專利名稱：一種基于dsp和fpga的交交變頻電流數字控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種交交變頻器電流控制器，特別是一種基于DSP和FPGA的全數字控制 的交交變頻電流數字控制系統。
技術背景隨著數字控制和電力電子技術的發展，在目前的調速領域，交流傳動逐漸取代直流傳動 的地位成為主流，而在大功率交流傳動領域，交交變頻器是目前應用最廣泛的交流調速方案。 交交變頻器的控制系統非常復雜，傳統的交交變頻器控制系統是由多個模擬系統組成，由于 模擬器件本身存在的溫漂、零漂和老化問題，系統成本高，構成復雜，調試、使用不便。隨 著數字控制技術的發展，近年來國外公司采用了多處理器系統來完成交交變頻器的矢量控制 任務。如
圖1所示，系統通常釆用三個處理器處理器101完成速度調節任務，處理器102 完成直流電流調節、矢量控制、弱磁控制等任務，處理器103完成交流電流調節器、交流電 壓前饋補償環節、交流電流斷續補償環節、無環流換向邏輯以及移相觸發環節等。 一個典型 的基于總線結構的多處理器通用控制器，其中處理器103通過接口板105和三個數字觸發 板104相連，完成上述處理器103的任務。這種系統存在的主要問題有兩個1、 處理器IOI， 102， 103，通過接口板和三個數字觸發板104相連，構成交交變頻 電流控制數字系統，系統構成較復雜。2、 -數字觸發部分一般由單片機和可編程門陣列來實現，運算復雜，浪費機時，且精度 不夠高，有時存在相位抖動的問題；3、 處理器IOI， 102， 103和上位機203的通訊需符合通信總線規定的協議，通訊速 率受影響。發明 內 容本發明為了解決現有的多處理器通用控制器存在的結構復雜效率低等問題，提供了一 種基于DSP和FPGA的全數字控制的交交變頻電流控制數字系統,主要由DSP主板、FPGA接口板、基于VME總線的上位機、同步電壓接口電路、脈沖驅動接口電路、A/D采樣接口 電路、同步變壓器、脈沖觸發功放板、電壓電流傳感器與電流過零檢測板組成。所述FPGA接口板負責和VME總線的上位機、同步變壓器接口電路、脈沖驅動接口電 路、A/D采樣接口電路進行接口；基于VME總線的上位機產生控制信號通過FPGA接口板 傳遞給DSP主板；同步變壓器采集三相交流電源同步電壓信號，并通過同步電壓接口電路處 理后訪問FPGA接口板內的雙口 RAM;電壓電流傳感器釆集三相交流電源的電壓電流信號， 信號經A/D釆樣接口電路處理后訪問FPGA接口板內的雙口 RAM。DSP主板釆集FPGA接口板內的雙口 RAM信息，并綜合上位機控制信號、同步電壓信 號、電壓電流信號，產生控制脈沖，控制脈沖通過FPGA接口板傳遞到脈沖驅動接口電路， 并被轉換成合適的電平信號，電平信號再傳遞給脈沖觸發功放板進行放大后，最終發送給功 率電路。DSP主板主要進行電流調節器、電流斷續補償和觸發角的計算，DSP主板通過數據總線、 地址總線和控制總線連接到FPGA接口板，從而實現DSP主板和FPGA接口板的信息交換。 基于VME總線的上位機通過VME總線的數據總線、地址總線和控制總線與FPGA接口板 內的雙口 RAM互聯，并通過FPGA接口板與DSP主板進行通訊。所述同步電壓接口電路包括濾波電路和正弦撥轉換方波電路，同步變壓器采集的三相交 流電源的同步電壓信號為正弦波，經過濾波電路進行過濾，過濾后的正弦波同步電壓信號通 過正弦波轉換成方波電路轉換成方波同步電壓信號，最后傳遞給FPGA接口板上作為系統所 需的同步信號，作為觸發脈沖產生的基準。所述的A/D采樣接口電路包括調理電路和A/D轉換電路，其中調理電路包括采樣電阻 與INA159功放器件；A/D轉換電路為A/D采樣芯片ADS8365。