專利名稱：一種基于fpga的同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種基于FPGA的同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
早期的同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁裝置采用電阻、電容和晶體管等組成的模擬電路構(gòu)成控制系統(tǒng)，其性能取決于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、材料和制作工藝，且參數(shù)整定繁瑣。由于采用了大量的模擬元件，系統(tǒng)穩(wěn)定性較低，且易受環(huán)境溫度影響，同時(shí)也增大了檢查和排除故障的難度。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和微機(jī)技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中的廣泛應(yīng)用，基于PLC和單片機(jī)的全數(shù)字同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁裝置應(yīng)運(yùn)而生。這些裝置大多采用PLC模塊作為主控單元， 輔以單片機(jī)為核心的控制電路作為執(zhí)行裝置和故障監(jiān)測(cè)單元，大大提高了勵(lì)磁裝置的穩(wěn)定性。但是由于單片機(jī)所構(gòu)成的系統(tǒng)由較多的元器件組成，易受環(huán)境干擾，易出現(xiàn)程序跑飛的情況，使得控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性難以進(jìn)一步提升。另外，以PLC作為主控單元，也不可避免地提高了勵(lì)磁裝置的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服上述技術(shù)的缺陷，目的是提供一種低成本、高穩(wěn)定性和高集成度的勵(lì)磁控制裝置。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是該系統(tǒng)包括電源模塊、同步電路模塊、串口通信模塊、整流橋模塊、勵(lì)磁控制器、滅磁回路模塊、轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊、分流器、 A/D采樣模塊、電壓互感器、故障檢測(cè)及保護(hù)模塊和電流互感器。勵(lì)磁控制器與同步電路模塊、串口通信模塊、整流橋模塊、滅磁回路模塊、轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊、A/D采樣模塊和故障檢測(cè)及保護(hù)模塊分別連接；電源模塊與同步電路模塊、串口通信模塊、整流橋模塊、勵(lì)磁控制器、滅磁回路模塊、轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊、A/D采樣模塊和故障檢測(cè)及保護(hù)模塊分別連接；串口通信模塊外接上位機(jī)；同步電動(dòng)機(jī)、電源模塊、整流橋模塊和故障檢測(cè)及保護(hù)模塊分別外接三相交流電源；整流橋模塊、滅磁回路模塊和轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊經(jīng)過分流器與同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子端連接；分流器與A/D采樣模塊連接；電壓互感器的原邊和電流互感器的原邊連接在定子斷路器與同步電動(dòng)機(jī)定子端相連的三相交流電源導(dǎo)線上，電壓互感器的副邊和電流互感器的副邊與A/D采樣模塊連接；故障檢測(cè)及保護(hù)模塊外接定子斷路器；勵(lì)磁控制軟件嵌入在勵(lì)磁控制器中。所述的電源模塊的輸入端A、B和C與380V三相交流電源對(duì)應(yīng)連接，電源模塊的電壓輸出端24V和地線端GND分別與整流橋模塊和滅磁回路模塊的電壓輸入端VCCM和地線端GND對(duì)應(yīng)連接；電源模塊的電壓輸出端12V和地線端GND與A/D采樣模塊的電壓輸入端 VCC12和地線端GND對(duì)應(yīng)連接，電源模塊的電壓輸出端3V3和地線端GND分別與的同步電路模塊、串口通信模塊、勵(lì)磁控制器、轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊、A/D采樣模塊和故障檢測(cè)及保護(hù)模塊的電壓輸入端VCC3V3和地線端GND對(duì)應(yīng)連接；電源模塊的電壓輸出端1V2與勵(lì)磁控制器的電壓輸入端VCC1V2連接；電源模塊的三相同步輸出端P_SA、P_SB和P_SC與同步電路模塊的三相同步輸入端S_SA、S_SB和S_SC對(duì)應(yīng)連接。所述的串口通信模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送端U_TX和數(shù)據(jù)接收端U_RX與勵(lì)磁控制器連接， 串口通信模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送端U_T)(D和數(shù)據(jù)接收端U_RXD與上位機(jī)的數(shù)據(jù)接收端J_RXD和數(shù)據(jù)發(fā)送端J_T)(D對(duì)應(yīng)連接。