[发明专利]通过FPGA内嵌双口RAM实现高压变频器主控系统的方法

说明书

技术领域

本发明涉及功率单元串联方案实现的高压变频器领域，主要提出一种 由主控芯片(可以是一颗也可以是多颗其他CPU)与一颗用于对各个功率 单元进行监控的FPGA芯片组成的主控系统，来实现高压变频器的核心控制 方案。其中，FPGA一方面作为整个主控系统的单元监控、控制部件而存 在，另一方面还进行部分的实时性很强的逻辑处理，同时还使用内部资源 搭建双口RAM来实现与主控CPU的通讯。

背景技术

随着我国对节能的日益重视，占我国感应电机总功率份额一半以上的 高压电机的节能领域有着越来越广阔的前景。而这类高压电机节能方案中 最为显著的是使用高压变频器进行节能。其不仅可以方便的改变电机的转 速，实现电机的无极调速；还可以大大提升电机的低频转矩特性，改变系 统的机械硬度。并且随着矢量技术的普及，高压变频器能够像控制直流电 机那样精确地控制电机的转速，转矩；在像轧钢等需要大功率以及高精度 的场合同样有着良好的应用场景。

高压变频器方案中一个最主流的分支就是功率单元串联的方案。该方 案采用星形接法的低压功率单元串联，不同的单元之间载波相差180/N度， 从而大大降低了输出电压的谐波，有利于提高电机的寿命、降低对周围环 境的电磁噪音污染；而单元的输入侧使用延边三角形接法实现的移相变压 器，大大降低了输入的电压、电流谐波，降低了对电网的污染。

使用该方案，按照最流行的设计，控制10KV的电机需要8-9级的单元 串联才可以实现。因此系统至少都需要达到能够同时控制3×9＝27个单元的 能力。系统对单元的控制需要很强的实时性，各个单元的动作时间误差需 要能够控制在1微秒之内；同时控制系统又需要尽可能多的获取各个单元 的实际运行状态，以便于系统能够更好的监控单元，了解各个单元的当前 运行状况；另外，还需要迅速的对单元的故障等信息做出反应，以提高系 统的可靠性。

但是CPU作为串行处理芯片，需要串行的执行一条一条的指令来实现 一个一个的处理逻辑。他们可以实现复杂的控制逻辑，但是无法实现微秒 级别同步的多路控制。

目前流行的主控系统的实现方案为控制芯片+多个外围控制单元的方 案。其中每个外围控制单元控制一个功率单元。外围控制单元具备一定的 逻辑处理功能，一般都包括CPU或者CPLD(FPGA)。逻辑上外围控制单元 直接与控制芯片交互。目前方案的缺点有：一是成本高。每个外围控制单 元都由大量的芯片、电路组成，从而成本很高。二是可靠性低。假设每个 外围控制单元的可靠性可以达到99.9％，则27个外围控制单元总体的可靠 性则为：(99.9％)27＝97％，几乎每30台中就有1台有问题。故障率高。 三是同步性差。每个外围单控制元都有自己的处理逻辑，并且每个外围控 制单元都有自己的时钟。所以尽管发给各个单元的控制信号在控制芯片侧 可以做到很好的同步性，但是具体到外围控制单元的处理，则同步性会因 为时钟的差异，当前处理内容的差异而变得很差。四是控制芯片与各个外 围控制单元通讯复杂。如果采用直接通讯的方式，即使每个外围控制单元 占用控制芯片的两个引脚，则总的外围芯片会占用总共有54个引脚。而控 制芯片的处理也会非常复杂。如果控制芯片采用存储扩展的方式，则需要 扩展大量的存储器，一方面增加了成本，另一方面进一步降低了可靠性。 五是主控芯片负担重。由于各个外围控制单元都只是负责自己的单元，对 其他单元无法控制，则其无法处理那些例如故障保护等，需要根据单元反 馈信息而做出的实时性要求高的逻辑处理。如果这部分处理也移交到主控 芯片中进行处理，则大大加重了主控芯片的负担。

发明内容

本发明的目的是克服上述问题，向社会提供一种简洁、可靠、同步性 好的通过FPGA内嵌双口RAM实现高压变频器主控系统的方法，以解决功率 单元串联方案中，主控系统对各个单元的实时同步控制问题。

本发明的技术方案是：提供一种通过FPGA内嵌双口RAM实现高压变频 器主控系统的方法，包括主控芯片和FPGA，在所述FPGA内部集成有对各 个功率单元进行控制的控制模块、对各个功率单元反馈信息的监控模块、 与功率单元实现通讯的通讯模块和与主控芯片进行通讯的双口RAM；

其中：

主控芯片负责提供外接的操作接口，对变频器的整体运行状况进行监 控，以及高压变频的核心控制逻辑；并通过FPGA对各个功率单元实现控制 和监控；