chǔ)上，提出一種基于DSP和FPGA的多相PWM信號的產(chǎn)生方法。采用這種方法設(shè)計(jì)了多相變頻控制器，其具有一定的通用性，可以通過上位機(jī)軟件對相數(shù)、調(diào)制波波形和控制方法進(jìn)行在線設(shè)置。

1 多相變頻控制器設(shè)計(jì)思想

多相變頻控制器的通用性表現(xiàn)在：(1)多相電機(jī)的相數(shù)可選；(2)載波頻率可選；(3)根據(jù)諧波注入的需要，可選擇不同調(diào)制波；(4)依據(jù)電機(jī)連接方式，可選擇不同的控制方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，本文采用模塊化的方法對控制器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，控制器由上位機(jī)、DSP和FPGA三部分構(gòu)成，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

上位機(jī)的操作軟件由面向?qū)ο蟮能浖?shí)現(xiàn)。從控制面板上可以控制電機(jī)運(yùn)行、停止，并且可對電機(jī)相數(shù)、載波頻率、調(diào)制波波形、死區(qū)時(shí)間等進(jìn)行設(shè)置。

為了最大限度地發(fā)揮DSP和FPGA各自的優(yōu)勢，由DSP主要實(shí)現(xiàn)控制算法、采集反饋信號及與上位機(jī)進(jìn)行通信；由FPGA實(shí)現(xiàn)調(diào)制算法，產(chǎn)生多相PWM信號，這部分占用硬件資源多，而且對實(shí)時(shí)性要求高。

控制過程如下：

(1)上位機(jī)與DSP通過串行接口相連，在需要動作時(shí)向DSP發(fā)出指令。

(2)DSP根據(jù)接收到的指令調(diào)用相關(guān)函數(shù)，如對系統(tǒng)進(jìn)行初始化、運(yùn)行相應(yīng)的控制算法、進(jìn)行信號采集等。

(3)通過 DSP與 FPGA并行通信，DSP對 FPGA進(jìn)行調(diào)制算法的初始化并解除PWM封鎖，F(xiàn)PGA根據(jù)接收到的頻率和幅值進(jìn)行計(jì)算，產(chǎn)生PWM信號。

2 多相PWM波形產(chǎn)生

2.1 SPWM波形產(chǎn)生原理

正弦脈寬調(diào)制(SPWM)的產(chǎn)生原理如圖2所示。用一組等腰三角形波與一個(gè)正弦波比較，其交點(diǎn)作為SPWM波的上升或下降時(shí)刻。當(dāng)正弦波幅值大于三角波幅值時(shí)，輸出為高電平；當(dāng)正弦波的幅值小于三角波的幅值時(shí)，輸出為低電平[4]。

利用FPGA生成SPWM的基本原理是將三角波發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)字信號與存儲在ROM中的正弦波信號相比較，根據(jù)兩者的大小來決定SPWM波的輸出。

2.2 多相PWM波形產(chǎn)生

圖3給出了三相SPWM信號的產(chǎn)生方法。序列發(fā)生器的作用是按順序產(chǎn)生A相、B相、C相的時(shí)鐘信號；地址合成與數(shù)據(jù)分離利用了分時(shí)復(fù)用的原理，目的是為了減少ROM的使用數(shù)量。多相正弦波只需一個(gè)ROM即可，也為外掛ROM創(chuàng)造了條件[5]。

在三相SPWM信號產(chǎn)生方法的基礎(chǔ)上，本文提出一種基于DSP和FPGA的能產(chǎn)生任意相數(shù)、任意波形（即調(diào)制波形）的方法，如圖4所示。

相位寄存器中保存著各相調(diào)制波間移向角度（如三相為120°）的信息，所以對相位寄存器的設(shè)置是實(shí)現(xiàn)多相PWM信號的必要步驟。

調(diào)制波控制單元是實(shí)現(xiàn)多相PWM信號的核心部分，這部分的功能與圖3中序列發(fā)生器、地址合成及數(shù)據(jù)分離部分類似，但是有如下不同：

(1)生成的調(diào)制波之間的相移是可以通過設(shè)置相位寄存器而自由改變的，而圖3中其相移是固定的，無法在線更改。

(2)規(guī)定三相調(diào)制波信號構(gòu)成一組調(diào)制波發(fā)生器(如圖3為一組)，而調(diào)制波控制單元則由多組調(diào)制波發(fā)生器構(gòu)成，組間的對應(yīng)相相差的相移是可以設(shè)置的。例如在控制雙三相電機(jī)時(shí)，通常采用組內(nèi)相移設(shè)為120°，組間相移設(shè)為 60°或 30°。

調(diào)制波存儲器的功能類似于圖3中的正弦波ROM，它存儲由DSP計(jì)算得到的正弦波形或帶有諧波的調(diào)制波波形?？刂破髅看紊想姾蠖家ㄟ^DSP對調(diào)制波存儲器進(jìn)行初始化設(shè)置，將DSP計(jì)算出的調(diào)制波表下載到調(diào)制波存儲器。

頻幅寄存器中存儲著調(diào)制波幅值和頻率，幅值和頻率在每個(gè)控制周期中由DSP計(jì)算得到。載波發(fā)生器(即三角波發(fā)生器)的載波頻率在線可調(diào)；死區(qū)寄存器存有當(dāng)前的死區(qū)值，也可在線更改。封鎖保護(hù)單元用于在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)封鎖PWM輸出信號，保護(hù)主電路。

