华盛论文咨询网

　　

　　摘要:本文提出了高性能变频传动控制器的设计方案，硬件平台采用DSP控制器、ARM处理器和FPGA等多个核心芯片来构建，给出了控制器的硬件系统结构，详细介绍了控制器上各电路板卡硬件电路的实现。现场应用表明整个控制器运行稳定，可靠性高，可以满足变频调速系统的高性能需求。

　　关键词:变频传动,高性能,控制器,DSP,ARM

　　0引言

　　变频调速系统属于电气节能、环保能源的主体设备，自动化工程的基础设备，在各行业广泛应用。高性能变频调速系统更属于工业、交通、能源、国防等方面的高科技关键设备。高性能指高精度、高响应、高稳定性、高可靠性以及高效能，高性能变频调速系统一直由国外少数厂商封锁技术、长期垄断，中国国内仅仅开始实施工程应用的系统集成，核心的变频调速控制系统一直重复引进采购。

　　高性能变频调速主要应用于冶金轧机(热轧、冷轧)、高铁磁浮牵引调速和工业机器人伺服传动等，高性能变频调速的门槛在于其控制系统，国内仍处于低端水平，因此，有必要系统地研究变频传动控制系统。变频传动系统的结构示意图如图1所示，本文主要介绍控制器设计。

　　1功能需求

　　在钢铁行业中，变频传动技术应用广泛，在钢铁行业特别是处理线上的部分设备对变频传动系统要求很高，相应的对变频传动核心单元控制器的采样精度、响应速度、抗干扰能力及可靠性要求极高;并且在大多数应用场合是没有配备单独的控制柜，直接安装在主回路旁边，对控制器的结构尺寸和抗干扰能力要求很高;此外，应用于钢铁行业的变频传动产品功率规格覆盖范围较广，适合此应用的控制器的接口种类要求较多。

　　为了满足钢铁行业高性能多场合的应用需求，实现高性能变频传动产品的国产化，故所设计的控制器要求性能优越、结构紧凑，接口丰富。

　　2控制器总体结构方案

　　该控制器以高性能变频传动的控制功能为宗旨进行设计开发，是基于数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)和微处理器(ARM)的嵌入式硬件平台开发的，可实现高性能各类型电机调速、高速通用数据采集转换、专用数据的采集及故障信号的处理、通用现场工业总线的通讯以及专用调试接口的开发等功能[1]。

　　该控制器可覆盖各类型电机的控制、可适用于高性能变频器的整流和逆变控制。控制器的结构设计考虑到控制器在变频柜内的空间摆放，控制器安装于金属屏蔽盒内，其结构采用竖直插入式，对外连接端子的布置可以在控制器上方或者侧面;控制器是由多块电路板组成，分别定义为主控板、母板、脉冲宽度调制(PWM)板和选件板，母板上搭载主控板、PWM板与选件板，主控板与母板都是通过并行总线进行通信的。控制器的特点是体积较小，板卡集成度很高，而且对外接口十分丰富，板卡调整灵活，其总体结构如图2所示。

　　(1)主控板:采集母板传输过来的数据信息，实现电机控制算法运算、人机界面通讯、以太网的PC机通讯、过程现场总线(Profibus-DP)通讯、系统管理与调度等功能。

　　(2)母板:实现外部模拟信号的采集和调理，数字信号的采集和隔离，PWM信号输出的隔离和驱动、编码器信号的采集和隔离、电源接口的电磁兼容性EMC防护等功能。

　　(3)选件板:已设计以太网控制自动化技术(EtherCAT)选件板，还可以定制模拟量输出扩展板、模拟量输入扩展板等可选件板，后续根据需求可增加新的选件板类型，可根据现场需求定制。

