基于DSP和FPGA的三相相控交流调压器设计与实现

工业控制计算机2009年22卷第3期 本文设计了一套基于DSP和FPGA的三相相控交流调压 器，利用DSP和FPGA强大的运算功能和高可靠性，使得由其 构成的全数字化控制系统比单片机或模拟器件构成的控制系 统，具有更好的性能，且能够实现更多扩展功能，而系统成本增 加有限。 1数控三相相控交流调压器结构与工作原理 三相交流调压器主电路连接方式繁多， 常见的主要有带中 性线的YN型联接， 无中性线的Y型联接， 三相半控Y型联接 等。其中无中性线的Y型联接波形正负对称，负载及线路中都无 三次谐波， 因此本系统采用无中性线Y型联接作为三相交流调 压器的联接方式。对于Y型联接的三相交流调压器中的某一相， 只要两个晶闸管中有一个导通，则该条支路导通。 从三相来看， 任何时候电路只可能处于下列三种情况之一： 1）三相全不导通，调压器开路，每相负载电压为零。 2）三相全导通，调压器直通，每相负载电压为该相相电压。 3）两相导通，此时导通相负载上的电压是该两相线电压的 一半，非导通相的负载电压为零。 本文设计的三相相控交流调压器系统由两大部分构成，如 图1所示：一部分以额定电流110A、耐压1600V的三相反并联 晶闸管（16），380V380V、Y11联接隔离变压器，380V 353V同步变压器，电压、电流互感器和负载构成的主电路；另 一 部 分 以TI公 司TMS320LF2407 DSP和AlTERA公 司 EP1C6T114I7 FPGA为主要芯片构成的数字控制和触发部分， 其中DSP作为数字控制器，FPGA作为数字触发器。 本系统中，同步电压由同步变压器引入，经过零检测及调理 电路处理后成为与电网三相正弦电压波形具有相同相位的三相 方波信号，即同步信号，将其输入FPGA作为锁相信号；而电压 和电流传感器获取的负载电压和电流信号，经调理电路处理后， 成为适合DSP片上AD采样模块捕获的信号，通过DSP计算， 得到负载电压、电流的有效值；DSP将上位机给定值，与实际测 得负载电压有效值进行PI运算后得到相应的触发角度，并通过 SPI通讯将该触发角度按字节发送给FPGA；FPGA根据DSP 提供的角度，按16晶闸管的顺序，依次发出互差60度的双 窄脉冲信号， 最终由驱动模块将数字信号转化为可提供给晶闸 管门极的触发脉冲。 2数控三相相控交流调压器的控制 本文设计的交流调压器采用负载电压的PI闭环调节，以实 现对负载电压的跟踪稳压。 要进行负载电压的闭环反馈控制， 首先必须准确得到负载 电压有效值。 负载电压的有效值由数学公式U 1 T T 0 乙u 2 （t）dt 姨 定义，式中T20ms是负载电压u（t）的周期。 在本系统中，对信 号进行间隔采样， 获得一个离散信号序列。 在一个信号周期T 内，以TTN等间隔采样N点，则得到一个离散信号序列：u（n） u（nT）n0，1，2，N1。 利用梯形积分方法，不难得出负载上的电压有效值为： U 1 N N1 n 0 u 2 （n） 姨 PI控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（t）和实际输 出值c（t）构成控制偏差：e（t）r（t）c（t）。 将偏差的比例（P）、积 分（I）通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称PI 控制器。 基于 DSP 和 FPGA 的三相相控交流调压器设计与实现 3phase phasecontrolled voltage regulator based on DSP and FPGA 李巍蔡旭张亮（上海交通大学电气工程系，上海200240） 摘要 针对传统模拟控制的交流调压器难以满足实时、精确、可靠调压和稳压的问题，设计了一种以DSP作为核心控制器， FPGA作为脉冲触发器的全数字化三相相控交流调压器，以期实现调压和保证负载电压精确跟踪给定电压的功能。 