【学术论文】基于DSP+FPGA+CPLD的电力电子设备通用控制器
摘要
传统数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）控制系统在中低压电力电子设备的控制和保护中已有广泛的应用，并取得了良好的控制效果，但对于高压大功率电力电子设备的控制和保护则存在不足。对此，针对高压大功率电力电子设备，设计了一种基于DSP+现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）+复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）的通用型控制系统。其中，DSP完成系统核心算法和逻辑控制；FPGA进行系统电压电流的高速采样、快速逻辑运算和多路高频脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号输出，CPLD实现输出PWM信号高速检测和故障闭锁；主控制板与其他信号输入输出板分隔设计扩展控制器适用性。最后通过实验证明了该控制系统设计的可行性。
中文引用格式： 刘魁，刘健，管增伦，等. 基于DSP+FPGA+CPLD的电力电子设备通用控制器[J].电子技术应用，2019，45(4)：122-126，134.
英文引用格式： Liu Kui，Liu Jian，Guan Zenglun，et al. General controller of power electronic equipment based on DSP+FPGA+CPLD[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(4)：122-126，134.
0 引言
随着电力电子技术的不断发展以及工业用电设备对电能质量需求的不断提高，越来越多的复杂拓扑结构、大容量系统、高安全稳定性的电力电子设备得到研究并应用到众多实际工程实践。针对多种电力电子拓扑结构不同工程应用实际，其相应的控制、保护系统同样越来越趋于复杂化和多样化。先进处理器的控制系统是现代电力电子设备的核心部件[1-3]，以DSP为代表的传统处理器控制系统在中低压电力电子设备控制和保护中已有广泛的应用，并且取得了良好的控制效果。但在高压大功率电力电子设备控制系统的应用上，传统DSP控制器还存在不足。首先是AD采样通道和PWM信号输出通道数量有限，难以满足拓扑结构复杂的大功率电力电子设备的检测和控制要求；其次是由于DSP芯片在运行中复位在所难免，复位期间无法对电力电子设备进行有效控制与保护；最后是传统DSP控制器无法对输出PWM信号进行有效检测与识别，且PWM信号出错后无法立即采取闭锁等保护措施。
然而，DSP作为专门用于数字信号处理的微处理器，在条件进程、复杂的多算法计算方面具有独特优势[4-5]，可以在控制系统中增加FPGA和CPLD弥补其不足[6-8]。FPGA具有强大的并行处理能力和多时钟频率等优点[9-10]， 能完成复杂的时序逻辑设计，实现高速、高频的AD采样和PWM信号输出控制及通道扩展[11-12]。而CPLD则可高速检测PWM输出信号并且在PWM信号出错故障情况下瞬时启动系统闭锁功能，提高系统控制的可靠性[13-14]。因此，将DSP、FPGA和CPLD高效结合并以此来设计控制系统，对高压大功率电力电子设备进行可靠、全面的控制和保护具有重要意义。
基于上述背景，本文提出一套适用于高压大功率电力电子设备通用型控制控制器。该控制器采用主控制板与其他插件板相分隔的分板块硬件系统结构，结合了DSP、FPGA、CPLD各自性能特点的同时兼顾了通用性；提出了多时间尺度控保融合的软件设计方案，分别从系统级、器件级、信号级三个层面实现对设备的控制和保护，以满足众多高压大功率电力电子设备对控制与保护的要求。
1 系统整体方案设计
针对高压大功率电力电子设备的安全可靠性要求较高、控制算法较为复杂、控制与检测信号量较多等特点，本文以DSP+FPGA+CPLD为核心，结合高性能外围器件和高速接口，设计了一种主控制器与外围插件板分离的硬件方案。
该系统集高速算法运行、快速输入输出接口、多时间尺度控保融合于一体，对不同结构和功率等级电力电子装置的算法执行、继电保护配置都有较强的适应性。基于DSP+FPGA+CPLD的电力电子设备通用控制器系统方案如图1所示。
2 系统硬件设计方案
2.1 系统主要器件选型
控制器系统选用高性能器件提高电力电子设备控制的高效性和安全可靠性，同时结合拆分板块的结构设计增加系统应用的通用性。其中，DSP采用TI公司的高速浮点型芯片TMS32028335，其具备最高150 MHz主频、32位高精度浮点处理单元、6通道直接存储器访问通道(DMA)、充足的RAM和Flash存储容量、程序与数据分离的哈佛流水结构，可以满足大多数电力电子设备的算法运算需求；FPGA采用Xilinx公司Spartan6系列的XC6SLX45T，其拥有43 661个逻辑单元、54 576个触发器、最大358个用户I/O引脚数、最大2 088 Kb的Block RAM模块，方便实现接口扩展与采样控制；CPLD选择Xilinx公司的XC95144，其包括最快111 MHz的时钟频率、最大133个用户I/O引脚、7.5 ns的管脚相对延时、片内编程信息断电不丢失等特点，能够较为可靠地完成电力电子设备PWM信号的检测与故障闭锁功能；AD采样芯片采用Analog Device公司的AD7606芯片，其参数为：8通道16位采样精度和200 kS/s ADC，可以满足绝大部分电力电子设备的信号采样精度需求。
