基于DSP+FPGA的多相变频控制器设计 可靠性, 学术界

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在电机驱动系统应用中，多相电机驱动系统可以应用在供电电压受限制的场合，其作用是：(1)解决低压大功率的问题;(2)减小振动和噪音。由于电机相数增加，输出转矩脉动减小、脉动频率增加，使驱动系统低速特性得到很大的改善;(3)提高可靠性。由于相数冗余，当多相电机驱动系统中有一相甚至几相发生故障时，电机仍可运行。因此，多相电机驱动系统特别适合于高可靠性要求的场合，多相系统的这些优点引起学术界和工程界的广泛关注。由于多相系统采用的开关器件多，控制系统复杂，所以对多相系统控制器的性能要求较高[1-3]。
在三相变频控制系统中，虽然DSP控制算法结构复杂，但运算速度高、寻址方式灵活和通信性能强大等特点，已经得到了广泛应用。而对于多相变频控制系统，还要求控制器的实时性能高、能够处理大量数据，并且要有更多接口用于PWM驱动信号，而这些要求FPGA都能满足。
因此，本文在三相PWM信号产生方法的基础上，提出一种基于DSP和FPGA的多相PWM信号的产生方法。采用这种方法设计了多相变频控制器，其具有一定的通用性，可以通过上位机软件对相数、调制波波形和控制方法进行在线设置。
1 多相变频控制器设计思想
多相变频控制器的通用性表现在：(1)多相电机的相数可选;(2)载波频率可选;(3)根据谐波注入的需要，可选择不同调制波;(4)依据电机连接方式，可选择不同的控制方法。
为了实现上述功能，本文采用模块化的方法对控制器结构进行了设计，控制器由上位机、DSP和FPGA三部分构成，其总体结构框图如图1所示。


上位机的操作软件由面向对象的软件实现。从控制面板上可以控制电机运行、停止，并且可对电机相数、载波频率、调制波波形、死区时间等进行设置。
为了最大限度地发挥DSP和FPGA各自的优势，由DSP主要实现控制算法、采集反馈信号及与上位机进行通信;由FPGA实现调制算法，产生多相PWM信号，这部分占用硬件资源多，而且对实时性要求高。
控制过程如下：
(1)上位机与DSP通过串行接口相连，在需要动作时向DSP发出指令。
(2)DSP根据接收到的指令调用相关函数，如对系统进行初始化、运行相应的控制算法、进行信号采集等。
(3)通过DSP与FPGA并行通信，DSP对FPGA进行调制算法的初始化并解除PWM封锁，FPGA根据接收到的频率和幅值进行计算，产生PWM信号。
2 多相PWM波形产生
2.1 SPWM波形产生原理
正弦脉宽调制(SPWM)的产生原理如图2所示。用一组等腰三角形波与一个正弦波比较，其交点作为SPWM波的上升或下降时刻。当正弦波幅值大于三角波幅值时，输出为高电平;当正弦波的幅值小于三角波的幅值时，输出为低电平[4]。


利用FPGA生成SPWM的基本原理是将三角波发生器产生的数字信号与存储在ROM中的正弦波信号相比较，根据两者的大小来决定SPWM波的输出。
2.2 多相PWM波形产生
图3给出了三相SPWM信号的产生方法。序列发生器的作用是按顺序产生A相、B相、C相的时钟信号;地址合成与数据分离利用了分时复用的原理，目的是为了减少ROM的使用数量。多相正弦波只需一个ROM即可，也为外挂ROM创造了条件[5]。


在三相SPWM信号产生方法的基础上，本文提出一种基于DSP和FPGA的能产生任意相数、任意波形(即调制波形)的方法，如图4所示。


相位寄存器中保存着各相调制波间移向角度(如三相为120°)的信息，所以对相位寄存器的设置是实现多相PWM信号的必要步骤。
调制波控制单元是实现多相PWM信号的核心部分，这部分的功能与图3中序列发生器、地址合成及数据分离部分类似，但是有如下不同：
(1)生成的调制波之间的相移是可以通过设置相位寄存器而自由改变的，而图3中其相移是固定的，无法在线更改。
(2)规定三相调制波信号构成一组调制波发生器(如图3为一组)，而调制波控制单元则由多组调制波发生器构成，组间的对应相相差的相移是可以设置的。例如在控制双三相电机时，通常采用组内相移设为120°，组间相移设为60°或30°。
调制波存储器的功能类似于图3中的正弦波ROM，它存储由DSP计算得到的正弦波形或带有谐波的调制波波形。控制器每次上电后都要通过DSP对调制波存储器进行初始化设置，将DSP计算出的调制波表下载到调制波存储器。
频幅寄存器中存储着调制波幅值和频率，幅值和频率在每个控制周期中由DSP计算得到。载波发生器(即三角波发生器)的载波频率在线可调;死区寄存器存有当前的死区值，也可在线更改。封锁保护单元用于在系统出现故障时封锁PWM输出信号，保护主电路。
由于每个寄存器或存储器中的数字信号均由DSP计算产生，所以必须通过DSP对FPGA的初始化和设置，FPGA才能实现以上功能。