專利名稱：基于dsp與fpga的三電平逆變器控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基于DSP與FPGA的三電平逆變器控制系統(tǒng)，屬于電力電子控制技術領域。
背景技術：
隨著分布式能源設備接入電網(wǎng)的數(shù)量不斷增加，為了保護電網(wǎng)的安全，提升電力系統(tǒng)電能質量，電網(wǎng)公司對并網(wǎng)逆變器提出了新的功能要求，例如要求逆變器具備低電壓穿越功能、不對稱運行功能、無功調節(jié)功能等。這些功能都需要復雜的數(shù)學運算，傳統(tǒng)逆變器多采用單DSP的結構，存在運算速度相對較慢、動態(tài)響應不及時的缺點，不能夠滿足越來越復雜的控制算法需求。特別對于三電平逆變器，其SVPMW調制脈沖的生成運算量很大，當要增加上述新功能時，當前主流的DSP都難以完成如此復雜的運算任務，這極大地限制了三電平逆變器的發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是設計出一種基于DSP與FPGA的三電平逆變器控制系統(tǒng)，能夠進行復雜的數(shù)學運算，改善逆變器的并網(wǎng)性能，實現(xiàn)高性能的控制和接口功能。本實用新型的技術解決方案是一種基于DSP與FPGA的三電平逆變器控制系統(tǒng)，其單元分塊電路包括霍爾傳感器數(shù)據(jù)采集電路、IGBT驅動電路、DSP與FPGA組成的控制電路、開入開出接口電路、故障錄波存儲電路及通信電路。其中，霍爾傳感器數(shù)據(jù)采集電路、IGBT驅動電路、開入開出接口電路與FPGA芯片相連。通信電路、故障錄波存儲電路與DSP相連。DSP與CPLD之間通過數(shù)據(jù)總線與地址總線相連，進行數(shù)據(jù)交換?；魻杺鞲衅鲾?shù)據(jù)采集電路包括信號調理電路和模數(shù)轉換芯片AD7606。信號調理電路的輸入信號來自于霍爾傳感器，信號調理電路輸出與模數(shù)轉換芯片AD7606的模擬信號輸入端相連?；魻杺鞲衅魍ǔ０ㄓ糜跍y量逆變器輸出的三個電流傳感器，用于測量中間直流電容電壓的兩個電壓傳感器及用于測量電網(wǎng)電壓的兩個電壓傳感器。IGBT驅動電路采用12個Avago公司的HCPL-316J光耦隔離驅動芯片，驅動電路與FPAG相連接，將FPGA輸出的PWM控制信號轉化為IGBT的驅動信號。故障錄波電路由Freescale公司的MRAM存儲器與USB接口電路組成。其中存儲器芯片、USB控制芯片與DSP相連，存儲器芯片讀寫時間都在35ns以內(nèi)，在故障結束后，可以通過USB接口存儲器將故障數(shù)據(jù)讀取到上位機進行查詢。FPGA采用Altera公司高性能Cyclone系列現(xiàn)場可編輯邏輯器件作為協(xié)處理器芯片，在該芯片上使用硬件描述語言VHDL實現(xiàn)AD芯片采樣控制、三相鎖相環(huán)算法、三電平SVPWM波形控制算法、邏輯控制輸出以及各類故障信號檢測與停機保護功能。其中FPGA與DSP通過FPGA內(nèi)部的雙口 RAM完成數(shù)據(jù)通信。DSP采用TI公司TMS320F28346浮點DSP控制器作為主控制器芯片，由主要完成最大功率點跟蹤算法、分壓電容中性點平衡控制算法、主動孤島檢測算法、低電壓穿越算法。本實用新型的有益效果是采用雙處理器協(xié)同工作，F(xiàn)PGA作為協(xié)處理器負責AD采樣控制、PWM信號的產(chǎn)生等，減輕了 DSP的預算負擔。DSP作為主處理器負責復雜控制算法的實時運算，該控制系統(tǒng)可以運行復雜的并網(wǎng)控制程序，提高逆變器的實時性與穩(wěn)定性，改善逆變系統(tǒng)的EMI特性，具有重要的實際應用意義。

圖1為基于DSP與FPGA的三電平逆變器控制系統(tǒng)示意圖。圖2為DSP與FPGA連接示意圖。
具體實施方式
參見附圖1、圖2所示。一種基于DSP與FPGA的三電平逆變器控制系統(tǒng)，包括霍爾傳感器數(shù)據(jù)采集電路、IGBT驅動電路、DSP與FPGA組成的控制電路、開入開出接口電路、故障錄波電路與通信電路。檢測電路包括信號調理電路和模數(shù)轉換芯片AD7606?；魻杺鞲衅鬏敵鲂盘柵c調理電路相連接，將霍爾傳感器的輸出變換為模數(shù)轉換為模數(shù)轉換芯片采集范圍內(nèi)的電壓信號，AD7606芯片將模擬信號轉變成數(shù)字信號，并通過數(shù)據(jù)總線將采樣數(shù)值輸入FPGA。FPGA對采樣數(shù)據(jù)進行零飄濾波算法和三相鎖相環(huán)算法后，得到預處理的三相電網(wǎng)電壓量、逆變器輸出電流量、直流側電壓量及電網(wǎng)電壓的相位信息。FPGA通過內(nèi)部構建的雙口 RAM作為緩沖，將數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送給DSP。DSP讀取FPGA傳送的采集數(shù)據(jù)，通過兩個直流側電壓信息完成最大功率跟蹤算法與中性點平衡算法，DSP輸出的PWM控制信號通過FPGA連接到IGBT光耦隔離驅動電路，對DC/DC升壓電路的IGBT進行控制。DSP對三相電網(wǎng)電壓傳感器信息與逆變器輸出電流傳感器信息進行正負序解耦控制及有無功解耦控制，完成并網(wǎng)控制算法與低電壓穿越算法，得到包含幅值與相位信息的三相逆變器輸出電壓信號。