基于基于DSP+FPGA+CPLD的电力电子设备通用控制器的电力电子设备通用控制器
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。
0 引言引言
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 系统硬件设计方案系统硬件设计方案
2.1 系统主要器件选型系统主要器件选型