FPGA在多机功率平衡的变频控制系统中的应用

苑令华　谭光韧　齐广超

【摘 要】针对多台拖动系统共同拖动一台负载的时出现功率不平衡的问题，本文介绍了一种带有多机功率平衡功能的变频控制系统。并详细介绍了FPGA在该系统中的应用。

【关键词】功率平衡；变频控制；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，现场应用中有许多多台拖动系统共同拖动一台负载的场合，经常出现多台拖动系统难以均衡出力，一台设备轻载甚至处于发电状态，而其他设备过载的状况。

多机功率平衡的变频控制系统是解决上述问题的重要方法。在该系统设计中，利用了 FPGA具有集成度高，处理速度快、效率高、丰富的逻辑模块和I/O口的优点。

1 工作原理

在该系统中，增加了通讯单元，可组成环网通讯。各台变频器分别与上级和下级变频器通讯，传递运行参数。

N台共同拖动同一负载的变频器通过光线通讯单元组成双环网，以N=4为例，给出通讯连接图见图1。

功率平衡功能按如下方式实现：

各机通讯单元将起停信号、频率给定等控制信号，各台变频器力矩电流（有功功率）、当前频率等变量发送给本机主控单元，由主控单元综合处理。根据其他各台变频器的当前频率、输出力矩电流大小，以及本机当前频率、输出力矩电流大小来判定下一载波周期输出频率；生成载波周期、导通时长等波形信息发给PWM发波单元。

PWM发波单元将波形信息处理为PWM波形发送给功率模块，通过控制各台电机转速的差别来动态控制各台间功率分配均衡，保证多台电机输出力矩电流相同。

2 系统组成

本变频控制系统，由人机交互单元、主控单元、FPGA单元组成。如图2所示：

（1）人机交互单元：人机交互单元为触摸屏，触摸屏发送给DSP数据为该系统的各项参数。同时，DSP采集到的系统各项运行数据，在触摸屏界面显现。

（2）主控单元：主控单元为DSP，负责整个系统的流程控制。向上，与人机交互单元通讯；向下，DSP向FPGA发送各类控制指令。

（3）FPGA单元：FPGA单元包括PWM发波单元、驱动及检测单元、光纤通讯单元。驱动及检测单元由功率模块驱动电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路组成。光线通讯单元由两路光线输入电路R1、R2，两路光线输出电路T1、T2组成。通讯单元，可组成环网通讯，是实现多机功率平衡的关键。

3 程序设计

根据FPGA要实现的功能将FPGA程序分为与DSP通讯模块、PWM波形产生模块、数据采集及处理模块和通讯模块。

3.1 与DSP通讯模块

FPGA将变频器运行中的各种参数反馈给DSP。同时FPGA接收计算波形所需要的开关周期、开通时间、关断时间和正负半周标志位等参数。

3.2 PWM波形产生模块

PWM波形产生模块根据接收到的DSP发送的波形参数，计算出开通时间和关断时间，加入合适的死区时间，产生相对应的PWM脉冲波形。

3.3 数据采集及处理模块

FPGA通过SPI通讯从AD转换芯片TLV1548取得代表直流母线电压、输出电压有效值、输出电流有效值、散热器温度的数字量，进行编码之后发送给主控。

3.4 通讯模块

通讯模块包括两路接收和两路输出，第一路通讯接收电路接收上一台设备的通讯数据，第二路通讯接收电路接收下一台设备的通讯数据。第一路通讯发送电路将本台设备数据发送给上一台设备，第二路通讯发送电路将本台设备数据发送给下一台设备。这样，所有连接的设备就组成了环网。通讯模块程序主要实现以下功能及实现方法：

3.4.1 待发送数据的打包处理：FPGA对将要发送的数据处理以符合自定义的通讯协议。

3.4.2 发送数据：FPGA程序中自定义了发送数据指针，该指针决定了将要发送哪个数据。当关键指令或数据发生变化时，指针会优先指向该指令或数据，以保证关键指令或数据得到及时发送。当关键数据或指令未发生变化是，指针会自加1，依次发送FPGA已打包处理好的数据。

3.4.3 接收数据：1）接收模块不断检测接收到的数，当检测到起始位0时，开始接收数据。2）接收完一个数据后，如果奇偶校验为错误，系统会判断该数据接收错误 3）当接收模块在一定时间t内，未接收到新数据，系统回报接收超时故障。4）系统上电检测，当接收模块在上电时未接收到数据，系统会报光纤断开故障。

4 结语

本文描述了一种带有多机功率平衡的变频控制系统，并详细描述了FPGA在该系统中的应用。在该系统中充分利用了FPGA并行执行的处理速度快、效率高的优点。同时基于FPGA的控制系统结构具有良好的应用扩展性，在将来的变频调速系统中会有很好的应用前景。

【参考文献】

[1]王仲根，欧阳名三，聂文艳.基于DSP的带式输送机多机功率平衡控制器研究[J].煤矿机械，2006，27（4）：654-656.

[2]赖成毅.FPGA在高压变频器控制系统中的应用[J].东方电气评论，2007，21（1）：57-60.

[3]祝杰，陈国金，王万强.FPGA在变频器控制系统中的应用[J].机电工程，2006，22（04）：22-26.

[责任编辑：李书培]