邢云龍，孟秀利，劉志星

(1.南車電氣技術(shù)與材料工程研究院，湖南株洲412001;2.株洲南車機(jī)電科技有限公司，湖南株洲412001)

風(fēng)力發(fā)電需要大功率變流器。風(fēng)電變流器是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電壓幅值、頻率變化的電能轉(zhuǎn)換為恒壓、恒頻的交流電能的裝置，是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)重要部件。變流器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行很重要，它的控制硬件和軟件是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究重點(diǎn)［1－4］?；诖?，本文對(duì)采用 Freescale的DSP56F087芯片并配以功能強(qiáng)大的CPLD芯片作為變流器的控制硬件進(jìn)行分析，并比較了兩種DSP芯片的性能，以說明更換DSP芯片所需要的一些相關(guān)事宜。

1 現(xiàn)有控制硬件介紹

1.1 概述

現(xiàn)有風(fēng)機(jī)變流器的控制硬件主要由4部分組成:DSP板、主控板、IGBT適配板及驅(qū)動(dòng)板。該控制硬件可以滿足雙饋?zhàn)兞髌鞯乃羞\(yùn)算、控制及驅(qū)動(dòng)的硬件需求，具備完善的系統(tǒng)保護(hù)及故障診斷，并提供標(biāo)準(zhǔn)的串行通信和CAN總線通信的接口能力。主要包含以下幾部分電路:算法計(jì)算及邏輯控制電路;模擬信號(hào)調(diào)理及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路;硬件保護(hù)邏輯電路;數(shù)字量輸入輸出電路;IGBT模塊脈沖驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)反饋接口電路;SCI、CAN總線接口電路。其中DSP板是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，是所有控制算法實(shí)現(xiàn)的載體，由2片DSP56F807和1片CPLD XC95288組成嵌入式數(shù)字系統(tǒng)。

1.2 DSP56F807芯片

DSP56F807是freescale公司的56800系列16位定點(diǎn)DSP控制器，它在一個(gè)單片上集成了DSP的數(shù)據(jù)處理能力和微處理器的功能。由于它的功耗低、構(gòu)造靈活、程序內(nèi)核簡潔，因此很好地適用于各種應(yīng)用。56F807集成了120 kB的閃存，包括了16通道的12bitADC轉(zhuǎn)換器;片上還集成了2個(gè)6通道的專用 PWM 模塊和 SCI、SPI、JTAG、eCAN 等標(biāo)準(zhǔn)通信接口，最大可擴(kuò)展32路通用I/O口，有兩個(gè)單獨(dú)的積分解碼器。其頻率最高可達(dá)80 MHz，采用哈佛硬件結(jié)構(gòu)，支持14種尋址模式，每條指令周期可以處理6條指令，支持C/C++語言編程，支持PWM控制電機(jī)。但56F807不支持安全密鑰，軟件容易被破解及讀取，這也是它在實(shí)際應(yīng)用中最大的不足。

1.3 CPLD XC95288芯片

CPLD(復(fù)雜可編程邏輯電路)是一種具有豐富可編程I/O引腳的可編程邏輯器件，具有系統(tǒng)可編程、使用方便靈活、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜時(shí)序邏輯功能的特點(diǎn)，因此往往在DSP芯片外設(shè)不夠的情況運(yùn)用于采集數(shù)據(jù)和處理邏輯等。XC95288是 Xilinx公司XC9500系列的高速CPLD芯片，是一款高性能的可編程邏輯器件。從結(jié)構(gòu)上看，它包含3種單元:宏單元、可編程I/O單元和可編程的內(nèi)部連線。在本文提到的控制硬件中，用一片XC95288即可處理兩片DSP芯片的外圍數(shù)據(jù)交換。CPLD的主要特點(diǎn)有:1)高性能，在所有可編程引腳之間pin－pin延時(shí)6 ns，系統(tǒng)的最大頻率可達(dá)到208 MHz。2)容量范圍大，容量范圍為288個(gè)宏單元，可用系統(tǒng)門為6 400個(gè)，具有5 V和3.3 V的系統(tǒng)可編程能力和強(qiáng)大的強(qiáng)腳鎖定能力，每個(gè)宏單元都有可編程低功耗模式，沒有用的引腳有編程接地能力，支持超過1萬次程序擦寫，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)長超過20 a，ESD防護(hù)電壓超過2 000 V。

2 TMS320F2812芯片介紹

TMS320F2812是TI公司推出的32位定點(diǎn)DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)控制器。TMS320F2812的強(qiáng)大運(yùn)算及數(shù)字信號(hào)處理能力，使其在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)及生產(chǎn)過程控制方面?zhèn)涫荜P(guān)注。它支持PWM控制電機(jī)，能夠控制兩臺(tái)三相電機(jī)，支持JTAG邊界掃描;處理速度快，頻率高達(dá)150 MHz;功耗較低，內(nèi)核1.8 V供電，I/O口3.3 V供電。F2812采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，可提供浮點(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)虛擬浮點(diǎn)運(yùn)算。F2812集成了128KB的Flash存儲(chǔ)器、優(yōu)化的事件管理器和可編程通用計(jì)數(shù)器，包括了16通道的12bitADC轉(zhuǎn)換器，采用統(tǒng)一尋址方式。片上集成了 SCI、SPI、EV、URAT和 eCAN 等標(biāo)準(zhǔn)通信接口。編程使用C/C++語言以及匯編語言，可以和TMS320x/LF240x源代碼兼容，并有128位的安全密鑰，防止系統(tǒng)中的軟件程序被修改或讀取。