　　3控制器详细设计方案

　　3.1主控板设计

　　控制器的主控板采用DSP+ARM方案，DSP选用的德州仪器TMS320F28335，ARM选用ST公司的基于ARMCortexTM-M4内核STM32F407。ARM负责信号的采集、处理、通讯与系统调度。TMS320F23335电机控制专用DSP负责电机控制算法的运算、PWM脉冲生成与电机转速检测[2]。2片处理器(CPU)芯片通过IDT公司的高速16bit双口RAM实现数据通讯，主控板通过16bit并行总线接口实现与母板通讯。

　　(1)DSP单元TMS320F28335数字信号处理器是TI公司最新推出的32位浮点DSP控制器，具有成本低，功耗小，性能高，外设集成度更高，数据以及程序存储量更大，模拟AD转换更加精确和快速等特点[3]。

　　主回路的关键模拟信号经过母板上模拟单元调理后，经过FPGA作适当处理后传递给DSP，DSP将采集到的数据经过矢量控制算法计算，得到一个与输入量相对应的PWM信号输出给开关管的驱动电路，同时DSP采样电机侧的速度编码信号完成电机转速检测功能。

　　(2)ARM单元STM32F407提供工作频率为168MHz的高速性能，在168MHz频率下，从Flash存储器执行时，STM32F407的性能频率可达210DMIPS，并且利用意法半导体的ART加速器实现了FLASH零等待状态，还具有符合IEEE1588v2标准要求的以太网MAC10/100。主要功能为采集部分I/O信号和模拟信号，并作适当处理后通过高速双口RAM传递给电机控制专用芯片DSP，还负责主机部分与手操器、现场其他设备的以太网、RS485和工业通用的Profibus-DP通讯，系统管理与调度等。主控板的功能框图，如图3所示。

　　3.2母板设计

　　母板是基于Altera公司CycloneIVE系列的FPGA硬件架构，充分发挥FPGA丰富的逻辑I/O资源、速度快和编程灵活等特点，并采用高精度高分辨率的∑-ΔA/D芯片完成电机调速控制关键模拟信号和用户侧的模拟信号的采样处理，并通过FPGA使用sinC3数字滤波器实现数字信号抽取和故障连锁保护功能，采集精度和响应速度完全能够满足电机控制系统精度及实时性要求。

　　同时母板还负责数字信号的采集和隔离，采用光纤方式传输关键的PWM控制信号。母板的主要接口包括数字量输入/输出接口、模拟量输入/输出接口、PWM接口、编码器接口和电源接口等;同时考虑到控制器接口的灵活性和可扩展性，在母板上预留端子扩展模块接口，用于选件板的灵活配置。母板与主控板之间通过两个间距1.27mm的双排针和双排母座连接，主要实现主控板的STM32与母板并行总线通讯、串行外设接口(SPI)通讯以及控制信号的传输，主控板的DSP与母板的FPGA并行总线通讯、PWM传输、编码器信号传输和数字量输入/输出，另外母板提供5V电源给主控板。

　　(1)模拟输入单元

　　电机调速控制关键模拟信号主要有三相电流，直流母线电压，温度传感器和电机侧电压传感器等10路模拟信号和用户侧的2路模拟信号。将模拟输入信号设计为差分信号，进行差分转单端电路转换后再进入∑-Δ型A/D模拟单元进行处理。使用差分仪表放大器利用其共模抑制(CMR)将需要的信号从噪声中分离出来，模拟信号采样的前端电路使用共模滤波电路，对频率较高的干扰信号有较大的衰减，有效抑制共模信号干扰，加强信号的抗干扰能力[4]。具体的模拟信号采样和调理电路设计如图4所示。

　　(2)∑-△型A/D单元

　　电机调速控制关键模拟信号都采用∑-△型A/D采样变换，∑-△型A/D转换器与传统的A/D转换器不同，它由模拟的∑-△调制器和数字抽取滤波器两部分组成，它不是根据信号的幅度进行量化编码，而是根据前一采样值与后一采样值之差(即所谓的增量)进行量化编码。∑-△调制器以极高的采样频率对输入的模拟信号进行采样，对两个采样值之间的差值进行低位量化(常为1bit)得到∑-△调制码，然后送给数字抽取滤波器进行抽取滤波，从而得到高分辨率的线性脉冲编码的数字信号。

