本發(fā)明屬于電力電子系統(tǒng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于DSP+FPGA(DSP為數(shù)字信號處理器，Digital Signal Processing，簡稱DSP；FPGA為現(xiàn)場可編程門陣列，F(xiàn)ield Programmable Gate Array，簡稱FPGA)的電力電子系統(tǒng)的通用控制器。

背景技術(shù)：

電力電子變換裝置在電機調(diào)速系統(tǒng)、地面電力系統(tǒng)、飛機和艦船電力系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，比如在飛機電力系統(tǒng)中，具有多種拓撲結(jié)構(gòu)的電力電子變換裝置，有PWM整流器、PWM逆變器和雙PWM變換器，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，可能應(yīng)用到矩陣變換器和其他拓撲結(jié)構(gòu)的電子電子變換裝置，不同拓撲結(jié)構(gòu)的電力電子變換裝置的控制器之間既有共性，也有差異，為了節(jié)省電力電子變換裝置控制器的開發(fā)周期和成本，現(xiàn)有發(fā)明的一種通用型變流控制平臺，解決了一部分的通用性問題，但是該控制器使用的DSP運算速度不夠快，可能不利于控制碳化硅器件的電力電子變換裝置，PWM脈沖數(shù)量受限于DSP芯片內(nèi)部的PWM發(fā)生模塊，可輸出的PWM脈沖數(shù)量不夠多，控制器可擴展性不足，可能不利于對高可靠性要求的電力電子變換裝置進行冗余設(shè)計和容錯控制，PWM脈沖要經(jīng)過地板總線單元中轉(zhuǎn)才能輸出，不能直接輸出PWM脈沖，可能使走線復(fù)雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有的電力電子系統(tǒng)控制器的通用性和可擴展性不足的缺點，本發(fā)明提出了一種通用控制器，一種適用于任何電力電子系統(tǒng)的控制器，具有通用性、高可擴展性、安全性和開放性，不僅適用于Buck、Boost及Buck-Boost電路、PWM整流器、PWM逆變器和雙PWM變換器，也適用于單級矩陣變換器和雙級矩陣變換器，還適用于多電平整流器、多電平逆變器和多電平矩陣變換器。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于DSP+FPGA的電力電子系統(tǒng)的通用控制器，包括一塊DSP板、一塊或多塊可疊加擴展的FPGA板；FPGA板通過兩個2×40引腳的并行接口，板至板連接至DSP板，F(xiàn)PGA板位于DSP板上方，并可通過這兩個并行接口繼續(xù)往上疊加擴展更多的FPGA板，也可以通過兩個數(shù)字信號I/O接口板至板擴展其他功能電路板；DSP板進行數(shù)字信號處理和計算；FPGA板負責(zé)生成并輸出PWM脈沖驅(qū)動控制信號，數(shù)字信號的輸入/輸出，模擬信號的輸入/輸出，光纖輸入/輸出，對模擬信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換，對系統(tǒng)故障進行監(jiān)測和保護；每一塊FPGA板可輸出56路PWM脈沖或數(shù)字信號，可輸出四路模擬信號，有12路光纖輸入/輸出，可對模擬信號進行調(diào)理和轉(zhuǎn)換，可對系統(tǒng)故障進行監(jiān)測和保護。

其中，DSP板直接采用TI公司的TMDSDSK6713開發(fā)板，板載DSP芯片為C6000系列的浮點型數(shù)字信號處理器TMS320C6713B，主頻時鐘300MHz，每秒可運行定點指令24億條，浮點指令18億條；還使用了板上的一個2×40引腳的外設(shè)擴展接口(External Peripheral Interface)和一個2×40引腳的外部存儲器接口(External Memory Interface)；DSP芯片通過這兩個2×40引腳的并行接口與FPGA芯片進行數(shù)據(jù)、地址和控制信號通訊，DSP板也通過這兩個并行接口為FPGA電路板提供電源。