交交變頻器的三相交流 電源的交流輸出電壓和電流信號經過電壓電流傳感器產生電流型的檢測信號，該檢測信號傳 遞給調理電路，經調理電路中的采樣電阻轉換成模擬檢測信號，再經INA159功放器件放大、 整形，然后輸入給A/D轉換電路轉化成數字檢測信號，數字檢測信號通過數據總線和控制信 號線接到FPGA接口板，并儲存在FPGA接口板模擬的雙口 RAM中。零電流中斷信號由電流過零檢測板提供，電流過零檢測板將電流過零信號連接到FPGA 的管腳上，經FPGA接口板，產生電流過零的兩路中斷信號，接到DSP的外部中斷引腳上。 由于交交變頻系統需要在功率裝置在正向橋工作向反相橋工作切換時，不能存在環流，即須 在電流為0時切換。電流過零檢測板為系統提供零電流信號，通過FPGA接口板提供給DSP 作正反橋脈沖無環流切換邏輯計箅。DSP主板采集FPGA接口板內的雙口 RAM中的信息，并上傳給基于VME總線的上位 機，上位機采用基于VME總線結構的多處理器控制系統，綜合DSP主板上傳的電壓和電流實際檢測值，完成交交變頻的矢量控制任務，產生出電壓前饋給定信號和交流電流給定信號， 并通過刷新FPGA接口板內的雙口 RAM,下傳給DSP主板。DSP主板接到上位機下傳的 電壓前饋給定信號和交流電流給定信號后，綜合電壓和電流實際檢測值以及零電流中斷信號， 產生觸發角"角，并將觸發角"下傳給FPGA接口板，FPGA接口板根據觸發角a和同步變 壓器的同步電壓信號，產生出功率電路觸發脈沖，觸發脈沖經脈沖驅動接口電路傳遞給脈沖 觸發功放板，去觸發主回路的功率電路。所述的脈沖驅動接口電路包括光電隔離和脈沖電壓提升電路。上述A/D轉換電路對DSP主板的控制通過FPGA接口板編程實現。本發明的優點在于(1) 采用DSP主板和FPGA接口板配合完成晶閘管移相觸發的數字化和無環流換向邏輯，大大提高了觸發脈沖的精度和實時性；(2) 利用FPGA接口板內的資源，雙口 RAM實現和基于VME總線上位機的信息交換，提高了信息交換的速率和數據的準確性。 附圖說 明圖1為各處理器之間通過機箱總線互聯和通訊圖；圖2為本發明交交變頻電流控制數字系統結構框圖；圖3為本發明DSP主板和上位機的信息交換結構框圖；圖4為本發明同步電壓接口電路結構框圖；圖5為本發明A/D釆樣接口電路結構框圖；圖6為本發明電流過零檢測接口電路結構框圖；具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明的交交變頻電流控制數字系統進行詳細說明。 本發明的一種基于DSP和FPGA的全數字控制的交交變頻電流控制數字系統，如圖2 所示，主要由DSP主板201、 FPGA接口板202、基于VME總線的上位機203、同步電 壓接口電路204、脈沖驅動接口電路206、 A/D采樣接口電路208、同步變壓器205、脈 沖觸發功放板207、電壓電流傳感器209與電流過零檢測板211組成。所述EPGA^J3&^D2魚,VMK^HJb^機203、同步變壓器205 #&%路、 脈沖驅動接口電路206、 A/D采樣接口電路208進行接口；基于VME總線的上位機203 產生控制信號通過FPGA接口板202傳遞給DSP主板201;同步變壓器205釆集三相交流 電源同步電壓信號，并通過同步電壓接口電路204處理后訪問FPGA接口板202內的雙口RAM;電壓電流傳感器209采集三相交流電源的電壓電流信號，信號經A/D采樣接口電路 208處理后訪問FPGA接口板202內的雙口 RAM。DSP主板201采集FPGA接口板202內的雙口 RAM信息，并綜合上位機203控制 信號、同步電壓信號、電壓電流信號，產生控制脈沖，控制脈沖通過FPGA接口板202傳遞 到脈沖驅動接口電路206，并被轉換成合適的電平信號，電平信號再傳遞給脈沖觸發功放板 207進行放大后，最終發送給功率電路。DSP主板201主要進行電流調節器、電流斷續補償和觸發角的計算。如圖3所示，DSP 主板201通過數據總線、地址總線和控制總線連接到FPGA接口板202，從而實現DSP主 板201和FPGA接口板2。2的信息交換。