所述的整流橋模塊由整流橋驅(qū)動(dòng)電路和整流橋電路組成；整流橋驅(qū)動(dòng)電路的輸出端 DG1、DG2、DG3、DG4、DG5 禾口 DG6 與整流橋電路的輸入端 B_DG1、B_DG2、B_DG3、B_DG4、B_ DG5和B_DG6對(duì)應(yīng)連接，整流橋驅(qū)動(dòng)電路的輸出端VCCM與整流橋電路的輸入端B_DK1、B_ DK2、B_DK3、B_DK4、B_DK5和B_DK6分別連接；整流橋電路的輸入端B_A、B_B和B_C與380V 三相交流電源對(duì)應(yīng)連接，整流橋電路的輸出端B_G1經(jīng)過分流器與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_ Gl連接，整流橋電路的輸出端B_G2與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_G2連接，整流橋驅(qū)動(dòng)電路的輸入端B_TR1、B_TR2、B_TR3、B_TR4、B_TR5和B_TR6與勵(lì)磁控制器分別連接。所述的勵(lì)磁控制器集成在一片F(xiàn)PGA芯片中，由三相橋式整流觸發(fā)單元、串口通信單元、PID控制單元、A/D控制單元、故障檢測(cè)及保護(hù)單元、滅磁控制單元、投勵(lì)控制單元和頻率檢測(cè)單元組成，勵(lì)磁控制器中的各個(gè)單元均用硬件描述語言Verilog HDL編程生成。三相橋式整流觸發(fā)單元的輸入端alfa[15. . 0]與PID控制單元的輸出端P_ alfa[15. . 0]對(duì)應(yīng)連接，三相橋式整流觸發(fā)單元的輸入端QL與故障檢測(cè)及保護(hù)單元的輸出端DF_QL連接，三相橋式整流觸發(fā)單元的輸入端beta與滅磁控制單元的輸出端M_beta連接，三相橋式整流觸發(fā)單元的輸入端QY與投勵(lì)控制單元的輸出端T_QY連接，串口通信單元的輸出端 KP[15. · 0]、KI [15. · 0]、KD[15. · 0]、GIVEN[15. · 0]和 STATUS 與 PID 控制單元的輸入端 P_KP[15. . 0]、P_KI[15. . 0]、P_KD[15. . 0]、P_GIVEN[15. . 0]和 P_STATUS 對(duì)應(yīng)連接， A/D控制單元的輸出端P [11. . 0]與PID控制單元的輸入端P_P [11. . 0]連接，A/D控制單元的輸出端IQ[11..0]分別與PID控制單元的輸入端P_IQ[11..0]和故障檢測(cè)及保護(hù)單元的輸入端DF_IQ[11. . 0]連接，故障檢測(cè)及保護(hù)單元的輸出端DF_NM與滅磁控制單元的輸入端匪連接，滅磁控制單元的輸入端ZM與投勵(lì)控制單元的輸出端T_ZM連接，頻率檢測(cè)單元的輸出端TL與投勵(lì)控制單元的輸入端T_TL連接。三相橋式整流觸發(fā)單元的輸入端TA、TB和TC與同步電路模塊的輸出端S_TA、S_ TB和S_TC對(duì)應(yīng)連接，三相橋式整流觸發(fā)單元的輸出端TR1、TR2、TR3、TR4、TR5和TR6分別與整流橋模塊連接，串口通信單元的輸入端RXD和輸出端T)(D與串口通信模塊的輸出端U_ TX和輸入端U_RX對(duì)應(yīng)連接，A/D控制單元的輸入端DOUT與A/D采樣模塊連接，A/D控制單元的輸出端DIN、SCLK和CS與A/D采樣模塊連接，故障檢測(cè)及保護(hù)單元的輸入端SY與故障檢測(cè)及保護(hù)模塊連接，故障檢測(cè)及保護(hù)單元的輸出端SEG[6. . 0]、FAULT與故障檢測(cè)及保護(hù)模塊連接，滅磁控制單元的輸出端MJ與滅磁回路模塊的輸入端G_MJ連接，頻率檢測(cè)單元的輸入端QZ與轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊的輸出端F_QZ連接。所述的滅磁回路模塊的繼電器控制信號(hào)輸入端G_MJ與勵(lì)磁控制器連接，滅磁回路模塊的輸入端6_61經(jīng)過分流器與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_G1連接，滅磁回路模塊的輸入端G_G2與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_G2連接。所述的轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊的輸入端F_G1經(jīng)過分流器與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_G1 連接，轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊的輸入端F_G2與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_G2連接，轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模
6塊的輸出端F_QZ與勵(lì)磁控制器連接。所述的A/D采樣模塊由A/D轉(zhuǎn)換電路、定子功率因數(shù)檢測(cè)電路和轉(zhuǎn)子電流檢測(cè)電路組成；定子功率因數(shù)檢測(cè)電路的輸出端C_p與A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端CHO連接，轉(zhuǎn)子電流檢測(cè)電路的輸出端C_F與A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端CHl連接。定子功率因數(shù)檢測(cè)電路的輸入端C_B和C_C通過電壓互感器與同步電動(dòng)機(jī)的定子端M_B和M_C對(duì)應(yīng)連接，定子功率因數(shù)檢測(cè)電路的輸入端C_A1和C_A2與電流互感器連接， 穿過電流互感器的三相交流電源導(dǎo)線與同步電動(dòng)機(jī)的定子端M_A連接，轉(zhuǎn)子電流檢測(cè)電路的輸入端C_G1和C_G2分別與分流器的輸出端連接，分流器的輸入端串聯(lián)在同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_G2與整流橋模塊之間，A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端C_CS、C_SCLK和C_DIN與勵(lì)磁控制器連接，A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出端C_D0UT與勵(lì)磁控制器連接。