　　∑-△型A/D转换电路选用ADS1204芯片对模拟信号进行∑-△过采样，再把转换好的高速数字比特流信号经过数字隔离后送给FPGA，实现了主回路信号与控制器内部信号的隔离，减少了噪声的传入和对控制器内部数字信号的干扰。∑-△型A/D转换电路如图5所示。

　　(3)故障保护、∑-△A/D采样与接口转换电路单元

　　FPGA负责与母板上∑-△A/D等外设连接，实现对∑-△A/D采样变换的串行数据流实现软件计数功能(采样周期小于等于16μs)、实现整机变频系统的故障采集与连锁保护功能(过流过压阈值可调)、与上位DSP并口通讯、并转串编码、高速串口光纤通讯(主要为发送PWM信号)等功能，功能框图如图6所示。

　　(4)通用模拟信号输出单元主要是用于信号的观测，对模拟信号的输出使用模拟隔离放大器ISO124将内部的模拟信号进行隔离后再输出给外部供用户使用，为用户提供电流或电压输出可以选择的功能，选用了高精度模拟隔离放大器，避免回路电流的干扰，确保信号输出的准确性。

　　(5)通用数字输入和输出单元对数字量输出和数字量输入的接口都使用高速数字光耦器件作为信号隔离的接口器件，实现了现场的数字量信号与控制器内部信号的互相隔离，保证高速数字通讯接口满足抗干扰性强、隔离电压高、高速度，优良的高频特性等要求。

　　3.3其他接口板的设计

　　(1)PWM板负责控制器与主回路之间关键的PWM信号驱动和传输，采用工业光纤连接器(9路光纤)作为PWM传输接口，它的特点是抗干扰能力强，传输距离远。采用光纤方式传输关键的PWM控制信号，大大增强了高电压应用场合的抗干扰性。PWM输出的光纤接口电路如图7所示。

　　(2)EtherCAT选件板设计的从站硬件电路由物理通信接口、从站控制器及其外围设备和电源模块等部分组成。从站控制器ET1100与物理通信端口的连接部分是EtherCAT从站硬件设计最关键部分，此部分是实现主站与从站以及从站与微控制器数据通信中不可或缺的。EtherCAT选件板的功能框图见图8。

　　EtherCAT选件板的工作电源由母板提供;电可擦可编程只读存储器(EEPROM)选用24LC32AISN存储ET1100的配置信息;物理芯片选择的是KSZ8081;RJ45选择的是集成了变压器接头的PulseJack品牌J8064D628ANL。

　　4结束语

　　该控制器采用∑-△型A/D转换器实现模拟信号采样和处理的高分辨率、高精度，动态响应速度快等优点;采用电机控制专用芯片能够充分满足变频系统高技术性能控制模型与算法的运算速度和精度的要求;对模拟量、数字量的输入和输出都在接口电路设计信号隔离，PWM信号采用工业光纤传输，提高了控制器的抗干扰性和稳定性，能够长期稳定和高可靠性的运行于变频传动系统中。控制器已成功地应用于宝钢厂区多个项目中，现场运行表明该控制器可以满足高性能变频调速所需要的高精度、高响应、高稳定性，达到预期的设计目标。

　　参考文献:

　　[1]包艳艳，窦满峰，董鹏.基于DSP的异步电动机变频驱动控制系统设计[J]，微特电机，2014，42(9):93.

　　[2]汪安民，张松灿，等.TMS320C6000DSP实用技术与开发案例[M].北京:人民邮电出版社，2008.

　　[3]纪祥春，乔钢，等.TMS320C6000系列DSP的CPU与外设[M].北京:清华大学出版社，2007.

　　[4]彭俊，刘艳翠.基于DSP控制器的双PWM三相异步电机系统的设计与实现[J]，机电产品开发与创新，2017，30(1):81.