DSP芯片的型號為TMS320LF2812， FPGA芯 片的型號為EPF10K30A(208)。基于VME總線的上位機203通過VME總線的數據總線、 地址總線和控制總線與FPGA接口板202內的雙口 RAM互聯，并通過FPGA接口板202 與DSP主板201進行通訊。所述同步電壓接口電路204包括濾波電路301和正弦撥轉換成方波電路，同步變壓器 205釆集的三相交流電源的同步電壓信號為正弦波，必須經過濾波電路301301進行過濾， 如圖4所示，經濾波電路301301過濾后的正弦波同步電壓信號通過正弦波轉換成方波電路 302轉換成方波同步電壓信號，最后傳遞給FPGA接口板202上作為系統所需的同步信號， 作為觸發脈沖產生的基準。FPGA接口板202將來自同步變壓器205的三相交流電源電壓 轉變成與三相橋的6個橋臂元件電壓相位同步的6個脈沖，以達到6路移相脈沖與6相橋臂 的電壓同步。所述的A/D采樣接口電路208包括調理電路401和A/D轉換電路402，如圖5所示， 其中調理電路401包括采樣電阻與INA159功放器件；A/D轉換電路402為A/D采樣芯 片ADS8365。交交變頻器的三相交流電源的交流輸出電壓和電流信號經過電壓電流傳感器 209產生電流型的檢測信號，該檢測信號傳遞給調理電路401,經調理電路401中的釆樣電 阻轉換成模擬檢測信號，再經INA159功放器件放大、整形，然后輸入給A/D轉換電路402 轉化成數字檢測信號，數字檢測信號通過數據總線和控制信號線接到FPGA接口板202，并 儲存在FPGA接口板202模擬的雙口 RAM中。DSP主板201釆集FPGA接口板202內的雙口 RAM中的信息，并上傳給基于VME 總線的上位機203,上位機203采用基于VME總線結構的多處理器控制系統，綜合DSP 主板201上傳的電壓和電流實際檢測值，完成交交變頻的矢量控制任務，產生出電壓前饋給 定信號和交流電流給定信號，并通過刷新FPGA接口板202內的雙口 RAM,下傳給DSP 主板201。DSP主板201接到上位機203下傳的電壓前饋給定信號和交流電流給定信號后， 綜合電壓和電流實際檢測值以及零電流中斷信號，產生觸發角a角，并將觸發角"下傳給FPGA接口板202, FPGA接口板202根據觸發角a和同步變壓器205的同步電壓信號， 產生出功率電路觸發脈沖，觸發脈沖經脈沖驅動接口電路206傳遞給脈沖觸發功放板207, 去觸發主回路的功率電路。所述的脈沖驅動接口電路206包括光電隔離和脈沖電壓提升電路。 上述A/D轉換電路402對DSP主板201的控制通過FPGA接口板202編程實現。 所述的零電流中斷信號由電流過零檢測板211提供，如圖6所示，電流過零檢測板211 將電流過零信號連接到FPGA的管腳上，經FPGA接口板202,產生電流過零的兩路中斷信 號，接到DSP的外部中斷引腳上。由于交交變頻系統需要在功率裝置在正向橋工作向反相橋 工作切換時，不能存在環流，即須在電流為O時切換。電流過零檢測板211為系統提供零電 流信號，通過FPGA接口板202提供給DSP作正反橋脈沖無環流切換邏輯計算。
權利要求
1、一種基于DSP和FPGA的全數字控制的交交變頻電流控制數字系統，由基于VME總線上位機、同步電壓接口電路、脈沖驅動接口電路、A/D采樣接口電路、同步變壓器、脈沖觸發功放板、電壓電流傳感器組成；其特征在于還包括DSP主板和FPGA接口板；所述FPGA接口板負責和VME總線的上位機、同步變壓器接口電路、脈沖驅動接口電路、A/D采樣接口電路進行接口；基于VME總線的上位機產生控制信號通過FPGA接口板傳遞給DSP主板；同步變壓器采集三相交流電源同步電壓信號，并通過同步電壓接口電路處理后訪問FPGA接口板內的雙口RAM；電壓電流傳感器采集三相交流電源的電壓電流信號，信號經A/D采樣接口電路處理后訪問FPGA接口板內的雙口RAM；所述DSP主板采集FPGA接口板內的雙口RAM信息，并綜合上位機控制信號、同步電壓信號、電壓電流信號，產生控制脈沖，控制脈沖通過FPGA接口板傳遞到脈沖驅動接口電路，并被轉換成合適的電平信號，電平信號再傳遞給脈沖觸發功放板進行放大后，最終發送給功率電路；DSP主板進行電流調節器、電流斷續補償和觸發角的計算，DSP主板通過數據總線、地址總線和控制總線連接到FPGA接口板，從而實現DSP主板和FPGA接口板的信息交換；基于VME總線的上位機通過VME總線的數據總線、地址總線和控制總線與FPGA接口板內的雙口RAM互聯，并通過FPGA接口板與DSP主板進行通訊；零電流中斷信號由電流過零檢測板提供，電流過零檢測板將電流過零信號連接到FPGA的管腳上，經FPGA接口板，產生電流過零的兩路中斷信號，接到DSP的外部中斷引腳上，由于交交變頻系統需要在功率裝置在正向橋工作向反相橋工作切換時，不能存在環流，即須在電流為0時切換，電流過零檢測板為系統提供零電流信號，通過FPGA接口板提供給DSP作正反橋脈沖無環流切換邏輯計算；DSP主板接到上位機下傳的電壓前饋給定信號和交流電流給定信號后，綜合電壓和電流實際檢測值以及零電流中斷信號，產生觸發角α角，并將觸發角α下傳給FPGA接口板，FPGA接口板根據觸發角α和同步變壓器的同步電壓信號，產生出功率電路觸發脈沖，觸發脈沖經脈沖驅動接口電路傳遞給脈沖觸發功放板，去觸發主回路的功率電路。
2、根據權利要求1所述的一種基于DSP和FPGA的全數字控制的交交變頻電流控制數 字系統，其特征在于所述同步電壓接口 包括濾波電路和正弦撥鞋換成方被電路十同步 變壓器采集的三相交流電源的同步電壓信號為正弦波，經過濾波電路進行過濾，過濾后的正 弦波同步電壓信號通過正弦波轉換成方波電路轉換成方波同步電壓信號，最后傳遞給FPGA 接口板上作為系統所需的同步信號，作為觸發脈沖產生的基準。
3、 根據權利要求1所述的一種基于DSP和FPGA的全數字控制的交交變頻電流控制 數字系統，其特征在于所述的A/D采樣接口電路包括調理電路和A/D轉換電路，其中調 理電路包括采樣電阻與INA159功放器件；A/D轉換電路為A/D采樣芯片ADS8365,交 交變頻器的三相交流電源的交流輸出電壓和電流信號經過電壓電流傳感器產生電流型的檢測 信號，該檢測信號傳遞給調理電路，經調理電路中的采樣電阻轉換成模擬檢測信號，再經 INA159功放器件放大、整形，然后輸入給A/D轉換電路轉化成數字檢測信號，數字檢測信 號通過數據總線和控制信號線接到FPGA接口板，并儲存在FPGA接口板模擬的雙口 RAM 中。
4、 根據權利要求1所述的一種基于DSP和FPGA的全數字控制的交交變頻電流控制 數字系統，其特征在于所述的脈沖驅動接口電路包括光電隔離和脈沖電壓提升電路。
全文摘要
一種基于DSP和FPGA的全數字控制的交交變頻電流控制數字系統，由DSP主板、FPGA接口板、基于VME總線上位機、同步電壓接口電路、脈沖驅動接口電路、A/D采樣接口電路、同步變壓器、脈沖觸發功放板、電壓電流傳感器組成，DSP主板主要進行電流調節器、電流斷續補償和觸發角的計算，FPGA接口板負責和上位機系統、同步變壓器、電壓、電流檢測器件、電流過零檢測板、脈沖觸發功放板接口。本發明優點在于采用DSP和FPGA芯片配合完成晶閘管移相觸發的數字化和無環流換向邏輯，大大提高了觸發脈沖的精度和實時性；利用FPGA內的資源，雙口RAM實現和基于VME總線上位機的信息交換，提高了信息交換的速率和數據的準確性。
文檔編號H02M1/06GK101404457SQ200810227070
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月20日 優先權日2008年11月20日
發明者瑜 張, 朱春毅, 凡 李, 李向欣, 李崇堅, 巍 段, 路尚書, 鳴 雷 申請人:北京金自天正智能控制股份有限公司