設(shè)計(jì)的勵(lì)磁系統(tǒng),由DSP和FPGA構(gòu)成。該系統(tǒng)帶有勵(lì)磁補(bǔ)償和功率這兩個(gè)繞組，如圖1所示。勵(lì)磁補(bǔ)償繞組上接一個(gè)電力電子變換裝置，用來(lái)提供感應(yīng)發(fā)電機(jī)需要的無(wú)功功率，使功率繞組上輸出一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓。

　　圖1中各參數(shù)的含義如下：

　　isa,isb,isc——補(bǔ)償繞組中的勵(lì)磁電流；

　　usa,usb,usc——補(bǔ)償繞組相電壓；

　　ipa,ipb,ipc——功率繞組電流；

　　upa,upb,upc——功率繞組相電壓；

　　udc——二極管整流橋直流側(cè)輸出電壓；

　　uc——變流器直流側(cè)電容電壓。

　　電力電子變換裝置由功率器件及其驅(qū)動(dòng)電路和控制電路兩部分組成。功率器件選用三菱公司的智能功率模塊（IPM）PM75CSA120（75A/1200V），驅(qū)動(dòng)電路使用光耦HCPL4502。

　　2 EPM7128與TMS320C32同外設(shè)之間的接口電路

　　圖2所示為控制電路的接口電路。控制電路使用的DSP是TMS320C32,它是TI公司生產(chǎn)的第三代高性能的CMOS 32位數(shù)字信號(hào)處理器，其擁有指令系統(tǒng)強(qiáng)大，數(shù)據(jù)處理快和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的特點(diǎn)，已經(jīng)成為理想的工業(yè)控制用DSP器件。其主要特點(diǎn)是：

    （1）單周期指令執(zhí)行時(shí)間為50ns,具有每秒可執(zhí)行2200萬(wàn)條指令、進(jìn)行4000萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算的能力；

    （2）提供了一個(gè)增強(qiáng)的外部存儲(chǔ)器配置接口，具備更加靈活的存儲(chǔ)器管理與數(shù)據(jù)處理方式。

    控制電路使用的FPGA器件為ALTERA公司的EPM7128,它屬于高密度、高性能的CMOS EPLD器件，與ALTERA公司的MAXPLUS II開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件配合，可以100%地模仿高密度的集成有各種邏輯函數(shù)和多種可編程邏輯的TTL器件。采用類(lèi)似器件作為DSP的專(zhuān)用外圍集成電路（ASIC）更為經(jīng)濟(jì)靈活，可以進(jìn)一步降低控制系統(tǒng)的成本。

　　電壓檢測(cè)使用三相變壓器，電流檢測(cè)使用HL電流傳感器。電平轉(zhuǎn)換電路用來(lái)將檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5V的電平。A/D轉(zhuǎn)換器選用ADS7862。保護(hù)電路使用電壓比較器311得到過(guò)壓/過(guò)流故障信號(hào)。

　　DSP完成以下四項(xiàng)工作：

    ◆數(shù)據(jù)的采集和處理

    ◆控制算法的完成

    ◆PWM脈沖值的計(jì)算

    ◆保護(hù)中斷的處理

　　FPGA完成以下三項(xiàng)工作：

    （1）管理DSP和各種外部設(shè)備的接口；

    （2）脈沖的輸出和死區(qū)的產(chǎn)生；

    （3）保護(hù)信號(hào)的處理。

　　3 使用FPGA實(shí)現(xiàn)DSP和ADS7862之間的高速接口

　　ADS7862是TI公司專(zhuān)為電機(jī)和電力系統(tǒng)控制而設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換器。它的主要特點(diǎn)有：

    ◆4個(gè)全差分輸入接口，可分成兩組，兩個(gè)通道可同時(shí)轉(zhuǎn)換

    ◆12bits并行輸出

    ◆每通道的轉(zhuǎn)換速率為500kHz

    控制方法為：

    ◆由A0線的值決定哪兩個(gè)通道轉(zhuǎn)換

    ◆由Convst線上的脈寬大于250ns的低電平脈沖啟動(dòng)轉(zhuǎn)換

    ◆由CS和RD線的低電平控制數(shù)據(jù)的讀出，連續(xù)兩次讀信號(hào)可以得到兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)

　　系統(tǒng)中使用了兩片ADS7862,它們的控制線使用同樣的接口，數(shù)據(jù)線則分別和DSP的高/低16位數(shù)據(jù)線中的低12位相連接。這樣DSP可以同時(shí)控制兩片A/D轉(zhuǎn)換器：4通道同時(shí)轉(zhuǎn)換；每次讀操作可以得到兩路數(shù)據(jù)。

　　如圖3所示，將A/D轉(zhuǎn)換器的控制信號(hào)映射為DSP的三個(gè)外部端口：A0、ADCS（和ADRD使用一個(gè)端口）和CONVST。在FPGA中使用邏輯譯碼器對(duì)端口譯碼。利用AHDL語(yǔ)言編寫(xiě)的譯碼程序如下：