其中，每一塊自主研發(fā)的FPGA板包括：一片F(xiàn)PGA芯片，采用Microsemi公司的ProASIC3系列的FPGA芯片，芯片自身支持128位片上高級加密標準AES，實現(xiàn)控制器的信息安全；十個ADC通道，每個通道的ADC轉(zhuǎn)換芯片為LTC1407A，ADC通道既可以采集電流信號也可以采集電壓信號；兩個2×40引腳的并行接口，用于向下與DSP板相連，向上擴展更多的FPGA板，也可以通過兩個數(shù)字信號I/O接口(一個2×13引腳的并行接口，一個2×15引腳的并行接口)板至板向上疊加擴展其他功能電路板，實現(xiàn)控制器的高可擴展性；56路用戶可配置的數(shù)字I/O，可自由定義數(shù)字信號的方向，每個數(shù)字I/O都可以輸出PWM脈沖，實現(xiàn)了控制器的通用性；20路模擬輸入I/O，用于采集電力電子系統(tǒng)的電壓和電流信號，F(xiàn)PGA板對每一個模擬輸入I/O都設(shè)計了安全保護電路，只要檢測到故障狀態(tài)，F(xiàn)PGA芯片內(nèi)的故障監(jiān)測和保護電路便封鎖PWM脈沖信號，并將當前的故障狀態(tài)返回DSP芯片；一個LED顯示器，用于顯示當前的故障狀態(tài)，以供操作人員進行安全操作，實現(xiàn)控制器的操作安全。

其中，每一種典型或非典型的工作模式的工作機理相同，模擬輸入I/O采集電壓或電流信號經(jīng)過ADC通道的調(diào)理和轉(zhuǎn)換，變成32位數(shù)字信號緩存在FPGA芯片里等待DSP芯片讀取，DSP芯片讀取到FPGA芯片里的數(shù)字信號，經(jīng)過既定的控制算法，將計算得到的控制信號通過2×40引腳的并行接口發(fā)送到FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片接收到控制信號后產(chǎn)生并輸出PWM脈沖，同時向DSP芯片發(fā)回一個PWM中斷信號；FPGA板上和FPGA芯片內(nèi)部都設(shè)計了故障監(jiān)測和保護電路，保證在不同的工作模式下，針對不同的軟硬件故障都能啟動保護措施；不同工作模式之間的區(qū)別在于DSP控制程序不同，F(xiàn)PGA硬件程序略有區(qū)別，輸出的PWM脈沖數(shù)量可能不同。

其中，該控制器具有通用性、高可擴展性、安全性和開放性，可用于控制任何拓撲結(jié)構(gòu)的電力電子系統(tǒng)，可輸出任意數(shù)量的PWM脈沖；

根據(jù)電力電子系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)及其需要的PWM脈沖數(shù)量，本通用控制器的工作模式可分為典型工作模式和非典型工作模式；典型工作模式包括：

典型模式一，Buck、Boost及Buck-Boost電路，PWM數(shù)量<6；

典型模式二，三相PWM整流器模式，PWM數(shù)量＝6；

典型模式三，三相PWM逆變器模式，PWM數(shù)量＝6；

典型模式四，雙PWM變換器模式，PWM數(shù)量＝12；

典型模式五，三相輸出的單級矩陣變換器模式，PWM數(shù)量＝18；

典型模式六，帶冗余輸出相的單級矩陣變換器模式，PWM數(shù)量＝24；

典型模式七，三相輸出雙級矩陣變換器模式，PWM數(shù)量＝18；

典型模式八，帶冗余輸出相的雙級矩陣變換器模式，PWM數(shù)量＝24；

非典型工作模式包括：多電平整流器、多電平逆變器、多電平雙PWM變換器、多電平矩陣變換器。

其中，得益于FPGA芯片的硬件可編程特征和FPGA電路板可疊加擴展的特征，由于每塊FPGA板設(shè)計了高達56路數(shù)字I/O和10個ADC通道，以及預(yù)留的四個模擬輸出I/O和12個光纖接口，可供開發(fā)人員在現(xiàn)有的硬件資源條件下，對FPGA芯片進行硬件再編程設(shè)計，進一步開發(fā)控制器的功能，實現(xiàn)了控制器的開放性。

其中，DSP板采用TI公司的TMDSDSK6713開發(fā)板，板載DSP芯片為C6000系列的浮點型數(shù)字信號處理器TMS320C6713B，主頻時鐘300MHz，每秒可運行定點指令24億條，浮點指令18億條；FPGA板為自主設(shè)計，F(xiàn)PGA芯片采用Microsemi公司的ProASIC3系列，采用PQ208類型的封裝，這類FPGA芯片具有最高一百萬個門電路和最多300個用戶可配置I/O，F(xiàn)PGA芯片支持128位片上高級加密標準AES，ProASIC3系列不同型號的FPGA芯片的功能引腳之間有細微差別，F(xiàn)PGA板已對這些差別做了適應(yīng)性設(shè)計；每一個ADC通道采用的ADC芯片為LTC1407A。

