FPGA在多機功率平衡的變頻控制系統(tǒng)中的應用

苑令華　譚光韌　齊廣超

【摘 要】針對多臺拖動系統(tǒng)共同拖動一臺負載的時出現(xiàn)功率不平衡的問題，本文介紹了一種帶有多機功率平衡功能的變頻控制系統(tǒng)。并詳細介紹了FPGA在該系統(tǒng)中的應用。

【關鍵詞】功率平衡；變頻控制；FPGA

【Abstract】For many sets of drag system can drag a load in power imbalance problem，this paper introduces a kind of a multimachine power balance function of frequency conversion control system.And FPGA is introduced in detail in the role of the system.

【Key words】power_balance；Frequency conversion control；FPGA

0 引言

目前，現(xiàn)場應用中有許多多臺拖動系統(tǒng)共同拖動一臺負載的場合，經(jīng)常出現(xiàn)多臺拖動系統(tǒng)難以均衡出力，一臺設備輕載甚至處于發(fā)電狀態(tài)，而其他設備過載的狀況。

多機功率平衡的變頻控制系統(tǒng)是解決上述問題的重要方法。在該系統(tǒng)設計中，利用了 FPGA具有集成度高，處理速度快、效率高、豐富的邏輯模塊和I/O口的優(yōu)點。

1 工作原理

在該系統(tǒng)中，增加了通訊單元，可組成環(huán)網(wǎng)通訊。各臺變頻器分別與上級和下級變頻器通訊，傳遞運行參數(shù)。

N臺共同拖動同一負載的變頻器通過光線通訊單元組成雙環(huán)網(wǎng)，以N=4為例，給出通訊連接圖見圖1。

功率平衡功能按如下方式實現(xiàn)：

各機通訊單元將起停信號、頻率給定等控制信號，各臺變頻器力矩電流（有功功率）、當前頻率等變量發(fā)送給本機主控單元，由主控單元綜合處理。根據(jù)其他各臺變頻器的當前頻率、輸出力矩電流大小，以及本機當前頻率、輸出力矩電流大小來判定下一載波周期輸出頻率；生成載波周期、導通時長等波形信息發(fā)給PWM發(fā)波單元。

PWM發(fā)波單元將波形信息處理為PWM波形發(fā)送給功率模塊，通過控制各臺電機轉速的差別來動態(tài)控制各臺間功率分配均衡，保證多臺電機輸出力矩電流相同。

2 系統(tǒng)組成

本變頻控制系統(tǒng)，由人機交互單元、主控單元、FPGA單元組成。如圖2所示：

（1）人機交互單元：人機交互單元為觸摸屏，觸摸屏發(fā)送給DSP數(shù)據(jù)為該系統(tǒng)的各項參數(shù)。同時，DSP采集到的系統(tǒng)各項運行數(shù)據(jù)，在觸摸屏界面顯現(xiàn)。

（2）主控單元：主控單元為DSP，負責整個系統(tǒng)的流程控制。向上，與人機交互單元通訊；向下，DSP向FPGA發(fā)送各類控制指令。

（3）FPGA單元：FPGA單元包括PWM發(fā)波單元、驅動及檢測單元、光纖通訊單元。驅動及檢測單元由功率模塊驅動電路、電壓檢測電路、電流檢測電路、溫度檢測電路組成。光線通訊單元由兩路光線輸入電路R1、R2，兩路光線輸出電路T1、T2組成。通訊單元，可組成環(huán)網(wǎng)通訊，是實現(xiàn)多機功率平衡的關鍵。

3 程序設計

根據(jù)FPGA要實現(xiàn)的功能將FPGA程序分為與DSP通訊模塊、PWM波形產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)采集及處理模塊和通訊模塊。

3.1 與DSP通訊模塊

FPGA將變頻器運行中的各種參數(shù)反饋給DSP。同時FPGA接收計算波形所需要的開關周期、開通時間、關斷時間和正負半周標志位等參數(shù)。

3.2 PWM波形產(chǎn)生模塊

PWM波形產(chǎn)生模塊根據(jù)接收到的DSP發(fā)送的波形參數(shù)，計算出開通時間和關斷時間，加入合適的死區(qū)時間，產(chǎn)生相對應的PWM脈沖波形。

3.3 數(shù)據(jù)采集及處理模塊

FPGA通過SPI通訊從AD轉換芯片TLV1548取得代表直流母線電壓、輸出電壓有效值、輸出電流有效值、散熱器溫度的數(shù)字量，進行編碼之后發(fā)送給主控。

3.4 通訊模塊

通訊模塊包括兩路接收和兩路輸出，第一路通訊接收電路接收上一臺設備的通訊數(shù)據(jù)，第二路通訊接收電路接收下一臺設備的通訊數(shù)據(jù)。第一路通訊發(fā)送電路將本臺設備數(shù)據(jù)發(fā)送給上一臺設備，第二路通訊發(fā)送電路將本臺設備數(shù)據(jù)發(fā)送給下一臺設備。這樣，所有連接的設備就組成了環(huán)網(wǎng)。通訊模塊程序主要實現(xiàn)以下功能及實現(xiàn)方法：

3.4.1 待發(fā)送數(shù)據(jù)的打包處理：FPGA對將要發(fā)送的數(shù)據(jù)處理以符合自定義的通訊協(xié)議。

3.4.2 發(fā)送數(shù)據(jù)：FPGA程序中自定義了發(fā)送數(shù)據(jù)指針，該指針決定了將要發(fā)送哪個數(shù)據(jù)。當關鍵指令或數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，指針會優(yōu)先指向該指令或數(shù)據(jù)，以保證關鍵指令或數(shù)據(jù)得到及時發(fā)送。當關鍵數(shù)據(jù)或指令未發(fā)生變化是，指針會自加1，依次發(fā)送FPGA已打包處理好的數(shù)據(jù)。

3.4.3 接收數(shù)據(jù)：1）接收模塊不斷檢測接收到的數(shù)，當檢測到起始位0時，開始接收數(shù)據(jù)。2）接收完一個數(shù)據(jù)后，如果奇偶校驗為錯誤，系統(tǒng)會判斷該數(shù)據(jù)接收錯誤 3）當接收模塊在一定時間t內(nèi)，未接收到新數(shù)據(jù)，系統(tǒng)回報接收超時故障。4）系統(tǒng)上電檢測，當接收模塊在上電時未接收到數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會報光纖斷開故障。

4 結語

本文描述了一種帶有多機功率平衡的變頻控制系統(tǒng)，并詳細描述了FPGA在該系統(tǒng)中的應用。在該系統(tǒng)中充分利用了FPGA并行執(zhí)行的處理速度快、效率高的優(yōu)點。同時基于FPGA的控制系統(tǒng)結構具有良好的應用擴展性，在將來的變頻調(diào)速系統(tǒng)中會有很好的應用前景。

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[責任編輯：李書培]