论文研究-基于双FPGA与DSP的港口变流器控制器的设计 .pdf

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基于双FPGA与DSP的港口变流器控制器的设计,张文镧,章国宝,介绍了一种港口变流器控制系统,提出了基于DSP和双FPGA的控制系统架构,以DSP TMS320F2812为数据采集、算法运算、PWM控制核,主FPGA负责通�
国科技论文在线 http:/www.paperedu.cn 路输出0-3V信号,便可以通过DSP的AD采样通道进行采样。2812拥有16路12bit的AD 采样通道,能采样16路独立的大小为0-3V电压信号。 32DSP数字PID控制 采样电路将电压电流信号采集滤波后输入到DSP,DSP将信号采集值和输入值相比较 进行电压、电流双闭环的数字PID运算。运算的结果用于调整输出的PWM信号的占空比, DSP的事件管理器模块EV运用计算的结果,通过下溢中断产牛输出PWM信号。系统主 要控制模式如图3所示 给定电 辅控光纤、驱动 流电}一列数运巴坛有锁 枪出电流 电压检测 图3PID控制模式框图 由DSP产生的PWM信号输出给辅FPGA,辅FPGA对PWM信号进行监测,正确PWM 信号由辅FPGA输出,经过电平转换芯片74ALVC164245转换成0-5V信号。转换后的信号 绎过光发送器 HFBRI521传输给逆变器IGBT驱动电路,控制逆变电路输出,光纤输出能够 有效的降低主电路由于dudt以及 di/dt过大对控制引起的干扰 33DSP大容量存储器扩展电路 系统运行时需要进行大量的数据运算和存储,对于数据运算,仅靠DSP片内36KB的 RAM难以满足要求。本设计屮DSP利用Zone6外扩了一片512KB的SRAM芯片 IS6iIⅴ51216。港口电源要求实时地监测记录系统运行数据,需要存储大量的数据,存储 容量不低于32MB,鉴于此需求本系统设计了DSP利用Zone2外扩一片三星的 NAND FLASH 芯片K9F5608U0D。2812与K9F5608U0D连接电路如图4所示: l」 IMS K上pE:LL 图4DSP外扩 NAND FLASH电路 虽然K9F5608U0D的容量达到了64MB,远远大」2812的存储区域Zone2的容量MB 但由于访问 flash的地址是通过IO∏输入,不需要通过地址线寻址,因此无需考虑采用页 面技术解决逻辑存储空间与物理空间的映射问题。当DSP对存储区域Zone2访问时,Zone2 的片选线XCS2低有效选中K9F5608U0D,再通过地址线A1,A0对 NAND FLASE的地 址和命令信号线操作,同时将所需要访问的地址和数据通过 NAND FLASH的IO口发送出 去。利用DSP的GPO口读取存储器的工作状态。 3.4通信模块 国科技论文在线 http:/www.paperedu.cn 主FPGA通过网络与远程监控系统通信,上位机可以通过网络给两片FPGA以及DSP 进行远程在线编程(IAP)为了满足网络IAP,主FPGA需要载入Nios核,同时外扩RAM 以及 FLASH。 主FPGA通过DSP的串口SCIA对DSP在线更新程序。DSP片内 FLASH的一块分区 固化了一段更新程序,当串口接收到约定的升级程序包头时,先将收到程序存到片外RAM, 然后启动更新程序,擦除片内其它分区写入新程序。 主FPGA通过FPGA配置接口EPCS给辅FPGA下载程序。两片FPGA利用内部RAM 块编程实现双口RAM,DSP通过数据地址总线访问、辅FPGA的內部双口RAM与之传 输数据。控制系统的通信模块框图如图5所示 辅控FPEA 总线—主控上PGA 图5控制系统通信框图 4.实验结果 将本文设计应用于1.2MVA港口变流器样机中,进行∫基于 SVPWM的110KW电机拖 动实验,实验过程中电机运行稳定,没有出现谐波造成的电机振动,仿頁结果如图6所示, Ua为变流器输出侧相电压(蓝线),ia经过LCL滤波器滤泼后的电感输岀相电沇(红线); 对主囯路各路电压、电流釆样薮据与现场仪表测试结果基本相同:保护电路能正常动作:通 信功能正常,能实现给DSP在线更新程序(ISP)。需要注意的是本设通用性比较强,各项 外设功能完备,在实际产品中需要根据相关需求进行模块化裁剪 Main: Gragh ■ua i12 1.00 0.00 0.50 00.5100.5200.5300.5400.5500.s600.5700.5800.590.0U 冬6变流器电机拖动调速波形 5.结束语 港口电源是一种环保型绿色电源,是传统发电机组的升级换代产品,在我国的造船厂和 码头必将得到越来越广泛的应用。而完善的控制系统将使港口电源的性能大幅提升。本文针 对港口电源的技术指标要求,设计出的控制电路和控制方案能够提高港口电源的效率;改善 输出电压和电流的性能;提高输岀功率因数。木设汁同时具有休积小、运行稳定、噪声低、 对电网T扰小、程序更新和监控方便等优点。 4 国科技论文在线 http:/www.paperedu.cn 参考文献 L!]常瑞增.60Ⅳl电子静止式岸电电源在船厂和港凵的应用.港技术,2014,3:8-10 2」曾敏,陈小红,曹彪,江伟,刘方,上晓东.一种微弧氧化逆变电源控制系统山J华南理大学学 报(自然科学版),20092(37)40-7644 [3] N. A. Azli, and M.S. Bakar. A DSP-bascd Regular Sampled Pulsewidth Modulation(PWM) Tcchniquc for Multilevel Inverter [ J, IEEE Trans, on IE, 2004, 94(1): 1113-1118 4]苏奎峰,吕强,常天庆,张永秀.TMS320X281XDSP原哩及C程序开发[M]北京:北京航空航天大学 出版社,2008. 「5]林杰,姜学东,基于DSP2407的高频高压电源控制系统设训「J机械与电子,2009,2:56-58. The Design of Control System for Harbor Converter Based on dual fpga and dsP Zhang Wen Lan, Zhang guo bao Department of Automation, Southeast University, Nanjing, PRC, (210096) Abstract This paper introduces a design of control system for the harbor converter. A new configuration of control system is presented based on a DSP and two FPGA, which use TMS320F28 12 as data collection, arithmetic, PWM outputting core; use a main FPGa to extend communication, capture faults and IAP far away; and use a associate FPGa to detect PWM trigger signal. The paper presents the main circuit topology and architecture of control system, and analyses A/D collection module PID arithmetic realization, memory extension and communication module exactly. Through simulation and experiment, the conclusion and prospect are given. Simulation and experiment result validate the correctness and feasibility of the design. The design is highly versatile and scalable, and has been applied to the prototype of l2MVa harbor converter successfully Keywords: Harbor Converter; Control System; Dual FPGA; FPGA Communication 作者简介: 张文镧,男,1983年生,硕士研究生,主要硏究方向是嵌入式系统,电力电子

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