基于DSP和FPGA的多相变频控制器的设计与实现

摘  要： 为了解决多相变频控制系统驱动信号多、对实时性要求高的问题，设计了一种基于DSP和FPGA的多相变频控制器。提出一种利用三相PWM信号产生单元构建多相PWM发生器的设计方法。该多相变频控制器可以对任意相数、任意调制波波形进行在线设置及多种控制方法的选择。实验结果证明了该多相变频控制器具有通用、灵活、可靠的特点。
关键词： 多相变频控制器；脉冲宽度调制；数字信号处理器；现场可编程门阵列
       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]。