苑令華　譚光韌　齊廣超

【摘 要】針對(duì)多臺(tái)拖動(dòng)系統(tǒng)共同拖動(dòng)一臺(tái)負(fù)載的時(shí)出現(xiàn)功率不平衡的問(wèn)題，本文介紹了一種帶有多機(jī)功率平衡功能的變頻控制系統(tǒng)。并詳細(xì)介紹了FPGA在該系統(tǒng)中的應(yīng)用。

【關(guān)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(chǎng)應(yīng)用中有許多多臺(tái)拖動(dòng)系統(tǒng)共同拖動(dòng)一臺(tái)負(fù)載的場(chǎng)合，經(jīng)常出現(xiàn)多臺(tái)拖動(dòng)系統(tǒng)難以均衡出力，一臺(tái)設(shè)備輕載甚至處于發(fā)電狀態(tài)，而其他設(shè)備過(guò)載的狀況。

多機(jī)功率平衡的變頻控制系統(tǒng)是解決上述問(wèn)題的重要方法。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)。

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(tái)變頻器分別與上級(jí)和下級(jí)變頻器通訊，傳遞運(yùn)行參數(shù)。

N臺(tái)共同拖動(dòng)同一負(fù)載的變頻器通過(guò)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(jiàn)圖1。

功率平衡功能按如下方式實(shí)現(xiàn)：

各機(jī)通訊單元將起停信號(hào)、頻率給定等控制信號(hào)，各臺(tái)變頻器力矩電流（有功功率）、當(dāng)前頻率等變量發(fā)送給本機(jī)主控單元，由主控單元綜合處理。根據(jù)其他各臺(tái)變頻器的當(dāng)前頻率、輸出力矩電流大小，以及本機(jī)當(dāng)前頻率、輸出力矩電流大小來(lái)判定下一載波周期輸出頻率；生成載波周期、導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)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(guò)控制各臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速的差別來(lái)動(dòng)態(tài)控制各臺(tái)間功率分配均衡，保證多臺(tái)電機(jī)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(jī)交互單元、主控單元、FPGA單元組成。如圖2所示：

（1）人機(jī)交互單元：人機(jī)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(xiàng)參數(shù)。同時(shí)，DSP采集到的系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)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(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的流程控制。向上，與人機(jī)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(qū)動(dòng)及檢測(cè)單元、光纖通訊單元。驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)單元由功率模塊驅(qū)動(dòng)電路、電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)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(shí)現(xiàn)多機(jī)功率平衡的關(guān)鍵。

3 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)FPGA要實(shí)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(yùn)行中的各種參數(shù)反饋給DSP。同時(shí)FPGA接收計(jì)算波形所需要的開(kāi)關(guān)周期、開(kāi)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間和正負(fù)半周標(biāo)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(jì)算出開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，加入合適的死區(qū)時(shí)間，產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的PWM脈沖波形。

3.3 數(shù)據(jù)采集及處理模塊

FPGA通過(guò)SPI通訊從AD轉(zhuǎn)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(jìn)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(tái)設(shè)備的通訊數(shù)據(jù)，第二路通訊接收電路接收下一臺(tái)設(shè)備的通訊數(shù)據(jù)。第一路通訊發(fā)送電路將本臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送給上一臺(tái)設(shè)備，第二路通訊發(fā)送電路將本臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送給下一臺(tái)設(shè)備。這樣，所有連接的設(shè)備就組成了環(huán)網(wǎng)。通訊模塊程序主要實(shí)現(xiàn)以下功能及實(shí)現(xiàn)方法：

3.4.1 待發(fā)送數(shù)據(jù)的打包處理：FPGA對(duì)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(gè)數(shù)據(jù)。當(dāng)關(guān)鍵指令或數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，指針會(huì)優(yōu)先指向該指令或數(shù)據(jù)，以保證關(guān)鍵指令或數(shù)據(jù)得到及時(shí)發(fā)送。當(dāng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)或指令未發(fā)生變化是，指針會(huì)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(cè)接收到的數(shù)，當(dāng)檢測(cè)到起始位0時(shí)，開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。2）接收完一個(gè)數(shù)據(jù)后，如果奇偶校驗(yàn)為錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)判斷該數(shù)據(jù)接收錯(cuò)誤 3）當(dāng)接收模塊在一定時(shí)間t內(nèi)，未接收到新數(shù)據(jù)，系統(tǒng)回報(bào)接收超時(shí)故障。4）系統(tǒng)上電檢測(cè)，當(dāng)接收模塊在上電時(shí)未接收到數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)報(bào)光纖斷開(kāi)故障。

4 結(jié)語(yǔ)

本文描述了一種帶有多機(jī)功率平衡的變頻控制系統(tǒng)，并詳細(xì)描述了FPGA在該系統(tǒng)中的應(yīng)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(diǎn)。同時(shí)基于FPGA的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有良好的應(yīng)用擴(kuò)展性，在將來(lái)的變頻調(diào)速系統(tǒng)中會(huì)有很好的應(yīng)用前景。

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[責(zé)任編輯：李書(shū)培]