基于不同DSP芯片的風機變流器控制硬件設計

邢云龍，孟秀利，劉志星

(1.南車電氣技術與材料工程研究院，湖南株洲412001;2.株洲南車機電科技有限公司，湖南株洲412001)

風力發電需要大功率變流器。風電變流器是將風力發電機輸出的電壓幅值、頻率變化的電能轉換為恒壓、恒頻的交流電能的裝置，是風力發電系統中的一個重要部件。變流器對整個系統的穩定高效運行很重要，它的控制硬件和軟件是風力發電技術的研究重點［1－4］。基于此，本文對采用 Freescale的DSP56F087芯片并配以功能強大的CPLD芯片作為變流器的控制硬件進行分析，并比較了兩種DSP芯片的性能，以說明更換DSP芯片所需要的一些相關事宜。

1 現有控制硬件介紹

1.1 概述

現有風機變流器的控制硬件主要由4部分組成:DSP板、主控板、IGBT適配板及驅動板。該控制硬件可以滿足雙饋變流器的所有運算、控制及驅動的硬件需求，具備完善的系統保護及故障診斷，并提供標準的串行通信和CAN總線通信的接口能力。主要包含以下幾部分電路:算法計算及邏輯控制電路;模擬信號調理及模數轉換電路;硬件保護邏輯電路;數字量輸入輸出電路;IGBT模塊脈沖驅動及狀態反饋接口電路;SCI、CAN總線接口電路。其中DSP板是整個控制系統的核心，是所有控制算法實現的載體，由2片DSP56F807和1片CPLD XC95288組成嵌入式數字系統。

1.2 DSP56F807芯片

DSP56F807是freescale公司的56800系列16位定點DSP控制器，它在一個單片上集成了DSP的數據處理能力和微處理器的功能。由于它的功耗低、構造靈活、程序內核簡潔，因此很好地適用于各種應用。56F807集成了120 kB的閃存，包括了16通道的12bitADC轉換器;片上還集成了2個6通道的專用 PWM 模塊和 SCI、SPI、JTAG、eCAN 等標準通信接口，最大可擴展32路通用I/O口，有兩個單獨的積分解碼器。其頻率最高可達80 MHz，采用哈佛硬件結構，支持14種尋址模式，每條指令周期可以處理6條指令，支持C/C++語言編程，支持PWM控制電機。但56F807不支持安全密鑰，軟件容易被破解及讀取，這也是它在實際應用中最大的不足。

1.3 CPLD XC95288芯片

CPLD(復雜可編程邏輯電路)是一種具有豐富可編程I/O引腳的可編程邏輯器件，具有系統可編程、使用方便靈活、可實現復雜時序邏輯功能的特點，因此往往在DSP芯片外設不夠的情況運用于采集數據和處理邏輯等。XC95288是 Xilinx公司XC9500系列的高速CPLD芯片，是一款高性能的可編程邏輯器件。從結構上看，它包含3種單元:宏單元、可編程I/O單元和可編程的內部連線。在本文提到的控制硬件中，用一片XC95288即可處理兩片DSP芯片的外圍數據交換。CPLD的主要特點有:1)高性能，在所有可編程引腳之間pin－pin延時6 ns，系統的最大頻率可達到208 MHz。2)容量范圍大，容量范圍為288個宏單元，可用系統門為6 400個，具有5 V和3.3 V的系統可編程能力和強大的強腳鎖定能力，每個宏單元都有可編程低功耗模式，沒有用的引腳有編程接地能力，支持超過1萬次程序擦寫，數據存儲時長超過20 a，ESD防護電壓超過2 000 V。

2 TMS320F2812芯片介紹

TMS320F2812是TI公司推出的32位定點DSP(數字信號處理器)控制器。TMS320F2812的強大運算及數字信號處理能力，使其在運動控制系統開發及生產過程控制方面備受關注。它支持PWM控制電機，能夠控制兩臺三相電機，支持JTAG邊界掃描;處理速度快，頻率高達150 MHz;功耗較低，內核1.8 V供電，I/O口3.3 V供電。F2812采用高性能的靜態CMOS技術，可提供浮點數學函數庫，實現虛擬浮點運算。F2812集成了128KB的Flash存儲器、優化的事件管理器和可編程通用計數器，包括了16通道的12bitADC轉換器，采用統一尋址方式。片上集成了 SCI、SPI、EV、URAT和 eCAN 等標準通信接口。編程使用C/C++語言以及匯編語言，可以和TMS320x/LF240x源代碼兼容，并有128位的安全密鑰，防止系統中的軟件程序被修改或讀取。

