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介绍了基于MATLAB实时工具箱(RTW的调试方法。
实验结果验证了设计和调试方法的正确性和可行性,该通用控制平台达到了设计目标。
关键词:
电力电子变换器;
控制平台;
通用性;
数字信号处
理器(DSP;
实时代码生成工具箱(RTW
中图分类号:
TM464
文献标识码:
A
文章编号:
100020054(20081021537204
General-purposecontrolplatformbasedondualDSPsforpowerelectronic
converters
LUTing,ZHAOZhengming,ZHANGYingchao,YUANLiqiang
(StateKeyLaboratoryofControlandSimulationofPowerSystemsandGenerationEquipment,DepartmentofElectricalEngineering,
TsinghuaUniversity,Beijing100084,ChinaAbstract:
Powerelectronicconvertershavevariouskindsofcontrolplatforms.Basedonaspecial2purposecontrolplatformwithdualDigitalSignalProcessor2DSPs(TMS320LF2407forahighpowerconverter,
this
paper
describes
the
design
method
of
a
general2purposecontrolplatform.Thecontrolplatformusesafixed2pointDSP(TMS320F2812andafloating2pointDSP(TMS320VC33.Usingmatlabreal2timeworkshop(RTW,thegeneral2purposecontrolplatformwastestedandthemodularizedsoftware
wasdesigned.Experimentalresults
validatethecorrectness
and
feasibilityof
themethodsand
that
general2purposecontrolplatformsatisfiesthedesigntargets.Keywords:
power
electronic
converter;
control
platform;
general2purpose;
digital
signalprocessor(DSP;
real2timeworkshop(RTW
近年来,随着电力电子技术快速发展,各种高性能的电力电子变换控制算法层出不穷,应用范围也
也有差异。
如果为不同的变换器分别开发专用控制平台,则耗时长,成本高。
而开发电力电子变换器通用控制平台则相对效率高,成本低,而且有利于软件的模块化和通用化。
在ABB等公司的产
品中都采用了通用平台和单元的技术[1]
。
文[2]介绍的大容量变换器控制平台已经成功地应用在基于集成门极换流晶闸管(IGCT的ASD60002T系列高压大容量三电平变频调速系统
中,此系统在现场连续运行已达2年,控制平台工作稳定可靠,充分验证了其设计的合理性。
但是,若要作为通用控制平台应用于多种复杂、高性能的电力电子变换的研究开发,大容量变换器专用控制平台则显出其不适应之处:
1运算速度和精度不够;
2数据存储量小;
3可扩展性差;
4应用灵活性不够;
5系统功能不够完备。
为了解决上述不足之处,给PWM整流器、双PWM变换器以及高性能闭环控制的电力电子变换器的研究应用提供通用控制平台基础,本文提出电力电子变换器通用控制平台的设计方法。
1 通用控制平台设计方法
1.1 DSP选型
作为通用控制平台的核心运算单元,DSP的选
型要兼顾定点、浮点计算能力和平台的外围逻辑、保护、通信等功能的实现,因此选择TI公司的TMS320F2812和TMS320VC33。
TMS320F2812是32b定点DSP,主频最高可达150MHz,采用低功耗设计,存储空间大,具有丰
富的片上外设资源[3]
;
TMS320VC33是32b
浮点
DSP,主频可达75MHz,低功耗设计,外设相对简
单[4]
