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          基于DSP+FPGA的多相變頻控制器設(shè)計(jì)

          作者: 時(shí)間:2013-04-18 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用中,電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)和噪音。由于電機(jī)相數(shù)增加,輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小、脈動(dòng)頻率增加,使驅(qū)動(dòng)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)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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,電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(duì)多相系統(tǒng)控制器的性能要求較高[1-3]。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/189634.htm

          在三相變頻控制系統(tǒng)中,雖然控制算法結(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(duì)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(dòng)信號(hào),而這些要求都能滿足。

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

          1 多相設(shè)計(jì)思想

          多相的通用性表現(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(duì)控制器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),控制器由上位機(jī)、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(duì)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(shì),由DSP主要實(shí)現(xiàn)控制算法、采集反饋信號(hào)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(hào),這部分占用硬件資源多,而且對(duì)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?jiǎng)幼鲿r(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(duì)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(hào)采集等。

          (3)通過DSP與FPGA并行通信,DSP對(duì)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(hào)。

          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(hào)與存儲(chǔ)在ROM中的正弦波信號(hào)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(hào)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(hào);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(hào)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(duì)相位寄存器的設(shè)置是實(shí)現(xiàn)多相PWM信號(hào)的必要步驟。

          調(diào)制波控制單元是實(shí)現(xiàn)多相PWM信號(hào)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(hào)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?jiǎng)t由多組調(diào)制波發(fā)生器構(gòu)成,組間的對(duì)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(chǔ)器的功能類似于圖3中的正弦波ROM,它存儲(chǔ)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(duì)調(diào)制波存儲(chǔ)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(chǔ)器。

          頻幅寄存器中存儲(chǔ)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(hào),保護(hù)主電路。

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

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