关键词：三相交流调压器，相位控制，DSP，FPGA Abstract The traditional voltage regulator controlled by analogue devices is hard to meet the need of realtime,precise and reli- able voltage regulating and stabilizingIn order to solve the problem,full digitalcontrolled 3phase phasecontrolled AC volt- age regulator based on DSP as kernel controller and FPGA as pulse trigger is designed by the author with the function of load voltage regulating and precisely input voltage tracing Keywords:3phase AC voltage regulator,phasecontrol,DSP,FPGA 图1三相相控交流调压器系统电路结构图 93 基于DSP和FPGA的三相相控交流调压器设计与实现 离散型的PI调节器形式为： u（k）KPe（k）Ki k i 0 e（k） 式中PI调节器的输入为e（k），输出为u（k）。 图2PI控制算法结构框图 针对本系统， 令输入误差值为e， 输出为piout， 则eVset Vload， 其中Vset为给定电压值与额定电压Vr220V的比值，Vload 为实际负载电压与额定电压Vr的比值。 则有：pioutKpeKiSe，式 中Se为e的累加值。PI控制流程如图2所示。 在本系统中，由于负载电压有效值每过一个工频周期检出， 因此PI调节周期为20ms。对于惯性较大的控制对象，如果采样 频率过高，容易引起系统震荡，而如果采样频率过低，会造成高 频信号的损失， 特别是在相控交流调压器输出波形为叠加有奇 次谐波的非正弦波形的情况下，影响更为严重。 故本系统采样频 率选取为10kHz。 3系统硬件设计实现 基于DSP和FPGA的数字式相控交流调压器控制系统硬 件结构如图3所示。 DSP与FPGA之间的通讯采用标准的SPI通讯协议，与直 接联接DSP与FPGA IO口的数据传输方式相比，使用SPI通 讯更有利于控制板的功能扩展。 将TMS320LF2407的4个SPI 接口 （SPICLK，SPISIMO，SPISOMI，SPISTE） 与FPGA的IO 口相连，按SPI通讯协议编写VHDL程序，使FPGA具有SPI接 收功能。DSP实时将触发角度字节发送给FPGA。 考虑到工业应用场合中总线规范不同， 系统设计了基于 CAN和RS485的两套总线系统与上位机通讯。TMS320LF2407 处理器片上自带兼容CAN20标准的CAN总线控制器，因此外 接一片支持1M BPS的PCA82C250收发器芯片使控制系统具 备完整的CAN总线通信能力。 串口通讯因被广泛应用，故本系 统 中 通 过 外 接 一 片SP485芯 片 使 系 统 具 备 与 上 位 机 通 过 RS485来通信的能力。 图3调压器控制系统硬件结构 晶闸管触发系统由同步、移相、脉冲生成、脉冲放大等环节 构成。 其中同步电路和脉冲放大电路由模拟器件构成，移相和脉 冲生成由FPGA软件实现。 由于FPGA输出的数字脉冲是TTL 电平，直接触发晶闸管功率不够。 因此，必须经过达林顿晶体管 功率放大，脉冲变压器隔离输出，最终数字脉冲信号放大隔离输 出至6路晶闸管SCR1SCR6门极端，如图4所示。 图4脉冲放大环节 4软件设计实现 41 DSP模块设计 核心处理器DSP主要完成和上位机的通信、负载电压电流 的采样、PI调节和其他数据处理。 负载电压有效值的检测计算在采样中断服务程序中实现， 利用DSP内部采样模块， 分别采得三相一个工频周期内的电 压、电流，存入数组中。 当采样标志位置位，即已采集满一个周期 的数据后，进入数据处理子程序。 通过有效值算法分别计算得到 A、B、C三相的电压、电流有效值，分别将其作平均运算后得到 三相电压、电流有效值。 