所述的故障檢測(cè)及保護(hù)模塊包括故障保護(hù)電路和故障檢測(cè)電路；故障檢測(cè)電路的輸入端D_A、D_B和D_C與同步電動(dòng)機(jī)的定子端M_A、M_B和M_C對(duì)應(yīng)連接，故障檢測(cè)電路的輸出端D_SY與勵(lì)磁控制器連接；故障保護(hù)電路的輸入端D_SEG[6. . 0]和D_FAULT與勵(lì)磁控制器連接，故障保護(hù)電路的輸出端D_ST0P和GND與定子斷路器的輸入端STOP和SGND對(duì)應(yīng)連接。所述的勵(lì)磁控制軟件的主流程是S-1，開始，進(jìn)入 S-2 ；S-2，判斷同步電動(dòng)機(jī)是否起動(dòng)，若起動(dòng)則進(jìn)入S-3，若未起動(dòng)則返回S-I ；S-3，接入滅磁回路，進(jìn)入S-4 ；S-4，檢測(cè)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率，進(jìn)入S-5 ；S-5，判斷同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)是否超時(shí)，若超時(shí)則進(jìn)入S-6，若未超時(shí)則進(jìn)入S-7 ；S-6，同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)超時(shí)報(bào)警，返回S-2 ；S-7，判斷同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是否達(dá)到亞同步轉(zhuǎn)速，若達(dá)到則進(jìn)入S-8，若未達(dá)到則返回 S-4 ；S-8，判斷同步電動(dòng)機(jī)是否停止，若停止則進(jìn)入S-13，若未停止則進(jìn)入S-9 ；S-9,斷開滅磁回路，進(jìn)入S-IO ；S-10，勵(lì)磁控制器輸出觸發(fā)脈沖，進(jìn)入S-Il ；S-11，檢測(cè)轉(zhuǎn)子電流和定子功率因數(shù)，進(jìn)入S-12 ；S-12，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流和定子功率因數(shù)PID調(diào)節(jié)，返回S-8 ；S-13，勵(lì)磁控制器進(jìn)入送推β時(shí)間逆變狀態(tài)，進(jìn)入S-14 ；S-14，判斷送推β時(shí)間是否到達(dá)，若到達(dá)則進(jìn)入S-16，若未到達(dá)則進(jìn)入S-15 ；S-15，勵(lì)磁控制器輸出逆變脈沖，返回S-14 ；S-16，結(jié)束。由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明中以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)作為同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制芯片，替換了復(fù)雜的PLC和單片機(jī)系統(tǒng)，提高了同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性。另外，由于FPGA是專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制芯片，具有高精度、低功耗和低成本等特點(diǎn)，使得基于FPGA的同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)在保證快速響應(yīng)的條件下進(jìn)一步降低了成本。


圖1是本發(fā)明的一種總體結(jié)構(gòu)示意框圖；圖2是電源模塊1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是勵(lì)磁控制器5的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是串口通信模塊3的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是整流橋模塊4的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是滅磁回路模塊6的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊7的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是A/D采樣模塊9的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是故障檢測(cè)及保護(hù)模塊11的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是基于FPGA的同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁控制軟件流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。一種基于FPGA的同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)包括電源模塊1、同步電路模塊2、串口通信模塊3、整流橋模塊4、勵(lì)磁控制器5、滅磁回路模塊6、轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊 7、分流器8、A/D采樣模塊9、電壓互感器10、故障檢測(cè)及保護(hù)模塊11和電流互感器12。