本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果：

(1)本發(fā)明為Buck、Boost及Buck-Boost電路、PWM整流器、PWM逆變器、雙PWM變換器、單級矩陣變換器、雙級矩陣變換器、多電平整流器、多電平逆變器和多電平矩陣變換器等電力電子系統(tǒng)提供了一個通用的控制器；

(2)本發(fā)明的高可擴展性為電力電子系統(tǒng)的可靠性研究提供了便利，可利用本發(fā)明對電力電子變換裝置進行冗余設(shè)計和容錯控制；

(3)本發(fā)明可專門應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域、汽車電子和風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，為這些領(lǐng)域?qū)﹄娏﹄娮幼儞Q裝置的可靠性、體積和重量要求高的應(yīng)用場合提供了一個適用的控制器；

(4)本發(fā)明的信息安全性嚴格保護知識產(chǎn)權(quán)，可用于研制商業(yè)化生產(chǎn)的電力電子系統(tǒng)；

(5)本發(fā)明的開放性有利于開放式開發(fā)設(shè)計，對控制器的功能進行進一步開發(fā)，有利于建立更完善的電力電子系統(tǒng)控制平臺。

附圖說明

圖1為控制器的板至板連接結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為FPGA板的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為控制器的原理示意圖。

圖4為擴展FPGA板之后的控制器板至板連接結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為擴展FPGA板之后的控制器原理示意圖。

圖6為通用控制器典型工作模式六的硬件示意圖。

圖7為通用控制器在典型工作模式六下工作得到的實驗波形。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實施方式進一步說明本發(fā)明。

本發(fā)明一種基于DSP+FPGA的電力電子系統(tǒng)的通用控制器，包括一塊DSP板、一塊或多塊可疊加擴展的FPGA板；DSP控制板為TI公司的TMDSDSK6713開發(fā)板，板載DSP芯片為C6000系列的浮點型數(shù)字信號處理器TMS320C6713B，板上還有一個2×40引腳的外設(shè)擴展接口(External Peripheral Interface)和一個2×40引腳的外部存儲器接口(External Memory Interface)；FPGA板包括一片F(xiàn)PGA芯片、十個ADC通道、兩個2×40引腳的并行接口、56路用戶可配置的數(shù)字I/O、20路模擬輸入I/O、四路模擬輸出I/O，12個光纖接口和一個LED顯示器。

圖1為控制器的結(jié)構(gòu)示意圖，F(xiàn)PGA板通過兩個2×40引腳的并行接口，板至板連接至DSP板，F(xiàn)PGA板位于DSP板上方，DSP芯片通過這兩個并行接口與FPGA芯片進行數(shù)據(jù)、地址和控制信號通訊，控制器的電源端口在DSP板上，通過兩個2×40引腳的并行接口向FPGA板供電。

圖2為FPGA板的結(jié)構(gòu)示意圖，F(xiàn)PGA芯片采用Microsemi公司的ProASIC3系列A3P400，具有400K個門電路和194個用戶可配置I/O；ADC通道采用的ADC轉(zhuǎn)換芯片為LTC1407A，既可以采集電流信號也可以采集電壓信號；兩個2×40引腳的并行接口用于向下與DSP板相連、向上擴展更多的FPGA板；56路用戶可配置的數(shù)字I/O可至多輸出56路PWM脈沖；20路模擬輸入I/O用于采集電力電子系統(tǒng)的電壓和電流信號，F(xiàn)PGA板對每一路模擬輸入I/O都設(shè)置了安全保護電路；LED顯示器顯示當前的故障狀態(tài)，供操作人員進行安全操作；四路模擬輸出I/O和12個光纖接口留作開放開發(fā)使用，供開發(fā)人員利用預(yù)留的硬件資源對FPGA芯片進行硬件再編程設(shè)計，對控制器的功能進一步開發(fā)。

