一种基于DSP+FPGA的电力电子系统的通用控制器技术方案

本发明专利技术公开了一种基于DSP+FPGA的电力电子系统的通用控制器，属于电力电子系统控制技术领域。包括一块DSP控制电路板(简称DSP板)、一块或多块可扩展的FPGA控制电路板(简称FPGA板)，FPGA板通过两个2×40引脚的并行接口板至板连接至DSP板，FPGA板位于DSP板上方，可以可通过这两个并行接口往上叠加扩展更多的FPGA板，也可以通过两个数字信号I/O接口板至板扩展其他功能电路板。DSP板执行数字信号处理和控制算法计算；FPGA板负责生成并输出PWM脉冲驱动控制信号，数字信号输入/输出，模拟信号输入/输出，光纤输入/输出，模拟信号调理和转换，系统故障监测和保护。本控制器的优点是具有通用性、高可扩展性、开放性和安全性，支持硬件再编程，可用于控制任何拓扑结构的电力电子变换器。

A general controller for power electronic system based on DSP+FPGA

The invention discloses a general controller of power electronic system based on DSP+FPGA, belonging to the control technology field of power electronic system. Including a DSP control circuit board (DSP board), a scalable FPGA control circuit board (FPGA board), FPGA board through two 2 x 40 pin parallel interface board to board connected to the DSP board, FPGA board is located on the DSP plate, can be through the two parallel interface to extend FPGA plate superimposed on more, also can through two I/O digital signal interface board to board the expansion of other functional circuit board. DSP implementation of digital signal processing and control algorithm; FPGA board is responsible for generating and output PWM pulse drive control signal, digital signal input / output, analog signal input / output fiber, input / output, analog signal conditioning and conversion system, fault monitoring and protection. The advantage of this controller is that it is universal, high scalability, open and safe. It supports hardware reprogramming and can be used to control any topology of power electronic converters.