　　TABLE

　　A[2312],IS,RW=>A0,ADCS,CONVST,PWM1,PWM2,

　　PWM3, PWM, PRO, CLEAR;

　　H″810″，0,0=>0,1,1,1,1,1,1,1,1;

　　H″811″，0,1=>1,0,1,1,1,1,1,1,1;

　　H″812″，0,0=>1,1,0,1,1,1,1,1,1;

　　H″813″，0,1=>1,1,1,0,1,1,1,1,1;

　　H″814″，0,0=>1,1,1,1,0,1,1,1,1;

　　H″815″，0,0=>1,1,1,1,1,0,1,1,1;

　　H″816″，0,0=>1,1,1,1,1,1,0,1,1;

　　H″817″，0,1=>1,1,1,1,1,1,1,0,1;

　　H″817″，0,0=>1,1,1,1,1,1,1,1,0;

　　END TABLE

　　其中，0表示低電平，1表示高電平。RW=1表示讀，RW=0表示寫(xiě)。

　　DSP對(duì)這三個(gè)端口進(jìn)行操作就可以控制A/D轉(zhuǎn)換器：

    （1）寫(xiě)CONVST端口可以啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器；

    （2）讀ADCS端口可以從A/D轉(zhuǎn)換器中讀到數(shù)據(jù)；

    （3）寫(xiě)數(shù)據(jù)到A0端口可以設(shè)置不同的通道。

　　使用上述方法可以實(shí)現(xiàn)DSP和A/D轉(zhuǎn)換器之間的無(wú)縫快速連接。

　　4 使用FPGA實(shí)現(xiàn)PWM脈沖的產(chǎn)生和死區(qū)的注入

　　FPGA除了管理DSP和外設(shè)的接口外，還完成PWM脈沖的產(chǎn)生和死區(qū)的注入。將PWM芯片和死區(qū)發(fā)生器集成在FPGA中，就可以使DSP專(zhuān)注于復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)，而將PWM處理交給FPGA系統(tǒng)，使系統(tǒng)運(yùn)行于準(zhǔn)并行處理狀態(tài)。

　　5 使用FPGA實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)

　　為了保護(hù)發(fā)電機(jī)和IGBT功率器件，勵(lì)磁控制系統(tǒng)提供了多種保護(hù)功能：

    ◆變流器直流側(cè)過(guò)壓保護(hù)

    ◆變流器交流電流過(guò)流保護(hù)

    ◆變流器過(guò)溫保護(hù)

    ◆發(fā)電機(jī)輸出過(guò)壓保護(hù)

    ◆IPM錯(cuò)誤保護(hù)

　　使用如圖4所示的硬件邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。當(dāng)FPGA檢測(cè)到相應(yīng)的故障信號(hào)時(shí)，D觸發(fā)器輸出一個(gè)錯(cuò)誤信號(hào)，使與門(mén)輸出一個(gè)低電平，此低電平封鎖住所有的PWM脈沖，并觸發(fā)一個(gè)DSP的外部中斷信號(hào)。當(dāng)DSP響應(yīng)外部中斷時(shí)，可以使用PRO端口讀到錯(cuò)誤的狀態(tài)位。CLEAR端口用來(lái)清除D觸發(fā)器，系統(tǒng)因此可以重復(fù)啟動(dòng)。

　　圖5給出了本控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)波形圖：變流器的輸出電流基本為正弦；變流器側(cè)電容電壓穩(wěn)定在365V;功率繞組側(cè)輸出電壓穩(wěn)定在510V。

　　關(guān)于Altera 公司

　　Altera 公司 （NASDAQ：ALTR） 秉承了創(chuàng)新的傳統(tǒng)，是世界上“可編程芯片系統(tǒng)” （SOPC） 解決方案倡導(dǎo)者。Altera 公司總部位于美國(guó)加州的圣何塞，并在的14個(gè)國(guó)家中擁有近2000名員工，其2005年度的年收入高達(dá)11.23億美元。Altera 將其早在1983年發(fā)明的可編程邏輯技術(shù)與軟件工具、IP 和設(shè)計(jì)服務(wù)相結(jié)合，向全世界近14,000家客戶(hù)提供超值的可編程解決方案。

　　關(guān)于TI

　　德州儀器 （Texas Instruments），簡(jiǎn)稱(chēng)TI，是的半導(dǎo)體公司，為現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)處理提供創(chuàng)新的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）及模擬器件技術(shù)。除半導(dǎo)體業(yè)務(wù)外，還提供包括傳感與控制、教育產(chǎn)品和數(shù)字光源處理解決方案。TI總部位于美國(guó)得克薩斯州的達(dá)拉斯，并在25多個(gè)國(guó)家設(shè)有制造、設(shè)計(jì)或銷(xiāo)售機(jī)構(gòu)。