系統(tǒng)簡介

　?。?３相雙繞組感應(yīng)發(fā)電機帶有兩個繞組：勵磁補償繞組和功率繞組，如圖１所示。勵磁補償繞組上接一個電力電子變換裝置，用來提供感應(yīng)發(fā)電機需要的無功功率，使功率繞組上輸出一個穩(wěn)定的直流電壓。

　　圖１中各參數(shù)的含義如下：

　?。椋螅?，ｉｓｂ，ｉｓｃ——補償繞組中的勵磁電流；

　　ｕｓａ，ｕｓｂ，ｕｓｃ——補償繞組相電壓；

　　ｉｐａ，ｉｐｂ，ｉｐｃ——功率繞組電流；

　?。酰穑?，ｕｐｂ，ｕｐｃ——功率繞組相電壓；

　?。酰洌恪O管整流橋直流側(cè)輸出電壓；

　?。酰恪兞髌髦绷鱾?cè)電容電壓。

　　電力電子變換裝置由功率器件及其驅(qū)動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)動電路使用光耦ＨＣＰＬ４５０２。控制電路由ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ構(gòu)成。

　　圖2 控制電路的接口電路

　?。?、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)字信號處理器，其憑借強大的指令系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)處理能力及創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為理想的工業(yè)控制用ＤＳＰ器件。其主要特點是：單周期指令執(zhí)行時間為５０ｎｓ，具有每秒可執(zhí)行２２００萬條指令、進行４０００萬次浮點運算的能力；提供了一個增強的外部存儲器配置接口，具備更加靈活的存儲器管理與數(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。采用類似器件作為ＤＳＰ的專用外圍集成電路ＡＳＩＣ　更為經(jīng)濟靈活，可以進一步降低控制系統(tǒng)的成本。

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

　　ＤＳＰ完成以下四項工作：數(shù)據(jù)的采集和處理、控制算法的完成、ＰＷＭ脈沖值的計算和保護中斷的處理。

　?。疲校牵镣瓿梢韵氯椆ぷ鳎汗芾恚模樱泻透鞣N外部設(shè)備的接口；脈沖的輸出和死區(qū)的產(chǎn)生；保護信號的處理。 圖3 FPGA與A/D轉(zhuǎn)換器和DSP之間的接口

　?。?、使用ＦＰＧＡ實現(xiàn)ＤＳＰ和ＡＤＳ７８６２之間的高速接口

　?。粒模樱罚福叮彩牵裕晒緦殡姍C和電力系統(tǒng)控制而設(shè)計的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器。它的主要特點是：４個全差分輸入接口，可分成兩組，兩個通道可同時轉(zhuǎn)換；１２ｂｉｔｓ并行輸出；每通道的轉(zhuǎn)換速率為５００ｋＨｚ?？刂品椒椋河桑粒熬€的值決定哪兩個通道轉(zhuǎn)換；由Ｃｏｎｖｓｔ線上的脈寬大于２５０ｎｓ的低電平脈沖啟動轉(zhuǎn)換；由ＣＳ和ＲＤ線的低電平控制數(shù)據(jù)的讀出，連續(xù)兩次讀信號可以得到兩個通道的數(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可以同時控制兩片Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器：４通道同時轉(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)換器的控制信號映射為ＤＳＰ的三個外部端口：Ａ０、ＡＤＣＳ（和ＡＤＲＤ使用一個端口）和ＣＯＮＶＳＴ。在ＦＰＧＡ中使用邏輯譯碼器對端口譯碼。利用ＡＨＤＬ語言編寫的譯碼程序如下：

　　其中，０表示低電平，１表示高電平。ＲＷ＝１表示讀，ＲＷ＝０表示寫。

　?。模樱袑@三個端口進行操作就可以控制Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器：寫ＣＯＮＶＳＴ端口可以啟動Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器；讀ＡＤＣＳ端口可以從Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器中讀到數(shù)據(jù)；寫數(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現(xiàn)ＤＳＰ和Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器之間的無縫快速連接。

　?。?、使用ＦＰＧＡ實現(xiàn)ＰＷＭ脈沖的產(chǎn)生和死區(qū)的注入

　?。疲校牵脸斯芾恚模樱泻屯庠O(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專注于復(fù)雜算法的實現(xiàn)，而將ＰＷＭ處理交給ＦＰＧＡ系統(tǒng)，使系統(tǒng)運行于準并行處理狀態(tài)。

　?。怠⑹褂茫疲校牵翆崿F(xiàn)系統(tǒng)保護

　　為了保護發(fā)電機和ＩＧＢＴ功率器件，勵磁控制系統(tǒng)提供了多種保護功能：變流器直流側(cè)過壓保護；變流器交流電流過流保護；變流器過溫保護；發(fā)電機輸出過壓保護；ＩＰＭ錯誤保護。 圖5 穩(wěn)態(tài)時勵磁繞組電壓電流及系統(tǒng)直流電壓波形 。

　　使用如圖４所示的硬件邏輯來實現(xiàn)保護功能。當ＦＰＧＡ檢測到相應(yīng)的故障信號時，Ｄ觸發(fā)器輸出一個錯誤信號，使與門輸出一個低電平，此低電平封鎖住所有的ＰＷＭ脈沖，并觸發(fā)一個ＤＳＰ的外部中斷信號。當ＤＳＰ響應(yīng)外部中斷時，可以使用ＰＲＯ端口讀到錯誤的狀態(tài)位。ＣＬＥＡＲ端口用來清除Ｄ觸發(fā)器，系統(tǒng)因此可以重復(fù)啟動。

　　圖５給出了本控制系統(tǒng)的實驗波形圖：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。