3 TMS320F2812與DSP56F807比較

TMS320F2812芯片在性能上優于DSP56F807芯片，具體如表1所示。

由表1可見，在運算響應速度、存儲空間、輸入輸出方面，TMS320F2812都比DSP56F807更優，而且TMS320F2812有密碼保護功能，能有效地避免片內代碼的流出，具有很好的商業保密功能。選用TMS320F2812能為以后硬件再次升級為更先進的TMS320F28335或者其它芯片預留空間。通過對比分析可知，TMS320F2812具有DSP56F807所不具備的資源優勢和良好的可擴展性，有較高適應性和可靠性的片上外設模塊，且內核能夠更快、更有效地實現各種復雜的算法，而且目前該芯片的周邊應用軟件、庫函數等已經十分齊全，因此在風電變流器控制硬件設計中完全可以取代現有的DSP56F807，成為更利于統一的控制硬件核心。

表1 硬件特點比較

DSP56F807采用的是 CodeWarrior編譯工具。CodeWarrior包括構建平臺和應用所必需的所有主要工具:IDE、編譯器、調試器、編輯器、鏈接器等。CodeWarrior IDE借助集成開發環境的良好圖形界面，可以完成程序代碼的編寫、編譯、執行、調試等DSP開發過程中的全部任務，是目前商用嵌入式系統采用最多的軟件編程工具。

TMS320F2812采用的編譯工具為CCS(Code Composer Studio)，是TI公司針對標準TMS320調試器接口設計的集成開發環境(Intergrated Development Environment，IDE)。CCS具有強大成熟的核心運算能力和簡潔易上手的配置和圖形可視化工具，可以為硬件選型、系統設計提供參考，方便程序優化設計。CCS支持C/C++語言和匯編語言的混合編程，集成了Simulator和Emulator仿真器的驅動程序。CCS內部集成了以下軟件工具:DSP代碼生成工具、CCS集成開發工具、實時分析插件DSP/BIOS和實時數據交換模塊等。由于CCS具有實時、多任務、可視化、開放式插入架構的特點，因此使其成為TI公司DSP設計、開發、調試、優化不可或缺的工具。CCS仿真分為軟件仿真和硬件仿真，一般先進行軟件仿真。

4 軟、硬件移植

風機變流器機側控制框圖和網側控制原理如圖1、圖2所示。

由于兩個DSP芯片均采用C語言進行編程，因此只需將代碼從CodeWarrior中按照格式要求移植至CCS，修改相關 I/O口的地址，重新編碼設計PWM波的生成即可。

圖1 機側控制框圖

圖2 網側控制框圖

TMS320F2812和DSP56F807的硬件封裝相差不大，因此先采用的BGA的DSP56F807尺寸完全可以容納 BGA的TMS320F2812，僅需修改與 DSP接口的相關引線，PCB設計無需大改。現已經實現了硬件設計，通過在實驗室對硬件調試表明，硬件運行正常，具備批量裝機條件。

5 結語

通過對比TMS320F2812和DSP56F807的性能與相關硬件構造等，說明了TI系列的DSP芯片優于Freescale系列的DSP芯片，更適用于風機變流器的控制。TI系列的DSP芯片現已開發出基于TMS320F2812的遠程程序可行手段，所以更利于風電現場的應用。

［1］李建林，許洪華.風力發電中的電力電子變流技術［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［2］蘇奎峰，呂強，耿慶峰，等.TMS320F2812原理與開發［M］.北京:電子工業出版社，2005.

［3］李明，程耕國，肖琴，等.DSP在風力發電空載并網技術上的應用［J］.信息技術，2011(8):198－204.

［4］劉憾宇，佘岳，胡凱凱.基于TMS320F2812的以太網－CAN網絡遠程程序下載的實現［J］.大功率變流技術，2009(2):31－34.