勵(lì)磁控制器5與同步電路模塊2、串口通信模塊3、整流橋模塊4、滅磁回路模塊6、 轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊7、A/D采樣模塊9和故障檢測(cè)及保護(hù)模塊11分別連接；電源模塊1與同步電路模塊2、串口通信模塊3、整流橋模塊4、勵(lì)磁控制器5、滅磁回路模塊6、轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊7、A/D采樣模塊9和故障檢測(cè)及保護(hù)模塊11分別連接；串口通信模塊3外接上位機(jī)； 同步電動(dòng)機(jī)、電源模塊1、整流橋模塊4和故障檢測(cè)及保護(hù)模塊11分別外接三相交流電源； 整流橋模塊4、滅磁回路模塊6和轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊7經(jīng)過分流器8與同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子端連接；分流器8與A/D采樣模塊9連接；電壓互感器10的原邊和電流互感器12的原邊連接在定子斷路器與同步電動(dòng)機(jī)定子端相連的三相交流電源導(dǎo)線上，電壓互感器10的副邊和電流互感器12的副邊與A/D采樣模塊9連接；故障檢測(cè)及保護(hù)模塊11外接定子斷路器；勵(lì)磁控制軟件嵌入在勵(lì)磁控制器5中。電源模塊1如圖2所示，電源模塊1的輸入端A、B和C與380V三相交流電源對(duì)應(yīng)連接，電源模塊1的電壓輸出端24V和地線端GND分別與整流橋模塊4和滅磁回路模塊6 的電壓輸入端VCCM和地線端GND對(duì)應(yīng)連接；電源模塊1的電壓輸出端12V和地線端GND 與A/D采樣模塊9的電壓輸入端VCC12和地線端GND對(duì)應(yīng)連接，電源模塊1的電壓輸出端 3V3和地線端GND分別與的同步電路模塊2、串口通信模塊3、勵(lì)磁控制器5、轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊7、A/D采樣模塊9和故障檢測(cè)及保護(hù)模塊11的電壓輸入端VCC3V3和地線端GND對(duì)應(yīng)連接；電源模塊1的電壓輸出端1V2與勵(lì)磁控制器5的電壓輸入端VCC1V2連接；電源模塊 1的三相同步輸出端P_SA、P_SB和P_SC與同步電路模塊2的三相同步輸入端S_SA、S_SB 和S_SC對(duì)應(yīng)連接。串口通信模塊3如圖4所示，串口通信模塊3的數(shù)據(jù)發(fā)送端U_TX和數(shù)據(jù)接收端U_ RX與勵(lì)磁控制器5連接，串口通信模塊3的數(shù)據(jù)發(fā)送端U_T)(D和數(shù)據(jù)接收端U_RXD與上位機(jī)的數(shù)據(jù)接收端J_RXD和數(shù)據(jù)發(fā)送端J_T)(D對(duì)應(yīng)連接。
8
整流橋模塊4如圖5所示，整流橋模塊4由整流橋驅(qū)動(dòng)電路4. 1和整流橋電路4. 2 組成。整流橋驅(qū)動(dòng)電路4. 1的輸出端DG1、DG2、DG3、DG4、DG5和DG6與整流橋電路4. 2的輸入端B_DG1、B_DG2、B_DG3、B_DG4、B_DG5和B_DG6對(duì)應(yīng)連接，整流橋驅(qū)動(dòng)電路4. 1的輸出端VCC24與整流橋電路4. 2的輸入端B_DK1、B_DK2、B_DK3、B_DK4、B_DK5和B_DK6分別連接；整流橋電路4. 2的輸入端B_A、B_B和B_C與380V三相交流電源對(duì)應(yīng)連接，整流橋電路 4. 2的輸出端8_61經(jīng)過分流器8與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端11_61連接，整流橋電路4. 2的輸出端B_G2與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_G2連接，整流橋驅(qū)動(dòng)電路4. 1的輸入端B_TR1、B_TR2、B_ TR3、B_TR4、B_TR5和B_TR6與勵(lì)磁控制器5分別連接。勵(lì)磁控制器5如圖3所示，勵(lì)磁控制器5集成在一片F(xiàn)PGA芯片中，由三相橋式整流觸發(fā)單元5. 1、串口通信單元5. 2、PID控制單元5. 3、A/D控制單元5. 4、故障檢測(cè)及保護(hù)單元5. 5、滅磁控制單元5. 6、投勵(lì)控制單元5. 7和頻率檢測(cè)單元5. 8組成，勵(lì)磁控制器5中的各個(gè)單元均用硬件描述語言Verilog HDL編程生成。三相橋式整流觸發(fā)單元5. 1的輸入端alfa[15. . 0]與PID控制單元5. 3的輸出端 P_alfa[15. . 0]對(duì)應(yīng)連接，三相橋式整流觸發(fā)單元5. 1的輸入端QL與故障檢測(cè)及保護(hù)單元 5.5的輸出端DF_QL連接，三相橋式整流觸發(fā)單元5. 1的輸入端beta與滅磁控制單元5.6 的輸出端M_beta連接，三相橋式整流觸發(fā)單元5. 1的輸入端QY與投勵(lì)控制單元5. 7的輸出端丁_0丫連接，串口通信單元5. 2 的輸出端ΚΡ[15. · 0]、ΚΙ[15· · 0]、KD[15. · 0]、GIVEN[15. · 0] 和 STATUS 與 PID 控制單元 5. 3 的輸入端 P_KP[15. . 0]、P_KI[15. . 0]、P_KD[15. . 0]、P_ GIVEN[15. · 0]和P_STATUS對(duì)應(yīng)連接，A/D控制單元5. 4的輸出端P[ll. · 0]與PID控制單元5. 3的輸入端P_P[11. . 0]連接，A/D控制單元5. 4的輸出端IQ[11. . 0]分別與PID控制單元5. 3的輸入端P_IQ[11. · 0]和故障檢測(cè)及保護(hù)單元5. 5的輸入端DF_IQ[11. · 0]連接， 故障檢測(cè)及保護(hù)單元5. 5的輸出端DF_NM與滅磁控制單元5. 6的輸入端匪連接，滅磁控制單元5. 6的輸入端ZM與投勵(lì)控制單元5. 7的輸出端T_ZM連接，頻率檢測(cè)單元5. 8的輸出端TL與投勵(lì)控制單元5. 7的輸入端T_TL連接。三相橋式整流觸發(fā)單元5. 1的輸入端TA、TB和TC與同步電路模塊2的輸出端S_ TA、S_TB和S_TC對(duì)應(yīng)連接，三相橋式整流觸發(fā)單元5. 