若检测到任意相负载电流大于等于额定 值15倍时，强制闭锁FPGA脉冲输出。 最终通过PI计算得到 相应的触发角。 定义实际触发角为，则触发角与PI调节产生的控制角 piout关系为180piout，单位为度。 通过调节KI和KP，即可得 到实际触发角。DSP的主程序如图5所示，对一些参数进行初 始化；而采样和PI运算均在DSP的采样中断程序中进行，如图 6所示。 图5主程序流程图图6采样中断程序流程图 42 FPGA模块设计 FPGA模块主要完成信号隔离传输、 逻辑运算和触发脉冲 生成等功能，同步信号输入FPGA作为脉冲生成的基准信号。在 FPGA内部使用十六位计数器计数， 以O1表示计数器计数起 始点，C1表示计数器计数终止点，计数器计数时钟为500kHz， 则对应于工频的同步信号而言，计数器计数值5000代表180， 94 工业控制计算机2009年22卷第3期 若脉冲宽度为30，则有O1、C1O1833。 可见，改变触 发角即可改变触发起始时刻，从而控制晶闸管的导通时刻；同 理，六个晶闸管SCR1SCR6的软件触发器以此逻辑同时独立 地工作，即可获得各自对应的六路触发脉冲。 用基于硬件描述语 言（VHDL）开发的可编程逻辑器件来实现晶闸管触发器的数字 逻辑，简化了硬件电路，且触发精度大为提高。 5实验结果 本 文 设计的 相控交 流 调 压 器 额 定 输 入 电 压 为 三 相AC 380V，额定电流100A。 系统设计目标为调压范围三相0372V， 下限允差不超过额定输入电压2， 上限允差不超过额定输入 电压1。除了能够起到基本调压作用以外，在电网电压波动情 况下本系统还要求起到稳压作用，输入电压波动10时，仍能 保持设定电压值。 使用的负载参数见表1。 在电阻性和电阻电感 性负载下均进行了闭环实验。 表1实验系统负载参数 首先检验触发脉冲移相以及六路触发脉冲相序关系。 由于 本系统使用了Y11隔离变压器， 因此触发脉冲要超前30 度。 当触发角为60度时，使用GW instek的GDS2204示波 器实测的6路触发脉冲与A相输入电压波形关系， 如图7所 示，a、b两图中的CH1均为A相同步变压器二次侧波形。 图7时6路脉冲波形与A相相位关系 系统在阻感性负载条件下试验，PI调节器参数分别为Kp 14，Ki005。 用示波器记录电压由关断状态上升到额定电压 Vr40时，A相负载电压、电流响应曲线，如图8所示。 图中CH1 为由500V1V电压差分探头测得的A相负载电压波形，CH2 为由5A1V的电流探头测得的A相负载电流波形。 由图可见， 负载电压、电流上升平滑，负载电压响应时间小于200ms，能够 达到负载电压精确闭环控制的设计目标。 与此同时， 读取Tuoke公司TESE963V型三相三数显电 压智能表数据， 稳态时三相负载电压分别为A相负载电压 845V，B相负载电压891V，C相负载电压907V， 三相负载平 均电压881V。 当使调压器处于全通状态时， 即给定电压等于100额定 电压Vr时， 稳态时A相负载电压为2124V，B相负载电压为 2198V，C相负载电压为2180V，三相负载平均电压为2167V。 当使调压器处于关断状态，本系统设定为给定电压等于5额定 电压Vr时， 稳态时A相负载电压为60V，B相负载电压为 61V，C相负载电压为73V，三相负载平均电压为65V。 试验结果表明，本系统基本达到了设计要求，负载电压响应 时间令人满意，且在本试验系统三相负载不完全平衡的状态下， 三相输出电压与三相输出电压平均值之差不大于额定输入电压 的2。 6结束语 由DSP和FPGA构成的此类数字式控制系统只需更改程 序就可以应用于有不同控制要求的相控电力电子装置， 且具有 很高的精度和可靠性。 本系统经过实验验证可以满足用户对于 数字式三相相控交流调压器的要求， 验证了此类控制系统结构 具有可行性，并具备良好的应用前景。 参考文献 1谈必礼交流调压和稳压电源的发展动向J变压器，2004（5） 2汪卫民，等基于DSPFPGA的开放式伺服运动控制器的研究J 工业控