2.2 系统板块功能介绍
由图1可知，控制器主要分为包含DSP、FPGA和CPLD的主控制板，PWM输入和输出的PWM_I/O板，A/D转换和D/A转换的AD/DA板，开关量输入和输出的开关量I/O板，包含多个开关电源模块的电源板，以及负责上述各个板块间连接的母板几部分。其中，各个功能板块电路模块设计固定，除主控制板、电源板和母板外，PWM_I/O板、AD/DA板、开关量I/O板均可根据控制对象需求进行板块数量增加。
主控制板为整个控制器核心。其中DSP及其相应外围电路实现复杂控制算法执行、事件记录、与上位机通信、D/A转换输出以及部分开关量输入输出等核心控制与系统级保护功能；FPGA及其相应外围电路主要控制高速A/D采样与转换、PWM信号的发生以及PWM信号的输出与接收等器件级控制功能；CPLD及其相应外围电路完成对FPGA产生的PWM信号的高速检测，并在PWM信号输出正确时输出使能信号完成PWM信号向开关器件的传输，否则闭锁PWM信号输出，并向FPGA和DSP进行反馈，FPGA停止PWM信号发生和输出，DSP进行事件记录并输出告警信号。主控制板是整个控制器实现对电力电子设备的多时间尺度控保融合的核心板块。图2所示为控制器控保融合方案设计。
PWM_I/O板是控制器输出核心控制信号的转换通道。其中光纤发射器HFBR1528T及其相应外围电路完成将FPGA输出的PWM电信号转换成PWM光信号，并在收到输出使能信号后向开关器件驱动电路输出PWM光信号；光纤接收器HFBR2528R及其外围电路则负责将接收到光信号转换成电信号，并输入值FPGA。PWM_I/O板是控制器实现PWM信号的输出、检测以及故障闭锁的关键板块。
AD/DA板为控制器关键控制信号与反馈信号的变换通道。其中由二极管、电阻、电容、放大器构成的滤波及运放电路实现对外部传感器输入的电压信号的滤波与放大，将带采样信号变换为0~±10 V的电压信号，并输入至主控制板；同样由二极管、电阻、电容、放大器构成的运放电路实现对主控制板产生的小功率模拟信号进行放大并输出。AD/DA板是控制器实现闭环控制的关键环节。
开关量I/O板是控制器与紧急停机、设备状态指示灯等外部开关量相连接的通道。当外部开关量信号输入控制器时，经板上TLP521光电隔离模块后转换小电量信号输入主控制板；当控制器开关量信号输出时，经板上继电器模块控制外部器件。
电源板是将外部输入220 V AC电源转换成其他板块所需要的5 V、±15 V、24 V等直流电源的模块。外部220 V AC电源输入控制器时，经板上双节电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)滤波器滤除高次谐波后，输入给板上各个开关电源模块转换成相应的直流电源。
母板是将上述各个板块进行有效连接的板块。母板与其他板块之间采用96 pin欧式连接器进行连接。母板的存在使得当控制器应用于需求不同的电力电子设备时只需重新设计母板进行直接扩展PWM_I/O板、AD/DA板、开关量I/O板操作。
3 系统软件设计方案
控制器系统根据DSP、FPGA、CPLD各自特点，采用了基于DSP的毫秒级控保方案、基于FPGA的微秒级控保方案和基于CPLD的纳秒级保护方案相融合的多时间尺度一体化软件设计。
3.1 DSP软件设计
DSP软件主要完成电力电子设备核心算法运算、与上位机通信以及事件记录等功能，其程序可分为主程序部分和定时中断服务子程序部分。
主程序包括初始化和主循环两大部分。控制器上电或复位后，首先执行串口和数组初始化程序，然后进行开关量自检和AD通道的自检。若自检正常则进行初始化定时器操作，否则执行故障处理程序，并输出告警信号。初始化完成后进入主循环程序，主要包括与上位机通信、看门狗设置、等待设备运行等流程。DSP软件主程序流程如图3所示。
中断程序主要完成中断自检、对来自FPGA的AD采样值读入与平均值计算、开关量读入、通信定值转换、保护程序执行、控制算法运算、波形参数（占空比或正弦波）输出以及事件记录。中断程序的执行周期可根据实际设备需求进行修改。DSP中断程序流程如图4所示。
3.2 FPGA软件设计
FPGA软件主要为基于多时钟频率下并行处理的高速AD采样控制和PWM信号的输出全数字化实现。
基于芯片AD7606采样转换时序的AD采样控制主要包括AD同步信号生成、AD复位信号生成、AD转换信号生成、AD转换完成信号输出、AD信号读取等流程。图5所示为以FPGA主频40 MHz、10 kHz采样频率为例的AD转换信号生成流程图。