1的輸出端TR1、TR2、TR3、TR4、TR5和 TR6分別與整流橋模塊4連接，串口通信單元5. 2的輸入端RXD和輸出端T)(D與串口通信模塊3的輸出端U_TX和輸入端U_RX對(duì)應(yīng)連接，A/D控制單元5. 4的輸入端DOUT與A/D采樣模塊9連接，A/D控制單元5. 4的輸出端DIN、SCLK和CS與A/D采樣模塊9連接，故障檢測(cè)及保護(hù)單元5. 5的輸入端SY與故障檢測(cè)及保護(hù)模塊11連接，故障檢測(cè)及保護(hù)單元5. 5的輸出端SEG[6. . 0]、FAULT與故障檢測(cè)及保護(hù)模塊11連接，滅磁控制單元5. 6的輸出端MJ 與滅磁回路模塊6的輸入端G_MJ連接，頻率檢測(cè)單元5. 8的輸入端QZ與轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊7的輸出連接。滅磁回路模塊6如圖6所示，滅磁回路模塊6的繼電器控制信號(hào)輸入端G_MJ與勵(lì)磁控制器5連接，滅磁回路模塊6的輸入端G_G1經(jīng)過分流器8與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_G1 連接，滅磁回路模塊6的輸入端G_G2與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_G2連接。轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊7如圖7所示，轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊7的輸入端F_G1經(jīng)過分流器 8與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_G1連接，轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊7的輸入端F_G2與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_G2連接，轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊7的輸出端F_QZ與勵(lì)磁控制器5連接。
A/D采樣模塊9如圖8所示，A/D采樣模塊9由A/D轉(zhuǎn)換電路9. 1、定子功率因數(shù)檢測(cè)電路9. 2和轉(zhuǎn)子電流檢測(cè)電路9. 3組成；定子功率因數(shù)檢測(cè)電路9. 2的輸出端C_P與 A/D轉(zhuǎn)換電路9. 1的輸入端CHO連接，轉(zhuǎn)子電流檢測(cè)電路9. 3的輸出端C_F與A/D轉(zhuǎn)換電路 9. 1的輸入端CHl連接。定子功率因數(shù)檢測(cè)電路9. 2的輸入端C_B和C_C通過電壓互感器10與同步電動(dòng)機(jī)的定子端M_B和M_C對(duì)應(yīng)連接，定子功率因數(shù)檢測(cè)電路9. 2的輸入端C_A1和C_A2與電流互感器12連接，穿過電流互感器12的三相交流電源導(dǎo)線與同步電動(dòng)機(jī)的定子端M_A連接，轉(zhuǎn)子電流檢測(cè)電路9. 3的輸入端C_G1和C_G2分別與分流器8的輸出端連接，分流器8 的輸入端串聯(lián)在同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_G2與整流橋模塊4之間，A/D轉(zhuǎn)換電路9. 1的輸入端C_CS、C_SCLK和C_DIN與勵(lì)磁控制器5連接，A/D轉(zhuǎn)換電路9. 1的輸出端C_D0UT與勵(lì)磁控制器5連接。故障檢測(cè)及保護(hù)模塊11如圖9所示，故障檢測(cè)及保護(hù)模塊11包括故障保護(hù)電路 11. 1和故障檢測(cè)電路11. 2。故障檢測(cè)電路11. 2的輸入端D_A、D_B和D_C與同步電動(dòng)機(jī)的定子端M_A、M_B和M_C對(duì)應(yīng)連接，故障檢測(cè)電路11. 2的輸出端D_SY與勵(lì)磁控制器5連接； 故障保護(hù)電路11. 1的輸入端D_SEG[6..0]和D_FAULT與勵(lì)磁控制器5連接，故障保護(hù)電路 11. 1的輸出端D_ST0P和GND與定子斷路器的輸入端STOP和SGND對(duì)應(yīng)連接。本實(shí)施例所示的勵(lì)磁控制軟件的主流程如圖10所示S-1，開始，進(jìn)入 S-2 ；S-2，判斷同步電動(dòng)機(jī)是否起動(dòng)，若起動(dòng)則進(jìn)入S-3，若未起動(dòng)則返回S-I ；S-3，接入滅磁回路6，進(jìn)入S-4 ；S-4，檢測(cè)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率，進(jìn)入S-5 ；S-5，判斷同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)是否超時(shí)，若超時(shí)則進(jìn)入S-6，若未超時(shí)則進(jìn)入S-7 ；S-6，同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)超時(shí)報(bào)警，返回S-2 ；S-7，判斷同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是否達(dá)到亞同步轉(zhuǎn)速，若達(dá)到則進(jìn)入S-8，若未達(dá)到則返回 S-4 ；S-8，判斷同步電動(dòng)機(jī)是否停止，若停止則進(jìn)入S-13，若未停止則進(jìn)入S-9 ；S-9,斷開滅磁回路6，進(jìn)入S-IO ；S-10，勵(lì)磁控制器5輸出觸發(fā)脈沖，進(jìn)入S-Il ；S-11，檢測(cè)轉(zhuǎn)子電流和定子功率因數(shù)，進(jìn)入S-12 ；S-12，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流和定子功率因數(shù)PID調(diào)節(jié)，返回S-8 ；S-13，勵(lì)磁控制器進(jìn)入送推β時(shí)間逆變狀態(tài)，進(jìn)入S-14 ；S-14，判斷送推β時(shí)間是否到達(dá)，若到達(dá)則進(jìn)入S-16，若未到達(dá)則進(jìn)入S_15 ；S-15，勵(lì)磁控制器5輸出逆變脈沖，返回S-14 ；S-16，結(jié)束。本具體實(shí)施方式
