基于可编程逻辑器件CPLD实现中压变频系统的设计

1、 引言：

中压变频系统要求产生与分配多路SPWM脉冲，控制实时性要求较高，应用软件功能复杂，另外还需要控制多路A/D、D/A转换以及与上位机进行串口通讯输出控制等外围器件工作，即使性能最好的单片DSP也难以满足要求，而片外专用处理器引脚I/O口有限，如果用多片DSP协同工作，都需要与DSP交换数据，这必然会大量消耗DSP时间资源，受高精度与实时性要求限制，很难满足要求。相反用CPLD（复杂可编程逻辑器件）进行I/O扩展，其设计乃至仿真调试都非常方便。

2、CPLD功能总体设计

变频控制器中核心器件由四部分组成，一个DSP、一个I/O扩展CPLD、一个核心CPLD、18个脉冲形成CPLD、6个故障诊断CPLD，如图所示。

其中DSP主要依据控制要求完成调节运算产生脉宽信号、频率信号和数据存取、数据传输、系统保护动作与报警功能，限于篇幅这里主要讲述脉冲形成CPLD的功能。

脉冲形成CPLD有3个功能：分别接受DSP分时段输出的脉宽信号与相位信号，产生SPWM脉冲；产生调制脉冲控制IGBT导通相位信号；经过调制后产生的脉冲信号分两路输出，一路按照三相分时传送到下层IGBT驱动CPLD，另一路将调制后的三相信号传送到故障诊断CPLD；封锁脉冲输出。

3、硬件选型设计

根据触发时序、脉冲分配与收发、设备故障诊断的要求，在硬件设计中选用本控制器CY37128P84 13片作为核心CPLD01、脉冲形成CPLD111—CPLD161、故障诊断CPLD121—CPLD126，18片CY37064P44作为的IGBT驱动CPLD201-CPLD218系列CPLD产品，该系列芯片内的组件门数高，电路信号延迟小，开发工具完备，可以容许多次重新擦除和烧录，可以协助完成电路的合成与仿真和自动对电路进行优化，缩短设计研发周期。硬件接线如下图所示：

图2 XK-GB06/3 中压变频控制器硬件接线图

其中，XRESET复位信号，AB作为地址线，DB为数据线，K为设备装置编址，GN为叠加脉冲串常数，GI为CPLD芯片选通信号，F20M时钟输入信号，EI0为Ts中断信号，EI1为故障中断信号，PWM1AA、PWM1AB分别为A相交流电前、后半周期触发脉冲，PWM1BA、PWM1BB分别为B相前后半周触发脉冲，PWM1CA、PWM1CB分别为C相交流电前、后半周期触发脉冲，WRP写脉宽控制信号，RDP 为读脉冲信号，FK是故障信号传输信道，XF0为脉冲封锁信号。

4、软件开发

本装置CPLD控制软件开发分为四部分，限于篇幅只介绍SPWM脉宽形成CPLD软件。

SPWM形成CPLD应用软件，共有四个流程，它们分别为加减法计数装载，脉宽数据装入，调制脉冲输出与封锁，以下为其主要程序流程。

Gi为组计数器，从2开始加计数，2、3、…N+1周期结束，重新开始一个新周期，组编号为Gs（1、……、Gn）

Gn组PWM输出，周期为Ts＝2×Gn×Tn 总组设为Gn=6

当Ti减到0，下一个时钟的上升沿Ti重装为Tn，不间断循环减计数

设置一个半周期加计数器Tc，以便各组产生对称的PWM三角波

复位后Tc＝1000B，避免第Gs组脉宽可逆计数器重装前，可逆计数器计数方向改变

设置循环条件：Ti＝0 并且 Gi＝2×Gs＋1时，Tc置为00001B

如果 Ti＝0，加1：

如果Tc＝Gn 并且 Ti＝0，第Gs组脉宽可逆计数器保持不变，使其由减计数器变成加计数器，Gi／2＝Gs，Gs＝0时，Gi＝2×Gn 或 1，即Gi／2＝Gn 或 0 第Gs组脉宽可逆计数器PWIA、PWIB、PWIC重装的条件为：Ti＝0 并--且 Gi＝2×Gs＋1，第Gs组脉宽可逆计数器PWIA、PWIB、PWIC保持的条件为：Ti＝0 并--且 Tc＝Gn， 可逆计数器加／减计数的控制up_dn，up_dn＝‘0’表示减计数，up_dn＝‘1’为加法记数。

复位后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） 输出脉冲

否则 如果GI（3 downto 1）=GS 输出脉冲，GI（3 downto 1）《》GS禁止脉冲输出。

5、CPLD在高压变频控制器的应用

如下图所示，即在CPLD控制的电机负载下运行的电压波形。很明显在频率较低时，单元串联中压变频器输出电压波形的正弦性都不好，高次谐波丰富，而在频率升高时接近正弦波。通过实验证明，工作频率在5—50Hz间系统可以很好地稳定运行。

6、结论

可编程逻辑器件CPLD用于脉冲产生、分配、定时中断等协调工作，能够满足使用要求，经过单元串联中压变频器在实验室空载、负载运行的情况表明，软硬件方面都达到了设计要求，可以安全、稳定地长期运行。

本文作者创新点：

（1） 用CPLD产生PWM脉冲与对传输的脉冲数据链路进行故障诊断。

（2） 用CPLD作为DA转换、AD转换以及ST16552通讯芯片的控制器和扩展通讯端口。

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