PWM信号输出数字化实现方法为：利用计数器累加完成同步信号PWMSNYC的发生，同步信号的频率为电力电子设备的开关频率。同步信号的数字化生成及其软件仿真结果如图6所示。
3.3 CPLD软件设计
CPLD软件主要是对FPGA生成的PWM信号进行高速检测，并在故障时进行闭锁。具体实现方法为：FPGA在产生PWM信号输出时，同时作为CPLD的输入信号，CPLD程序对输入信号进行高速逻辑判断：若判断输入信号正常，则输出使能信号，完成PWM信号向开关器件的输出；否则输出闭锁信号，闭锁PWM信号输出，并向DSP和FPGA输出告警信号。
4 实验验证与结果分析
为验证本设计的可行性，在大型矿车制动能量回收与利用装置(以下简称“该装置”)上运用了本控制器。
该装置是利用双向Boost-Buck变换电路结合超级电容和蓄电池实现矿车制动能量的回收的节能装置。图7所示为矿车驱动系统与该装置主电路拓扑结构图。
该装置直流母线电容为超级电容组，从左向右，当该装置吸收制动电流时，滤波电感L1、开关器件S1和S2构成Boost升压电路，开关器件S3和S4、滤波电感L2构成Buck降压电路；从右向左，当该装置释放蓄电池电能时，滤波电感L2、开关器件S3和S4构成Boost升压电路，开关器件S1和S2、滤波电感L1构成Buck降压电路。控制开关器件S1、S2、S3和S4的通断即可实现对矿车制动能量的回收与利用。在车载实验中，对该装置进行了若干功能性实验和保护动作实验。图8所示为部分实验波形，图8（a）为蓄电池充电实验，此时直流母线电压为1 500 V，充电电流为20 A；图8（b）为蓄电池放电实验，此时直流母线电压为1 500 V，放电电流为50 A。
由实验结果可知，基于DSP+FPGA+CPLD的电力电子设备通用控制器可以有效地控制大型矿车制动能量回收与利用装置实现对矿车制动能量的回收与再利用。
5 结论
本文针对传统DSP控制系统在大功率电力电子设备应用中的不足，结合DSP、FPGA、CPLD三类主流控制芯片各自的特点，提出了一种适用于高压大功率电力电子设备的DSP+FPGA+CPLD的通用型控制器设计方案，并通过实际装置实验验证了本设计的可行性。其主要特点和优势如下：
(1)分析了大功率电力电子设备的控制需求，设计了主控制板与其他插件板相分离的硬件系统，方便应对不同控制对象时的插件板扩展；
(2)基于多时间尺度控保融合的软件设计理念，分别根据系统级、器件级和信号级的时间尺度提出了DSP、FPGA和CPLD软件设计流程；
(3)在大型矿车制动能量回收与利用装置上应用了本设计，实验波形证明本控制器设计的可行性。
参考文献
[1] 王宝诚，王炜，杜会元，等.一种新颖的单电源级联型多电平逆变器[J].中国电机工程学报，2013(30)：10-17.
[2] 郭伟峰，杨世彦，杨威，等.基于DSP-FPGA全数字控制的并联有源电力滤波器[J].电工技术学报，2007，22(5)：123-127.
[3] 王素娥，胡益成，张一西.基于DSP的电力谐波发生器设计[J].电子技术应用，2016，42(3)：137-140.
[4] 高红霞，刘晓乐.电力谐波检测改进算法在DSP上的应用与实现[J].电子技术应用，2015，41(4)：125-128.
[5] 张卫丰，余岳辉.基于RTW的SVPWM DSP控制系统[J].电工技术学报，2007(3)：102-106.
[6] 吴瑕杰，方辉，宋文胜，等.一种基于DSP-FPGA的辅助逆变器核心控制系统[J].电机与控制学报，2015(5)：58-66.
[7] 刁利军，董侃，赵雷廷，等.基于双DSP-FPGA架构的城轨列车电力牵引控制系统[J].电工技术学报，2014，29(1)：174-180.
[8] 王平，高阳，王林泓，等.基于DSP与FPGA的实时电能质量监测终端系统[J].电力系统保护与控制，2012，40(12)：125-129.
[9] 许赟，邹云屏，陈伟，等.FPGA-DSP实现混合级联多电平变换器的高性能PWM控制[J].高电压技术，2009，35(5)：1038-1043.
[10] 张凯华，任勇峰，贾兴中.基于FPGA的高速数据存储系统优化设计[J].电子技术应用，2014，40(9)：37-40.
[11] 刘喜梅，陈亚斐，覃庆良，等.基于DSP和FPGA的LVDS高速串行通信方案设计[J].电子测量技术，2016，39(7)：178-182.
[12] 牟昱东，张建文，朱淼，等.基于FPGA的模块化通用型电力电子控制平台[J].电力电子技术，2016，50(8)：106-108.
[13] 刘健，尹项根，张哲，等.高压大功率三电平逆变器的SPWM数字化技术研究[J].中国电机工程学报，2008(27)：35-41.
[14] 侯慧，游大海，尹项根.基于DSP的微机型继电保护抗干扰研究[J].电力自动化设备，2006(4)：4-7.
作者信息:
刘 魁1，刘 健1，管增伦2，刘如成3
（1.武汉工程大学 电气信息学院，湖北 武汉430200；2.中国中煤能源集团有限公司，北京100120；
3.中煤平朔集团有限公司，山西 朔州036002）