圖3為控制器的原理示意圖，模擬輸入I/O采集到電壓/電流信號，經(jīng)過ADC通道的調(diào)理和轉(zhuǎn)換，變成32位的外設(shè)數(shù)據(jù)緩存在FPGA芯片里等待DSP芯片讀取，DSP芯片讀取到FPGA芯片里的數(shù)字信號，經(jīng)過既定的控制算法，將計算得到的PWM脈寬序列和占空比等控制信號通過2×40引腳的并行接口發(fā)送到FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片接收到信號后由PWM發(fā)生器模塊產(chǎn)生PWM脈沖，經(jīng)過FPGA芯片內(nèi)設(shè)計的死區(qū)/換流控制模塊，再經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后輸出PWM脈沖到數(shù)字信號I/O接口，同時PWM發(fā)生器模塊向DSP芯片發(fā)回一個PWM中斷信號；FPGA芯片內(nèi)設(shè)計了看門狗電路和開路檢測電路，每個ADC通道設(shè)計了模擬越限檢測電路，在控制器的任意工作模式下，只要有任何軟硬件故障發(fā)生，如看門狗電路檢測FPGA芯片的運行故障、開路檢測電路根據(jù)ADC通道采集的數(shù)據(jù)檢測到開路故障，或ADC通道的模擬信號越限檢測電路檢測到模擬信號超越限定值，F(xiàn)PGA芯片設(shè)計的故障捕獲模塊都會向DSP芯片發(fā)送故障指示信號，DSP芯片讀取到故障指示信號后隨即進行安全決策，同時FPGA芯片向LED顯示模塊發(fā)送信號，將故障信息顯示在FPGA板的LED顯示器上，以供操作人員看到后進行安全操作，實現(xiàn)控制器的故障檢測和保護。

圖4為擴展FPGA板之后的控制器結(jié)構(gòu)示意圖，由于DSP板和FPGA板進行通訊時只占用了兩個2×40引腳的并行接口中的小部分引腳，因此可以利用FPGA板的結(jié)構(gòu)特點往上疊加擴展一塊或多塊，圖中的兩塊FPGA板與DSP芯片通訊時占用的并行接口引腳不同，兩塊板使用相同的供電方式。

圖5為擴展FPGA板之后的控制器原理示意圖，擴展之后的控制器工作原理和擴展之前完全相同，擴展之后的FPGA板向DSP芯片發(fā)回兩個不同的PWM中斷信號和兩個不同的故障指示信號，圖中的控制器可以采集至多20×2＝40路模擬信號，可以輸出至多56×2＝112路PWM脈沖，適用于控制所有場合的電力電子系統(tǒng)。

圖6為通用控制器典型工作模式六的硬件示意圖，控制對象為三相交流輸入、四相交流輸出(3×4)的直接交-交變頻的單級矩陣變換器，每一個功率模塊代表一個輸出相，其中功率模塊4為冗余輸出相，在正常工況下不工作，發(fā)生短路或開路故障后矩陣變換器可快速切除故障所在的輸出相，切換到冗余輸出相繼續(xù)工作，在每個輸出相上有三個功率雙向開關(guān)，分別連接三相輸入交流電源，一個功率雙向開關(guān)由兩個晶體管構(gòu)成，因此3×4單級矩陣變換器共有24個晶體管，這種電力電子變換器具有航空、航天、航海等領(lǐng)域可用的冗余設(shè)計和容錯設(shè)計功能，適用于高可靠性要求的場合，矩陣變換器的負載可以是永磁同步電機，也可以是別的類型的電機或阻感負載；通用控制器的ADC通道采集兩路輸入交流電的線電壓，采集三相輸出交流電的相電流，經(jīng)過控制器既定的控制算法，通過控制器的數(shù)字I/O接口向矩陣變換器輸出28路數(shù)字信號，其中包括四路矩陣變換器功率模塊的使能信號和24路雙向開關(guān)晶體管的PWM驅(qū)動信號，從而完成通用控制器典型模式六的工作。

圖7為通用控制器在典型工作模式六下工作得到的實驗波形，3×4單級矩陣變換器的輸入為50Hz交流電源，通用控制器設(shè)定的輸出頻率為60Hz，電壓調(diào)制比為0.8，矩陣變換器連接的負載為三相星形連接的阻感負載網(wǎng)絡(luò)，該圖為實際測量到的流過三相阻感負載的電流波形圖。