中以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)作為同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制芯片，替換了復(fù)雜的PLC和單片機(jī)系統(tǒng)，提高了同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性。另外，由于FPGA是專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制芯片，具有高精度、低功耗和低成本等特點(diǎn)，使得基于FPGA的同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)在保證快速響應(yīng)的條件下進(jìn)一步降低了成本。
權(quán)利要求
1.一種基于FPGA的同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括電源模塊(1)、同步電路模塊⑵、串口通信模塊⑶、整流橋模塊⑷、勵(lì)磁控制器(5)、滅磁回路模塊(6)、轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊(7)、分流器(8)、A/D采樣模塊(9)、電壓互感器(10)、故障檢測(cè)及保護(hù)模塊 (11)和電流互感器(12)；勵(lì)磁控制器(5)與同步電路模塊O)、串口通信模塊(3)、整流橋模塊G)、滅磁回路模塊(6)、轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊(7)、A/D采樣模塊(9)和故障檢測(cè)及保護(hù)模塊(11)分別連接； 電源模塊⑴與同步電路模塊O)、串口通信模塊⑶、整流橋模塊⑷、勵(lì)磁控制器(5)、滅磁回路模塊(6)、轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊(7)、A/D采樣模塊(9)和故障檢測(cè)及保護(hù)模塊(11)分別連接；串口通信模塊C3)外接上位機(jī)；同步電動(dòng)機(jī)、電源模塊(1)、整流橋模塊(4)和故障檢測(cè)及保護(hù)模塊(11)分別外接三相交流電源；整流橋模塊G)、滅磁回路模塊(6)和轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊(7)經(jīng)過分流器(8)與同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子端連接；分流器(8)與A/D采樣模塊 (9)連接；電壓互感器(10)的原邊和電流互感器(12)的原邊連接在定子斷路器與同步電動(dòng)機(jī)定子端相連的三相交流電源導(dǎo)線上，電壓互感器(10)的副邊和電流互感器(1 的副邊與A/D采樣模塊(9)連接；故障檢測(cè)及保護(hù)模塊(11)外接定子斷路器；勵(lì)磁控制軟件嵌入在勵(lì)磁控制器(5)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，其特征在于所述的電源模塊(1)的輸入端A、B和C與380V三相交流電源對(duì)應(yīng)連接，電源模塊(1)的電壓輸出端MV 和地線端GND分別與整流橋模塊(4)和滅磁回路模塊(6)的電壓輸入端VCCM和地線端 GND對(duì)應(yīng)連接；電源模塊(1)的電壓輸出端12V和地線端GND與A/D采樣模塊(9)的電壓輸入端VCC12和地線端GND對(duì)應(yīng)連接，電源模塊(1)的電壓輸出端3V3和地線端GND分別與的同步電路模塊O)、串口通信模塊(3)、勵(lì)磁控制器(5)、轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊(7)、A/D采樣模塊(9)和故障檢測(cè)及保護(hù)模塊(11)的電壓輸入端VCC3V3和地線端GND對(duì)應(yīng)連接；電源模塊(1)的電壓輸出端1V2與勵(lì)磁控制器(5)的電壓輸入端VCC1V2連接；電源模塊(1) 的三相同步輸出端P_SA、P_SB和P_SC與同步電路模塊(2)的三相同步輸入端S_SA、S_SB 和S_SC對(duì)應(yīng)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，其特征在于所述的串口通信模塊⑶的數(shù)據(jù)發(fā)送端U_TX和數(shù)據(jù)接收端U_RX與勵(lì)磁控制器(5)連接，串口通信模塊 (3)的數(shù)據(jù)發(fā)送端U_T)(D和數(shù)據(jù)接收端U_RXD與上位機(jī)的數(shù)據(jù)接收端J_RXD和數(shù)據(jù)發(fā)送端 J_T)(D對(duì)應(yīng)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，其特征在于所述的整流橋模塊由整流橋驅(qū)動(dòng)電路(4. 1)和整流橋電路(4. 2)組成；整流橋驅(qū)動(dòng)電路(4. 1)的輸出端 DG1、DG2、DG3、DG4、DG5 和 DG6 與整流橋電路(4. 2)的輸入端 B_DG1、B_DG2、B_DG3、B_ DG4、B_DG5和B_DG6對(duì)應(yīng)連接，整流橋驅(qū)動(dòng)電路(4. 1)的輸出端VCCM與整流橋電路(4. 