【技术实现步骤摘要】
一种基于DSP+FPGA的电力电子系统的通用控制器
本专利技术属于电力电子系统控制
，具体涉及一种基于DSP+FPGA(DSP为数字信号处理器，DigitalSignalProcessing，简称DSP；FPGA为现场可编程门阵列，FieldProgrammableGateArray，简称FPGA)的电力电子系统的通用控制器。
技术介绍
电力电子变换装置在电机调速系统、地面电力系统、飞机和舰船电力系统中应用非常广泛，比如在飞机电力系统中，具有多种拓扑结构的电力电子变换装置，有PWM整流器、PWM逆变器和双PWM变换器，随着电力电子技术的发展，可能应用到矩阵变换器和其他拓扑结构的电子电子变换装置，不同拓扑结构的电力电子变换装置的控制器之间既有共性，也有差异，为了节省电力电子变换装置控制器的开发周期和成本，现有专利技术的一种通用型变流控制平台，解决了一部分的通用性问题，但是该控制器使用的DSP运算速度不够快，可能不利于控制碳化硅器件的电力电子变换装置，PWM脉冲数量受限于DSP芯片内部的PWM发生模块，可输出的PWM脉冲数量不够多，控制器可扩展性不足，可能不利于对高可靠性要求的电力电子变换装置进行冗余设计和容错控制，PWM脉冲要经过地板总线单元中转才能输出，不能直接输出PWM脉冲，可能使走线复杂。
技术实现思路
为了克服现有的电力电子系统控制器的通用性和可扩展性不足的缺点，本专利技术提出了一种通用控制器，一种适用于任何电力电子系统的控制器，具有通用性、高可扩展性、安全性和开放性，不仅适用于Buck、Boost及Buck-Boost电路、PWM整流器、PWM逆变器和双PWM变换器，也适用于单级矩阵变换器和双级矩阵变换器，还适用于多电平整流器、多电平逆变器和多电平矩阵变换器。本专利技术采用的技术方案为：一种基于DSP+FPGA的电力电子系统的通用控制器，包括一块DSP板、一块或多块可叠加扩展的FPGA板；FPGA板通过两个2×40引脚的并行接口，板至板连接至DSP板，FPGA板位于DSP板上方，并可通过这两个并行接口继续往上叠加扩展更多的FPGA板，也可以通过两个数字信号I/O接口板至板扩展其他功能电路板；DSP板进行数字信号处理和计算；FPGA板负责生成并输出PWM脉冲驱动控制信号，数字信号的输入/输出，模拟信号的输入/输出，光纤输入/输出，对模拟信号调理和转换，对系统故障进行监测和保护；每一块FPGA板可输出56路PWM脉冲或数字信号，可输出四路模拟信号，有12路光纤输入/输出，可对模拟信号进行调理和转换，可对系统故障进行监测和保护。其中，DSP板直接采用TI公司的TMDSDSK6713开发板，板载DSP芯片为C6000系列的浮点型数字信号处理器TMS320C6713B，主频时钟300MHz，每秒可运行定点指令24亿条，浮点指令18亿条；还使用了板上的一个2×40引脚的外设扩展接口(ExternalPeripheralInterface)和一个2×40引脚的外部存储器接口(ExternalMemoryInterface)；DSP芯片通过这两个2×40引脚的并行接口与FPGA芯片进行数据、地址和控制信号通讯，DSP板也通过这两个并行接口为FPGA电路板提供电源。其中，每一块自主研发的FPGA板包括：一片FPGA芯片，采用Microsemi公司的ProASIC3系列的FPGA芯片，芯片自身支持128位片上高级加密标准AES，实现控制器的信息安全；十个ADC通道，每个通道的ADC转换芯片为LTC1407A，ADC通道既可以采集电流信号也可以采集电压信号；两个2×40引脚的并行接口，用于向下与DSP板相连，向上扩展更多的FPGA板，也可以通过两个数字信号I/O接口(一个2×13引脚的并行接口，一个2×15引脚的并行接口)板至板向上叠加扩展其他功能电路板，实现控制器的高可扩展性；56路用户可配置的数字I/O，可自由定义数字信号的方向，每个数字I/O都可以输出PWM脉冲，实现了控制器的通用性；20路模拟输入I/O，用于采集电力电子系统的电压和电流信号，FPGA板对每一个模拟输入I/O都设计了安全保护电路，只要检测到故障状态，FPGA芯片内的故障监测和保护电路便封锁PWM脉冲信号，并将当前的故障状态返回DSP芯片；一个LED显示器，用于显示当前的故障状态，以供操作人员进行安全操作，实现控制器的操作安全。其中，每一种典型或非典型的工作模式的工作机理相同，模拟输入I/O采集电压或电流信号经过ADC通道的调理和转换，变成32位数字信号缓存在FPGA芯片里等待DSP芯片读取，DSP芯片读取到FPGA芯片里的数字信号，经过既定的控制算法，将计算得到的控制信号通过2×40引脚的并行接口发送到FPGA芯片，FPGA芯片接收到控制信号后产生并输出PWM脉冲，同时向DSP芯片发回一个PWM中断信号；FPGA板上和FPGA芯片内部都设计了故障监测和保护电路，保证在不同的工作模式下，针对不同的软硬件故障都能启动保护措施；不同工作模式之间的区别在于DSP控制程序不同，FPGA硬件程序略有区别，输出的PWM脉冲数量可能不同。其中，该控制器具有通用性、高可扩展性、安全性和开放性，可用于控制任何拓扑结构的电力电子系统，可输出任意数量的PWM脉冲；根据电力电子系统的拓扑结构及其需要的PWM脉冲数量，本通用控制器的工作模式可分为典型工作模式和非典型工作模式；典型工作模式包括：典型模式一，Buck、Boost及Buck-Boost电路，PWM数量<6；典型模式二，三相PWM整流器模式，PWM数量＝6；典型模式三，三相PWM逆变器模式，PWM数量＝6；典型模式四，双PWM变换器模式，PWM数量＝12；典型模式五，三相输出的单级矩阵变换器模式，PWM数量＝18；典型模式六，带冗余输出相的单级矩阵变换器模式，PWM数量＝24；典型模式七，三相输出双级矩阵变换器模式，PWM数量＝18；典型模式八，带冗余输出相的双级矩阵变换器模式，PWM数量＝24；非典型工作模式包括：多电平整流器、多电平逆变器、多电平双PWM变换器、多电平矩阵变换器。其中，得益于FPGA芯片的硬件可编程特征和FPGA电路板可叠加扩展的特征，由于每块FPGA板设计了高达56路数字I/O和10个ADC通道，以及预留的四个模拟输出I/O和12个光纤接口，可供开发人员在现有的硬件资源条件下，对FPGA芯片进行硬件再编程设计，进一步开发控制器的功能，实现了控制器的开放性。其中，DSP板采用TI公司的TMDSDSK6713开发板，板载DSP芯片为C6000系列的浮点型数字信号处理器TMS320C6713B，主频时钟300MHz，每秒可运行定点指令24亿条，浮点指令18亿条；FPGA板为自主设计，FPGA芯片采用Microsemi公司的ProASIC3系列，采用PQ208类型的封装，这类FPGA芯片具有最高一百万个门电路和最多300个用户可配置I/O，FPGA芯片支持128位片上高级加密标准AES，ProASIC3系列不同型号的FPGA芯片的功能引脚之间有细微差别，FPGA板已对这些差别做了适应性设计；每一个ADC通道采用的ADC芯片为LTC1407A。本专利技术的优点和积极效果：(1)本专利技术为Buck、B本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于DSP+FPGA的电力电子系统的通用控制器，其特征在于：包括一块DSP板、一块或多块可叠加扩展的FPGA板；FPGA板通过两个2×40引脚的并行接口，板至板连接至DSP板，FPGA板位于DSP板上方，并可通过这两个并行接口继续往上叠加扩展更多的FPGA板，也可以通过两个数字信号I/O接口板至板扩展其他功能电路板；DSP板执行数字信号处理和控制算法计算；FPGA板负责生成并输出PWM脉冲驱动控制信号，数字信号的输入/输出，模拟信号的输入/输出，光纤输入/输出，对模拟信号调理和转换，对系统故障进行监测和保护；每一块FPGA板可输出56路PWM脉冲或数字信号，可输出四路模拟信号，有12路光纤输入/输出，可对模拟信号进行调理和转换，可对系统故障进行监测和保护。