由于每個(gè)寄存器或存儲器中的數(shù)字信號均由DSP計(jì)算產(chǎn)生，所以必須通過DSP對FPGA的初始化和設(shè)置，F(xiàn)PGA才能實(shí)現(xiàn)以上功能。

3 多相變頻控制器實(shí)現(xiàn)

控制器采用型號為TMS320F2812的DSP作為主控芯片，這是一款專為電機(jī)控制所設(shè)計(jì)的芯片，不僅具有運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，而且集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)資源。利用TMS320F2812片內(nèi)集成的 16路12 bit A/D，可以對多達(dá)16路的電流或電壓進(jìn)行采樣；TMS320F2812的事件管理器模塊帶有QEP電路，可以對編碼器的正交編碼脈沖進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。

考慮到多相系統(tǒng)需要的資源很大以及功能的擴(kuò)展，采用Altera公司CycloneII系列的FPGA芯片EP2C35F484作為控制芯片，并在外部擴(kuò)展了100 MHz的有源晶振作為時(shí)鐘輸入，以提高控制精度。FPGA在完成PWM信號產(chǎn)生的同時(shí)，還兼顧故障保護(hù)的任務(wù)，當(dāng)接收到某一相的外部故障信號時(shí)，封鎖這一相的PWM信號。硬件的實(shí)時(shí)保護(hù)，提高了控制器的可靠性。

3.1 DSP與FPGA的通信接口設(shè)計(jì)

為了保證DSP和FPGA通信的快速性，DSP利用外部接口（XINTF）模塊與FPGA的用戶I/O口相連。由于選用的芯片兩者接口電壓都為3.3 V，故將DSP外部接口（XINTF）模塊的16 bit數(shù)據(jù)總線、19 bit地址總線與寫信號線XWE和FPGA的用戶I/O口直接相連，實(shí)現(xiàn)并行通信。

XINTF寫周期時(shí)序如圖5所示[6]。從圖中可以看出，在XWE的下降沿時(shí)刻，地址線XA的信號已送到總線上，而數(shù)據(jù)線XD的信號剛送到總線上；在XWE的上升沿時(shí)刻，地址線XA和數(shù)據(jù)線XD的信號均存在于總線上一段時(shí)間，而且已經(jīng)穩(wěn)定，所以令FPGA捕捉XWE的上升沿，在此時(shí)刻讀取信號，以保證DSP和FPGA通信的準(zhǔn)確性。

通過DSP和FPGA的并行通信實(shí)驗(yàn)，得到如圖6所示的FPGA在線接收到的由DSP發(fā)送出的遞增數(shù)據(jù)（地址和數(shù)據(jù)相同）實(shí)測信號圖，與分析結(jié)果相符。

3.2 軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)軟件部分主要由主程序和中斷服務(wù)程序構(gòu)成。主程序包括對DSP中斷、外設(shè)以及FPGA調(diào)制策略的初始化；中斷服務(wù)程序主要完成恒壓頻比控制算法、速度閉環(huán)PID調(diào)節(jié)器的控制算法以及刷新頻幅寄存器。其程序流程圖分別如圖7、圖8所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用本文方法設(shè)計(jì)的控制器產(chǎn)生5組、每組3相(即15相 SPWM)信號，組內(nèi)相移設(shè)為 120°，組間相移設(shè)為72°。圖9為利用FPGA的輸入口觀測15相SPWM的15個(gè)上橋信號的波形，圖10為利用示波器觀測組內(nèi)相移120°的兩路SPWM信號波形，圖11為組間相移72°的兩路SPWM信號波形，圖12為同一相上下橋SPWM信號的波形。

本文提出了一種基于DSP和FPGA的多相PWM信號實(shí)現(xiàn)方法，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多相變頻控制器。此控制器可以對多種相數(shù)的電機(jī)進(jìn)行變頻控制和多種控制方法的選擇，雖然目前還不夠完善(如無法實(shí)現(xiàn)矢量控制)，但是其通用性和靈活性為多相電機(jī)的研究提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺。

[1]侯立軍，蘇彥民.多相感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景[J].微電機(jī)，2001(5)：42-44.

[2]陳林，熊有倫.多相感應(yīng)電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].微特電機(jī)，2002(1)：33-35，38.

[3]薛山.多相永磁同步電機(jī)驅(qū)動技術(shù)研究[D].北京：中國科學(xué)院研究生院，2006.

[4]常國祥，王成元.新型三相正弦波PWM控制器的設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2006(6)：110-112.

[5]陳伯時(shí).電力拖動自動控制系統(tǒng)：運(yùn)動控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[6]孫麗明.TMS320F2812原理及其C語言程序開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

Design and implementation of multiphase variable-frequency controller based on DSP and FPGA

Ren Jing，Xia Jiakuan，Shen Li
(College of Electrical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870，China)

Due to the large number of PWM channels required in multiphase variable-frequency system and high real-time performance,a multiphase variable-frequency controller based on DSP and FPGA has designed.A multiphase PWM generator based on three-phase PWM generator using building block approach was proposed．The controller can be set individually to realize any number of PWM,any kind of modulation wave,and different modulation strategies easily on line.The practice proved that the controller has advantages of universality,flexibility and reliability.

multiphase variable-frequency controller；PWM；DSP；FPGA

TM921

A

0258-7998(2012)03-0023-04

教育部博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目資助（20102102110001）；遼寧省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目資助（200933119）

2011-09-07)

任晶，女，1986年生，碩士研究生，主要研究方向：現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)與實(shí)現(xiàn)方法。