2) 的輸入端B_DK1、B_DK2、B_DK3、B_DK4、B_DK5和B_DK6分別連接；整流橋電路(4. 2)的輸入端B_A、B_B和B_C與380V三相交流電源對(duì)應(yīng)連接，整流橋電路(4. 2)的輸出端B_G1經(jīng)過分流器(8)與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_G1連接，整流橋電路(4.2)的輸出端B_G2與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_G2連接，整流橋驅(qū)動(dòng)電路(4. 1)的輸入端B_TR1、B_TR2、B_TR3、B_TR4、B_ TR5和B_TR6與勵(lì)磁控制器( 分別連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，其特征在于所述的勵(lì)磁控制器( 集成在一片F(xiàn)PGA芯片中，由三相橋式整流觸發(fā)單元(5. 1)、串口通信單元 (5. 2)、PID控制單元(5. 3)、A/D控制單元(5. 4)、故障檢測(cè)及保護(hù)單元(5. 5)、滅磁控制單元(5. 6)、投勵(lì)控制單元(5.7)和頻率檢測(cè)單元(5.8)組成，勵(lì)磁控制器(5)中的各個(gè)單元均用硬件描述語言Verilog HDL編程生成；三相橋式整流觸發(fā)單元(5. 1)的輸入端alfa[15. . 0]與PID控制單元(5. 3)的輸出端卩_&1&[15. . 0]對(duì)應(yīng)連接，三相橋式整流觸發(fā)單元(5. 1)的輸入端QL與故障檢測(cè)及保護(hù)單元(5. 的輸出端DF_QL連接，三相橋式整流觸發(fā)單元(5. 1)的輸入端beta與滅磁控制單元(5.6)的輸出端M_beta連接，三相橋式整流觸發(fā)單元(5. 1)的輸入端QY與投勵(lì)控制單元(5.7)的輸出端乙0￥連接，串口通信單元(5. 2)的輸出端亞[15..0]、1(1[15..0]、 KD[15. . 0]、GIVEN[15. . 0]和 STATUS 與 PID 控制單元(5. 3)的輸入端 P_KP[15. . 0]、Ρ_ KI [15. . 0]、P_KD[15. · 0]、P_GIVEN[15. · 0]和 P_STATUS 對(duì)應(yīng)連接，A/D 控制單元(5. 4)的輸出端P[ll. · 0]與PID控制單元(5. 3)的輸入端Ρ_Ρ[11· · 0]連接，A/D控制單元(5. 4)的輸出端IQ[11..0]分別與PID控制單元(5. 3)的輸入端P_IQ[11. . 0]和故障檢測(cè)及保護(hù)單元(5. 5)的輸入端DF_IQ[11. . 0]連接，故障檢測(cè)及保護(hù)單元(5. 5)的輸出端DF_NM與滅磁控制單元(5. 6)的輸入端匪連接，滅磁控制單元(5. 6)的輸入端ZM與投勵(lì)控制單元(5. 7) 的輸出連接，頻率檢測(cè)單元(5.8)的輸出端TL與投勵(lì)控制單元(5.7)的輸入端T_ TL連接；三相橋式整流觸發(fā)單元(5. 1)的輸入端ΤΑ、ΤΒ和TC與同步電路模塊O)的輸出端3_ TA、S_TB* S_TC對(duì)應(yīng)連接，三相橋式整流觸發(fā)單元(5. 1)的輸出端1附、11 2、11 3、11 4、丁1 5 和TR6分別與整流橋模塊(4)連接，串口通信單元(5. 2)的輸入端R)(D和輸出端T)(D與串口通信模塊(3)的輸出端U_TX和輸入端[1 對(duì)應(yīng)連接，A/D控制單元(5.4)的輸入端DOUT 與A/D采樣模塊(9)連接，A/D控制單元(5. 4)的輸出端DIN、SCLK和CS與A/D采樣模塊 (9)連接，故障檢測(cè)及保護(hù)單元(5.5)的輸入端SY與故障檢測(cè)及保護(hù)模塊(11)連接，故障檢測(cè)及保護(hù)單元(5. 5)的輸出端SEG[6..0]、FAULT與故障檢測(cè)及保護(hù)模塊(11)連接，滅磁控制單元(5. 6)的輸出端MJ與滅磁回路模塊(6)的輸入端6_10連接，頻率檢測(cè)單元(5. 8) 的輸入端QZ與轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊(7)的輸出連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，其特征在于所述的滅磁回路模塊(6)的繼電器控制信號(hào)輸入端G_MJ與勵(lì)磁控制器(5)連接，滅磁回路模塊(6)的輸入端G_G1經(jīng)過分流器(8)與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_G1連接，滅磁回路模塊(6)的輸入端 G_G2與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_G2連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，其特征在于所述的轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊(7)的輸入端F_G1經(jīng)過分流器⑶與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_G1連接，轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊(7)的輸入端F_G2與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_G2連接，轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊(7) 的輸出與勵(lì)磁控制器(5)連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，其特征在于所述的A/D 采樣模塊(9)由A/D轉(zhuǎn)換電路(9. 1)、定子功率因數(shù)檢測(cè)電路(9. 和轉(zhuǎn)子電流檢測(cè)電路 (9. 3)組成；定子功率因數(shù)檢測(cè)電路(9. 