两块DSP的不同功能特点决定了它们在通用控制平台上的分工:
浮点运算功能强大的TMS320VC33主要负责变换器控制算法中的大规
模计算,特别是浮点运算;
兼顾运算性能和外设功能的TMS320F2812除了负责部分定点算法外,主要利用其丰富的外设实现脉宽调制(PWM信号的产生、外围逻辑、保护、通信等功能。
1.2 双DSP之间的通信
两块DSP需要有效的数据共享和交换,们之间的通信,DSP:
串行通信、
直接存储器访问(A通信、总线通信、共享存储器通信。
相比较而言,共享存储器通信的实时性好,数据传输量大,接口电路简单,而且DSP的工作不受通信速率的制约。
通用控制平台采用双口RAM(CYPRESS公司的CY7C025AV作为共享存储器完成DSP间的通信,通过其自身的多种仲裁方式可以有效避免2块DSP的竞争使用,为双DSP并行协调运行提供保证。
1.3 PWM产生及整形电路
PWM技术已经广泛地应用在电力电子变换器
中,PWM电路的设计也就成为通用控制平台开发的重要环节。
在通用控制平台上,将TMS320F2812中2个事件管理器的16路PWM信号引入可编程逻辑器件(CPLD,经CPLD处理和74LS07驱动后输出。
CPLD可以对DSP输出的PWM信号进行整
形,包括增加互补脉冲、添加死区、限制最小脉宽等[5]
还可以按实际要求封锁脉冲、完成保护动作并输出故障信号。
CPLD输出的PWM信号接下拉电阻,这样在CPLD输出高阻时PWM输出为确定的低电平,避免在复位期间或者在CPLD没有装载程序的情况下,状态不确定的PWM信号使开关器件误导通。
驱动器74LS07集电极开路输出,在通用控制平台上采用上拉电平可选择的设计,增强了PWM输出信号的通用性和灵活性。
1.4 模拟电路
通用控制平台上的模拟电路主要包括信号调理
电路、比较电路、模数(AD及数模(DA转换电路。
各种控制算法要达到优良的性能,要求控制平台对模拟量的采集和处理做到快速、精确、可靠。
通用控制平台利用TMS320F2812的16通道12b模数转换(ADC模块进行AD转换,采样带宽可达12.5MSPS,但是模拟电压输入范围仅为0~3V,而很多电压、-12~12内,,将输
0VDSP的,可以充分利用ADC模块的转换范围,提高控制平台模拟量采样电路的通用性和可靠性。
通用控制平台的模拟信号采用开集电极输出结构的比较器构成宽度可调的滞环比较电路,比较结果输入到CPLD,可以实现硬件保护,也可以在DSP中对比较匹配时刻进行捕捉。
通用控制平台上还配置了4通道,12b分辨率的DA芯片DAC7724,输出范围-10~+10V,内部具有2级锁存,可多通道同时输出。
1.5 数字逻辑电路及接口
电力电子变换器中的保护逻辑、外围电路的控制和状态检测、电机速度编码反馈等都涉及数字逻辑电路,通用控制平台要求其数字逻辑电路结构灵活。
在设计时,充分利用了平台上2块CPLD可编程的逻辑处理能力。
将DSP外设功能引脚和通用输入输出引脚与CPLD连接,并将时钟信号、PWM信号、比较信号和平台的数字量输入输出等信号引入
CPLD,以便对信号进行处理并控制信号的走向。
通过CPLD的程序设计,可以方便地改变通用控制平台中数字电路的逻辑功能和电路结构,而无需硬件上的改动,大大提高了控制平台对不同控制算法的通用性和灵活性。
由于通用控制平台需要可靠、通用性强的数字信号接口,因此数字量输入采用三极管或光耦进行电平转换或电气隔离并提高其带载能力,可以适应不同的输入电平;
数字量输出采用和PWM信号相
同的驱动和输出电平可选结构。
1.6 通信电路
电力电子变换器工作时,控制平台要通过通信电路与人机交互界面、上位机等其他系统交换数据,
而由于工作环境和变换器自身的运行,会对通信造成很强的电磁干扰;
因此要求通用控制平台的通信
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351清华大学学报(自然科学版2008,48(10
电路高效、可靠、抗干扰能力强。
1同步串行通信。
TMS320F2812上有一个同步串口(SPI,利用它与通用平台上的电可擦除可编程只读存储器(EEPROM进行通信,掉电时保存变换器的关键控制参数和保护信息。
通用控制平台利用TMS320F2812上的多通道缓冲型串行接口(McBSP与其他设备进行高速串行通信,McBSP适应多种接口标准的特点增强了通信的通用性和灵活性。
2异步串行通信。