3 TMS320F2812與DSP56F807比較

TMS320F2812芯片在性能上優(yōu)于DSP56F807芯片，具體如表1所示。

由表1可見，在運(yùn)算響應(yīng)速度、存儲(chǔ)空間、輸入輸出方面，TMS320F2812都比DSP56F807更優(yōu)，而且TMS320F2812有密碼保護(hù)功能，能有效地避免片內(nèi)代碼的流出，具有很好的商業(yè)保密功能。選用TMS320F2812能為以后硬件再次升級(jí)為更先進(jìn)的TMS320F28335或者其它芯片預(yù)留空間。通過對(duì)比分析可知，TMS320F2812具有DSP56F807所不具備的資源優(yōu)勢(shì)和良好的可擴(kuò)展性，有較高適應(yīng)性和可靠性的片上外設(shè)模塊，且內(nèi)核能夠更快、更有效地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的算法，而且目前該芯片的周邊應(yīng)用軟件、庫函數(shù)等已經(jīng)十分齊全，因此在風(fēng)電變流器控制硬件設(shè)計(jì)中完全可以取代現(xiàn)有的DSP56F807，成為更利于統(tǒng)一的控制硬件核心。

表1 硬件特點(diǎn)比較

DSP56F807采用的是 CodeWarrior編譯工具。CodeWarrior包括構(gòu)建平臺(tái)和應(yīng)用所必需的所有主要工具:IDE、編譯器、調(diào)試器、編輯器、鏈接器等。CodeWarrior IDE借助集成開發(fā)環(huán)境的良好圖形界面，可以完成程序代碼的編寫、編譯、執(zhí)行、調(diào)試等DSP開發(fā)過程中的全部任務(wù)，是目前商用嵌入式系統(tǒng)采用最多的軟件編程工具。

TMS320F2812采用的編譯工具為CCS(Code Composer Studio)，是TI公司針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)TMS320調(diào)試器接口設(shè)計(jì)的集成開發(fā)環(huán)境(Intergrated Development Environment，IDE)。CCS具有強(qiáng)大成熟的核心運(yùn)算能力和簡潔易上手的配置和圖形可視化工具，可以為硬件選型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考，方便程序優(yōu)化設(shè)計(jì)。CCS支持C/C++語言和匯編語言的混合編程，集成了Simulator和Emulator仿真器的驅(qū)動(dòng)程序。CCS內(nèi)部集成了以下軟件工具:DSP代碼生成工具、CCS集成開發(fā)工具、實(shí)時(shí)分析插件DSP/BIOS和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換模塊等。由于CCS具有實(shí)時(shí)、多任務(wù)、可視化、開放式插入架構(gòu)的特點(diǎn)，因此使其成為TI公司DSP設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試、優(yōu)化不可或缺的工具。CCS仿真分為軟件仿真和硬件仿真，一般先進(jìn)行軟件仿真。

4 軟、硬件移植

風(fēng)機(jī)變流器機(jī)側(cè)控制框圖和網(wǎng)側(cè)控制原理如圖1、圖2所示。

由于兩個(gè)DSP芯片均采用C語言進(jìn)行編程，因此只需將代碼從CodeWarrior中按照格式要求移植至CCS，修改相關(guān) I/O口的地址，重新編碼設(shè)計(jì)PWM波的生成即可。

圖1 機(jī)側(cè)控制框圖

圖2 網(wǎng)側(cè)控制框圖

TMS320F2812和DSP56F807的硬件封裝相差不大，因此先采用的BGA的DSP56F807尺寸完全可以容納 BGA的TMS320F2812，僅需修改與 DSP接口的相關(guān)引線，PCB設(shè)計(jì)無需大改?，F(xiàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)計(jì)，通過在實(shí)驗(yàn)室對(duì)硬件調(diào)試表明，硬件運(yùn)行正常，具備批量裝機(jī)條件。

5 結(jié)語

通過對(duì)比TMS320F2812和DSP56F807的性能與相關(guān)硬件構(gòu)造等，說明了TI系列的DSP芯片優(yōu)于Freescale系列的DSP芯片，更適用于風(fēng)機(jī)變流器的控制。TI系列的DSP芯片現(xiàn)已開發(fā)出基于TMS320F2812的遠(yuǎn)程程序可行手段，所以更利于風(fēng)電現(xiàn)場的應(yīng)用。

［1］李建林，許洪華.風(fēng)力發(fā)電中的電力電子變流技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］蘇奎峰，呂強(qiáng)，耿慶峰，等.TMS320F2812原理與開發(fā)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［3］李明，程耕國，肖琴，等.DSP在風(fēng)力發(fā)電空載并網(wǎng)技術(shù)上的應(yīng)用［J］.信息技術(shù)，2011(8):198－204.

［4］劉憾宇，佘岳，胡凱凱.基于TMS320F2812的以太網(wǎng)－CAN網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程程序下載的實(shí)現(xiàn)［J］.大功率變流技術(shù)，2009(2):31－34.