【技术特征摘要】
1.一种基于DSP+FPGA的电力电子系统的通用控制器，其特征在于：包括一块DSP板、一块或多块可叠加扩展的FPGA板；FPGA板通过两个2×40引脚的并行接口，板至板连接至DSP板，FPGA板位于DSP板上方，并可通过这两个并行接口继续往上叠加扩展更多的FPGA板，也可以通过两个数字信号I/O接口板至板扩展其他功能电路板；DSP板执行数字信号处理和控制算法计算；FPGA板负责生成并输出PWM脉冲驱动控制信号，数字信号的输入/输出，模拟信号的输入/输出，光纤输入/输出，对模拟信号调理和转换，对系统故障进行监测和保护；每一块FPGA板可输出56路PWM脉冲或数字信号，可输出四路模拟信号，有12路光纤输入/输出，可对模拟信号进行调理和转换，可对系统故障进行监测和保护。2.根据权利要求1所述的一种基于DSP+FPGA的电力电子系统的通用控制器，其特征在于：DSP板采用TI公司的TMDSDSK6713开发板，板上有一个2×40引脚的外设扩展接口(ExternalPeripheralInterface)和一个2×40引脚的外部存储器接口(ExternalMemoryInterface)，DSP芯片通过这两个2×40引脚的并行接口与FPGA芯片进行数据、地址和控制信号通讯。3.根据权利要求1所述的一种基于DSP+FPGA的电力电子系统的通用控制器，其特征在于：FPGA板为自主设计研发，包括一片FPGA芯片、10路ADC通道、两个2×40引脚的并行接口、56路用户可配置的数字I/O、20路模拟输入I/O、四路模拟输出I/O、12个光纤接口和一个LED显示器；每个ADC通道既可采集电流信号也可采集电压信号，每个数字I/O都可以配置为输出PWM脉冲，实现了控制器的通用性，两块或两块以上的FPGA板可以通过两个2×40引脚的并行接口往上叠加，也可以通过两个数字信号I/O接口板至板往上叠加扩展，实现了控制器的通用性和高可扩展性；两个数字信号I/O接口分别为一个2×13引脚的并行接口和一个2×15引脚的并行接口；FPGA电路板对每一路模拟输入I/O设置了硬件保护电路，板上的LED显示器显示当前的故障状态，以供操作人员看到后进行安全操作，只要检测到故障状态，FPGA芯片内的故障监测和保护电路便封锁PWM脉冲信号，并将当前的故障状态返回DSP芯片，DSP芯片根据返回的故障指示信号进行安全决策，实现了控制器的安全操作，另一方面，FPGA芯片自身支持的128位片上高级加密标准AES保证了控制器的信息安全；4.根据权利要求1所述的一种基于DSP+FPGA的电力电子系统的通用控制器，其特征在于：每一种典型或非典型的工作模式的工作机理相同，模拟输入I/O采集电压或电流信号经过ADC通道的调理和转换，变成32位数字信号缓存在FPGA芯片里等待DS...

【专利技术属性】
技术研发人员：王莉娜，张向才，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11