通用控制平台利用TMS320F2812上的2个异步串口(SCI互界面进行通信。
SCIA的收发引脚经X转换为RS2422通信,,扰的能力。
与RS2232PC进行通信,为了提高抗干扰能力,采用光纤作为通信介质。
3控制器局域网(CAN通信。
TMS320F2812上有一个增强型CAN总线控制器,通用控制平台
利用它和CAN收发器82C250组成CAN网络,并扩展出4个节点,以光纤通信形式与其他系统连接。
CAN网络采用差分电压传送信号,并具备非破坏性
的仲裁机制和多种错误检测功能[6]
与光纤通信结合后构成的光纤CAN网络通信系统具有很强的可扩展性、可靠性和抗干扰能力。
通用控制平台的总体结构框图如图1所示,其中灰色的箭头表示光纤通信。
带阴影的表示光纤通信图1 通用控制平台结构框图
2 基于RTW的调试方法
在通用控制平台的调试过程中,如果采用传统的调试方法,则要手工编写DSP各功能模块的调试代码,特别是对于外设丰富的TMS320F2812,需要配置很多寄存器,既要花费大量时间,又增加了代码出错概率。
为了避免这些问题,本文采用基于实时工具箱(RTWDSP相的A集成的MATLABentTools工具包实现了MDSP集成开发环境CodeComposero(CCS及目标DSP的实时连接;
MATLABSimulink中集成的EmbeddedTargetfortheTITMS320C2000工具包提供了TMS320C2000系列DSP的外设功能模块和常用算法模块,利用这些模
块搭建的Simulink模型可以通过MATLAB的Real2TimeWorkshop(RTW和CCS自动生成
DSP的C代码并编译、
下载到目标DSP中。
与传统调试方法相比,基于RTW的方法具有以下优点:
1避免了手工编写代码和繁杂的寄存器设置过程,在提高效率的同时降低了代码的错误率。
2提高了代码的模块化程度和可移植性。
3方法可扩展到DSP应用程序的设计中,实现了MATLABSimulink仿真和实际应用的有机结合。
基于RTW的调试方法步骤如下:
1在Simulink中用模块搭建模型。
2设置模型中各功能模块及目标DSP的参数。
3利用MATLABRTW和CCS生成C源代码,并编译链接,生成可执行代码,下载到目标DSP。
4根据运行结果改进硬件电路或软件模型,重复调试过程直至达到设计目标。
3 实验结果
将通用控制平台应用于55kW三电平变频调速系统样机中,进行基
于特定消谐脉宽调制(SHEPWM方法的电机控制和保护功能实验,实验波形如图2所示。
从实验结果看出,PWM电压波形分辨率较
高,母线电压稳定,电机电流谐波小,电机运行平稳,通用控制平台的保护动作快速有效,动作后电压、电流迅速衰减,有效保护了器件和电机的安全。
9
351鲁 挺,等:
基于双DSP的电力电子变换器通用控制平台
uab、ubc为变频器输出线电压;
iA为变频器输出电流;
i
为经过滤波器后的电机电流
图2 55kW,整,开关器件采T,采用矢量控制策略。
TMS320VC33成整流及逆变核心控制算法,TMS320F2812负责PWM脉冲信号的产生、AD转换、外围电路控制及保护、通信等功能。
实验中整流侧接电网作为电源,逆变侧接异步电动机负载。
实验波形如图3所示。
unet为电网相电压;
inet为电网相电流;
urec为整流桥交流
侧线电压;
iinv为逆变桥输出线电流;
uinv为逆变桥输出线电压
图3 双PWM变换实验波形
可以看出电网输出电流和电压基本同相位,实测系统功率因数高于0.99,母线电压稳定,电网电流及逆变桥输出电流正弦度高,电机运行平稳。
实验结果说明通用控制平台在实际应用中性能优良,通用性强,运行稳定可靠。
4 结 论
相比原有专用控制平台,本文设计的电力电子变换器通用控制平台运算能力强,数据存储量大,兼顾定点和浮点运算,具有精确可靠的模拟电路,功能
更加完备;
通过可编程逻辑器件CPLD可以灵活地改变数字信号走向并可以对关键信号进行处理。
此外,通用控制平台的各信号接口适应性强,具有丰富而易于扩展的通信电路和可靠的电源模块,合理的设计有效地提高了抗干扰能力,平台整体达到了预先的设计目标。
采用基于RTW试,,。
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451清华大学学报(自然科学版2008,48(10
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