該信號再經(jīng)過SVPWM算法得到矢量扇區(qū)、小三角形區(qū)域、作用時間等數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)寫入到雙口 RAM中由FPGA讀取，F(xiàn)PGA讀取這些信息送入到多路選通器，進行矢量開通作用時間分配得到共12路PWM波形輸出，力口入死區(qū)時間經(jīng)驅動電路放大后即可驅動NPC逆變器工作。FPGA接收開入信號與故障信號輸入并轉換成兩個16bit數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線傳送給DSP，F(xiàn)PGA對IGBT故障信號進行邏輯控制，通過IO 口與DSP的中斷接口連接。在逆變器出現(xiàn)故障時，DSP通過故障錄波電路可將故障發(fā)生前120s與后120s的電網(wǎng)電壓波形，逆變器輸出電流波形，逆變器控制系統(tǒng)中間變量Ud、U,、、和I,波形進行不掉電存儲，并通過USB接口存儲器將故障數(shù)據(jù)讀取到上位機進行故障分析。DSP與FPGA之間的數(shù)據(jù)交換通過FPGA內(nèi)部的雙口 RAM進行，兩者都可以通過數(shù)據(jù)總線和地址總線讀寫RAM中的數(shù)據(jù)，并通過互置使能信號通知對方傳送或接收數(shù)據(jù)。上述實施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換所獲得的技術方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權利要求1.一種基于DSP與FPGA的三電平逆變器控制系統(tǒng)，包括霍爾傳感器數(shù)據(jù)采集電路、IGBT驅動電路、DSP與FPGA組成的控制電路、開入開出接口電路、故障錄波存儲電路與通信電路，其特征在于所述霍爾傳感器數(shù)據(jù)采集電路、IGBT驅動電路、開入開出接口電路與FPGA芯片相連，所述通信電路和故障錄波存儲電路與DSP相連，所述DSP與FPGA通過數(shù)據(jù)總線和地址總線相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于DSP與FPGA的三電平逆變器控制系統(tǒng)，其特征在于所述霍爾傳感器數(shù)據(jù)采集電路包括信號調理電路和模數(shù)轉換芯片AD7606，信號輸入源為電流或電壓霍爾傳感器。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于DSP與FPGA的三電平逆變器控制系統(tǒng)，其特征在于所述IGBT驅動電路是一種IGBT光耦隔離驅動電路，它采用12個HCPL-316J光耦隔離驅動芯片驅動12只IGBT，驅動電路與FPGA相連接，將FPGA輸出的PWM控制信號轉化為IGBT的驅動信號。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于DSP與FPGA的三電平逆變器控制系統(tǒng)，其特征在于所述故障錄波存儲電路由MRAM存儲器與USB接口電路組成，其中存儲器芯片與USB控制芯片與DSP相連，可以存儲故障發(fā)生前120秒與后120秒的電網(wǎng)電壓波形，逆變器輸出電流波形及逆變器控制系統(tǒng)中間變量，在故障結束后，通過USB接口存儲器將故障數(shù)據(jù)讀取到上位機進行查詢。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于DSP與FPGA的三電平逆變器控制系統(tǒng)，其特征在于FPGA采用高性能Cyclone系列現(xiàn)場可編輯邏輯器件作為協(xié)處理器芯片，在該芯片上使用硬件描述語言VHDL實現(xiàn)AD芯片采樣控制、三相鎖相環(huán)算法、三電平SVPWM波形控制算法、邏輯控制輸出以及故障信號檢測與停機保護功能。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于DSP與FPGA的三電平逆變器控制系統(tǒng)，其特征在于DSP采用TMS320F28346浮點DSP控制器作為主控制器芯片，完成最大功率點跟蹤算法、分壓電容中性點平衡控制算法、三相不平衡控制算法、低電壓穿越算法。
7.根據(jù)權利要求1所述的基于DSP與FPGA的三電平逆變器控制系統(tǒng)，其特征在于FPGA與DSP通過FPGA內(nèi)部的雙口 RAM完成數(shù)據(jù)通信。
專利摘要本實用新型公開了一種基于DSP與FPGA的三電平逆變器控制系統(tǒng)，包括數(shù)字信號處理器DSP、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、模擬信號檢測及采樣電路、三電平IGBT功率模塊驅動電路、輸入輸出接口電路及通信電路；由DSP完成逆變器控制策略的實現(xiàn)，主要包括最大功率點跟蹤、電壓電流雙閉環(huán)控制、分壓電容中性點平衡控制、通信功能；FPGA完成三相鎖相環(huán)控制、AD芯片采樣控制、三電平SVPWM波形控制、邏輯輸出控制以及各類故障信號檢測與停機保護功能。該控制系統(tǒng)能夠進行復雜的數(shù)學運算，降低DSP對程序的執(zhí)行效率要求，改善逆變器的并網(wǎng)性能，實現(xiàn)高性能的控制和接口功能。
文檔編號H02J3/38GK202906491SQ20122062215
公開日2013年4月24日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權日2012年11月22日
發(fā)明者郭巍, 肖遙, 曹陽, 駱皓, 鄭東山, 孫永佳 申請人:南京國電南自風電自動化技術有限公司