2)的輸出端C_P與A/D轉(zhuǎn)換電路(9. 1)的輸入端 CHO連接，轉(zhuǎn)子電流檢測(cè)電路(9.3)的輸出端C_F與A/D轉(zhuǎn)換電路(9. 1)的輸入端CHl連接；定子功率因數(shù)檢測(cè)電路(9.2)的輸入端C_B和C_C通過電壓互感器(10)與同步電動(dòng)機(jī)的定子端M_B和M_C對(duì)應(yīng)連接，定子功率因數(shù)檢測(cè)電路(9. 2)的輸入端C_A1和C_A2與電流互感器(1 連接，穿過電流互感器(1 的三相交流電源導(dǎo)線與同步電動(dòng)機(jī)的定子端皿_ A連接，轉(zhuǎn)子電流檢測(cè)電路(9.3)的輸入端(_61和C_G2分別與分流器⑶的輸出端連接， 分流器⑶的輸入端串聯(lián)在同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端M_G2與整流橋模塊(4)之間，A/D轉(zhuǎn)換電路(9. 1)的輸入端C_CS、C_SCLK和C_DIN與勵(lì)磁控制器(5)連接，A/D轉(zhuǎn)換電路(9. 1)的輸出端C_D0UT與勵(lì)磁控制器( 連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，其特征在于所述的故障檢測(cè)及保護(hù)模塊(11)包括故障保護(hù)電路(11. 1)和故障檢測(cè)電路(11.2)；故障檢測(cè)電路 (11. 2)的輸入端D_A、D_B和D_C與同步電動(dòng)機(jī)的定子端M_A、M_B和M_C對(duì)應(yīng)連接，故障檢測(cè)電路(11.2)的輸出端0_5￥與勵(lì)磁控制器(5)連接；故障保護(hù)電路(11. 1)的輸入端D_ SEG[6. · 0]和D_FAULT與勵(lì)磁控制器(5)連接，故障保護(hù)電路(11. 1)的輸出端D_ST0P和 GND與定子斷路器的輸入端STOP和SGND對(duì)應(yīng)連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，其特征在于所述的勵(lì)磁控制軟件的主流程是S-I，開始，進(jìn)入S-2 ；S-2，判斷同步電動(dòng)機(jī)是否起動(dòng)，若起動(dòng)則進(jìn)入S-3，若未起動(dòng)則返回S-I ；S-3，接入滅磁回路(6)，進(jìn)入S-4 ；S-4，檢測(cè)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率，進(jìn)入S-5 ；S-5，判斷同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)是否超時(shí)，若超時(shí)則進(jìn)入S-6，若未超時(shí)則進(jìn)入S-7 ； S-6，同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)超時(shí)報(bào)警，返回S-2 ；S-7，判斷同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是否達(dá)到亞同步轉(zhuǎn)速，若達(dá)到則進(jìn)入S-8，若未達(dá)到則返回S-4 ；S-8，判斷同步電動(dòng)機(jī)是否停止，若停止則進(jìn)入S-13，若未停止則進(jìn)入S-9 ；S-9，斷開滅磁回路(6)，進(jìn)入S-IO ；S-10，勵(lì)磁控制器( 輸出觸發(fā)脈沖，進(jìn)入S-Il ；S-11，檢測(cè)轉(zhuǎn)子電流和定子功率因數(shù)，進(jìn)入S-12 ；S-12，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流和定子功率因數(shù)PID調(diào)節(jié)，返回S-8 ；S-13，勵(lì)磁控制器進(jìn)入送推β時(shí)間逆變狀態(tài)，進(jìn)入S-14;S-14，判斷送推β時(shí)間是否到達(dá)，若到達(dá)則進(jìn)入S-16，若未到達(dá)則進(jìn)入S-15;S-15，勵(lì)磁控制器( 輸出逆變脈沖，返回S-14 ；S-16，結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于FPGA的同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。其方案是勵(lì)磁控制器(5)與同步電路模塊(2)、串口通信模塊(3)、整流橋模塊(4)、滅磁回路模塊(6)、轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊(7)、A/D采樣模塊(9)和故障檢測(cè)及保護(hù)模塊(11)分別連接，整流橋模塊(4)、滅磁回路模塊(6)和轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模塊(7)經(jīng)過分流器(8)與同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子端連接，分流器(8)與A/D采樣模塊(9)連接，電壓互感器(10)和電流互感器(12)的原邊連接在定子斷路器與同步電動(dòng)機(jī)定子端相連的三相交流電源導(dǎo)線上，電壓互感器(10)和電流互感器(12)的副邊與A/D采樣模塊(9)連接；故障檢測(cè)及保護(hù)模塊(11)外接定子斷路器；勵(lì)磁控制軟件嵌入在勵(lì)磁控制器(5)中。本發(fā)明具有高集成度、高可靠性、低成本的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02P6/00GK102355178SQ201110259109
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月5日
發(fā)明者尚濤, 楊俊 , 段宗勝, 王勤, 甘朝暉, 陳波 申請(qǐng)人:武漢科技大學(xué)