基于可編程邏輯器件CPLD實現(xiàn)中壓變頻系統(tǒng)的設(shè)計

1、 引言：

中壓變頻系統(tǒng)要求產(chǎn)生與分配多路SPWM脈沖，控制實時性要求較高，應(yīng)用軟件功能復(fù)雜，另外還需要控制多路A/D、D/A轉(zhuǎn)換以及與上位機(jī)進(jìn)行串口通訊輸出控制等外圍器件工作，即使性能最好的單片DSP也難以滿足要求，而片外專用處理器引腳I/O口有限，如果用多片DSP協(xié)同工作，都需要與DSP交換數(shù)據(jù)，這必然會大量消耗DSP時間資源，受高精度與實時性要求限制，很難滿足要求。相反用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）進(jìn)行I/O擴(kuò)展，其設(shè)計乃至仿真調(diào)試都非常方便。

2、CPLD功能總體設(shè)計

變頻控制器中核心器件由四部分組成，一個DSP、一個I/O擴(kuò)展CPLD、一個核心CPLD、18個脈沖形成CPLD、6個故障診斷CPLD，如圖所示。

其中DSP主要依據(jù)控制要求完成調(diào)節(jié)運算產(chǎn)生脈寬信號、頻率信號和數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)保護(hù)動作與報警功能，限于篇幅這里主要講述脈沖形成CPLD的功能。

脈沖形成CPLD有3個功能：分別接受DSP分時段輸出的脈寬信號與相位信號，產(chǎn)生SPWM脈沖；產(chǎn)生調(diào)制脈沖控制IGBT導(dǎo)通相位信號；經(jīng)過調(diào)制后產(chǎn)生的脈沖信號分兩路輸出，一路按照三相分時傳送到下層IGBT驅(qū)動CPLD，另一路將調(diào)制后的三相信號傳送到故障診斷CPLD；封鎖脈沖輸出。

3、硬件選型設(shè)計

根據(jù)觸發(fā)時序、脈沖分配與收發(fā)、設(shè)備故障診斷的要求，在硬件設(shè)計中選用本控制器CY37128P84 13片作為核心CPLD01、脈沖形成CPLD111—CPLD161、故障診斷CPLD121—CPLD126，18片CY37064P44作為的IGBT驅(qū)動CPLD201-CPLD218系列CPLD產(chǎn)品，該系列芯片內(nèi)的組件門數(shù)高，電路信號延遲小，開發(fā)工具完備，可以容許多次重新擦除和燒錄，可以協(xié)助完成電路的合成與仿真和自動對電路進(jìn)行優(yōu)化，縮短設(shè)計研發(fā)周期。硬件接線如下圖所示：

圖2 XK-GB06/3 中壓變頻控制器硬件接線圖

其中，XRESET復(fù)位信號，AB作為地址線，DB為數(shù)據(jù)線，K為設(shè)備裝置編址，GN為疊加脈沖串常數(shù)，GI為CPLD芯片選通信號，F(xiàn)20M時鐘輸入信號，EI0為Ts中斷信號，EI1為故障中斷信號，PWM1AA、PWM1AB分別為A相交流電前、后半周期觸發(fā)脈沖，PWM1BA、PWM1BB分別為B相前后半周觸發(fā)脈沖，PWM1CA、PWM1CB分別為C相交流電前、后半周期觸發(fā)脈沖，WRP寫脈寬控制信號，RDP 為讀脈沖信號，F(xiàn)K是故障信號傳輸信道，XF0為脈沖封鎖信號。

4、軟件開發(fā)

本裝置CPLD控制軟件開發(fā)分為四部分，限于篇幅只介紹SPWM脈寬形成CPLD軟件。

SPWM形成CPLD應(yīng)用軟件，共有四個流程，它們分別為加減法計數(shù)裝載，脈寬數(shù)據(jù)裝入，調(diào)制脈沖輸出與封鎖，以下為其主要程序流程。

Gi為組計數(shù)器，從2開始加計數(shù)，2、3、…N+1周期結(jié)束，重新開始一個新周期，組編號為Gs（1、……、Gn）

Gn組PWM輸出，周期為Ts＝2×Gn×Tn 總組設(shè)為Gn=6

當(dāng)Ti減到0，下一個時鐘的上升沿Ti重裝為Tn，不間斷循環(huán)減計數(shù)

設(shè)置一個半周期加計數(shù)器Tc，以便各組產(chǎn)生對稱的PWM三角波

復(fù)位后Tc＝1000B，避免第Gs組脈寬可逆計數(shù)器重裝前，可逆計數(shù)器計數(shù)方向改變

設(shè)置循環(huán)條件：Ti＝0 并且 Gi＝2×Gs＋1時，Tc置為00001B

如果 Ti＝0，加1：

如果Tc＝Gn 并且 Ti＝0，第Gs組脈寬可逆計數(shù)器保持不變，使其由減計數(shù)器變成加計數(shù)器，Gi／2＝Gs，Gs＝0時，Gi＝2×Gn 或 1，即Gi／2＝Gn 或 0 第Gs組脈寬可逆計數(shù)器PWIA、PWIB、PWIC重裝的條件為：Ti＝0 并--且 Gi＝2×Gs＋1，第Gs組脈寬可逆計數(shù)器PWIA、PWIB、PWIC保持的條件為：Ti＝0 并--且 Tc＝Gn， 可逆計數(shù)器加／減計數(shù)的控制up_dn，up_dn＝‘0’表示減計數(shù)，up_dn＝‘1’為加法記數(shù)。

復(fù)位后up_dn＝‘0’，

Ti＝0 并且 Gi＝2×Gs＋1， up_dn清‘0’

Ti＝0 并且 Tc＝Gn ，up_dn置‘1’

如果 GS=b“000” 且GI（3 downto 1）=b“000” or GI（3 downto 1）=gn） 輸出脈沖

否則 如果GI（3 downto 1）=GS 輸出脈沖，GI（3 downto 1）《》GS禁止脈沖輸出。

5、CPLD在高壓變頻控制器的應(yīng)用

如下圖所示，即在CPLD控制的電機(jī)負(fù)載下運行的電壓波形。很明顯在頻率較低時，單元串聯(lián)中壓變頻器輸出電壓波形的正弦性都不好，高次諧波豐富，而在頻率升高時接近正弦波。通過實驗證明，工作頻率在5—50Hz間系統(tǒng)可以很好地穩(wěn)定運行。

6、結(jié)論

可編程邏輯器件CPLD用于脈沖產(chǎn)生、分配、定時中斷等協(xié)調(diào)工作，能夠滿足使用要求，經(jīng)過單元串聯(lián)中壓變頻器在實驗室空載、負(fù)載運行的情況表明，軟硬件方面都達(dá)到了設(shè)計要求，可以安全、穩(wěn)定地長期運行。

本文作者創(chuàng)新點：

（1） 用CPLD產(chǎn)生PWM脈沖與對傳輸?shù)拿}沖數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行故障診斷。

（2） 用CPLD作為DA轉(zhuǎn)換、AD轉(zhuǎn)換以及ST16552通訊芯片的控制器和擴(kuò)展通訊端口。

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