基于不同DSP芯片的风机变流器控制硬件设计

邢云龙，孟秀利，刘志星

(1.南车电气技术与材料工程研究院，湖南株洲412001;2.株洲南车机电科技有限公司，湖南株洲412001)

风力发电需要大功率变流器。风电变流器是将风力发电机输出的电压幅值、频率变化的电能转换为恒压、恒频的交流电能的装置，是风力发电系统中的一个重要部件。变流器对整个系统的稳定高效运行很重要，它的控制硬件和软件是风力发电技术的研究重点［1－4］。基于此，本文对采用 Freescale的DSP56F087芯片并配以功能强大的CPLD芯片作为变流器的控制硬件进行分析，并比较了两种DSP芯片的性能，以说明更换DSP芯片所需要的一些相关事宜。

1 现有控制硬件介绍

1.1 概述

现有风机变流器的控制硬件主要由4部分组成:DSP板、主控板、IGBT适配板及驱动板。该控制硬件可以满足双馈变流器的所有运算、控制及驱动的硬件需求，具备完善的系统保护及故障诊断，并提供标准的串行通信和CAN总线通信的接口能力。主要包含以下几部分电路:算法计算及逻辑控制电路;模拟信号调理及模数转换电路;硬件保护逻辑电路;数字量输入输出电路;IGBT模块脉冲驱动及状态反馈接口电路;SCI、CAN总线接口电路。其中DSP板是整个控制系统的核心，是所有控制算法实现的载体，由2片DSP56F807和1片CPLD XC95288组成嵌入式数字系统。

1.2 DSP56F807芯片

DSP56F807是freescale公司的56800系列16位定点DSP控制器，它在一个单片上集成了DSP的数据处理能力和微处理器的功能。由于它的功耗低、构造灵活、程序内核简洁，因此很好地适用于各种应用。56F807集成了120 kB的闪存，包括了16通道的12bitADC转换器;片上还集成了2个6通道的专用 PWM 模块和 SCI、SPI、JTAG、eCAN 等标准通信接口，最大可扩展32路通用I/O口，有两个单独的积分解码器。其频率最高可达80 MHz，采用哈佛硬件结构，支持14种寻址模式，每条指令周期可以处理6条指令，支持C/C++语言编程，支持PWM控制电机。但56F807不支持安全密钥，软件容易被破解及读取，这也是它在实际应用中最大的不足。

1.3 CPLD XC95288芯片

CPLD(复杂可编程逻辑电路)是一种具有丰富可编程I/O引脚的可编程逻辑器件，具有系统可编程、使用方便灵活、可实现复杂时序逻辑功能的特点，因此往往在DSP芯片外设不够的情况运用于采集数据和处理逻辑等。XC95288是 Xilinx公司XC9500系列的高速CPLD芯片，是一款高性能的可编程逻辑器件。从结构上看，它包含3种单元:宏单元、可编程I/O单元和可编程的内部连线。在本文提到的控制硬件中，用一片XC95288即可处理两片DSP芯片的外围数据交换。CPLD的主要特点有:1)高性能，在所有可编程引脚之间pin－pin延时6 ns，系统的最大频率可达到208 MHz。2)容量范围大，容量范围为288个宏单元，可用系统门为6 400个，具有5 V和3.3 V的系统可编程能力和强大的强脚锁定能力，每个宏单元都有可编程低功耗模式，没有用的引脚有编程接地能力，支持超过1万次程序擦写，数据存储时长超过20 a，ESD防护电压超过2 000 V。

2 TMS320F2812芯片介绍

TMS320F2812是TI公司推出的32位定点DSP(数字信号处理器)控制器。TMS320F2812的强大运算及数字信号处理能力，使其在运动控制系统开发及生产过程控制方面备受关注。它支持PWM控制电机，能够控制两台三相电机，支持JTAG边界扫描;处理速度快，频率高达150 MHz;功耗较低，内核1.8 V供电，I/O口3.3 V供电。F2812采用高性能的静态CMOS技术，可提供浮点数学函数库，实现虚拟浮点运算。F2812集成了128KB的Flash存储器、优化的事件管理器和可编程通用计数器，包括了16通道的12bitADC转换器，采用统一寻址方式。片上集成了 SCI、SPI、EV、URAT和 eCAN 等标准通信接口。编程使用C/C++语言以及汇编语言，可以和TMS320x/LF240x源代码兼容，并有128位的安全密钥，防止系统中的软件程序被修改或读取。

3 TMS320F2812与DSP56F807比较

TMS320F2812芯片在性能上优于DSP56F807芯片，具体如表1所示。

由表1可见，在运算响应速度、存储空间、输入输出方面，TMS320F2812都比DSP56F807更优，而且TMS320F2812有密码保护功能，能有效地避免片内代码的流出，具有很好的商业保密功能。选用TMS320F2812能为以后硬件再次升级为更先进的TMS320F28335或者其它芯片预留空间。通过对比分析可知，TMS320F2812具有DSP56F807所不具备的资源优势和良好的可扩展性，有较高适应性和可靠性的片上外设模块，且内核能够更快、更有效地实现各种复杂的算法，而且目前该芯片的周边应用软件、库函数等已经十分齐全，因此在风电变流器控制硬件设计中完全可以取代现有的DSP56F807，成为更利于统一的控制硬件核心。

表1 硬件特点比较

DSP56F807采用的是 CodeWarrior编译工具。CodeWarrior包括构建平台和应用所必需的所有主要工具:IDE、编译器、调试器、编辑器、链接器等。CodeWarrior IDE借助集成开发环境的良好图形界面，可以完成程序代码的编写、编译、执行、调试等DSP开发过程中的全部任务，是目前商用嵌入式系统采用最多的软件编程工具。

TMS320F2812采用的编译工具为CCS(Code Composer Studio)，是TI公司针对标准TMS320调试器接口设计的集成开发环境(Intergrated Development Environment，IDE)。CCS具有强大成熟的核心运算能力和简洁易上手的配置和图形可视化工具，可以为硬件选型、系统设计提供参考，方便程序优化设计。CCS支持C/C++语言和汇编语言的混合编程，集成了Simulator和Emulator仿真器的驱动程序。CCS内部集成了以下软件工具:DSP代码生成工具、CCS集成开发工具、实时分析插件DSP/BIOS和实时数据交换模块等。由于CCS具有实时、多任务、可视化、开放式插入架构的特点，因此使其成为TI公司DSP设计、开发、调试、优化不可或缺的工具。CCS仿真分为软件仿真和硬件仿真，一般先进行软件仿真。

4 软、硬件移植

风机变流器机侧控制框图和网侧控制原理如图1、图2所示。

由于两个DSP芯片均采用C语言进行编程，因此只需将代码从CodeWarrior中按照格式要求移植至CCS，修改相关 I/O口的地址，重新编码设计PWM波的生成即可。

图1 机侧控制框图

图2 网侧控制框图

TMS320F2812和DSP56F807的硬件封装相差不大，因此先采用的BGA的DSP56F807尺寸完全可以容纳 BGA的TMS320F2812，仅需修改与 DSP接口的相关引线，PCB设计无需大改。现已经实现了硬件设计，通过在实验室对硬件调试表明，硬件运行正常，具备批量装机条件。

5 结语

通过对比TMS320F2812和DSP56F807的性能与相关硬件构造等，说明了TI系列的DSP芯片优于Freescale系列的DSP芯片，更适用于风机变流器的控制。TI系列的DSP芯片现已开发出基于TMS320F2812的远程程序可行手段，所以更利于风电现场的应用。

［1］李建林，许洪华.风力发电中的电力电子变流技术［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［2］苏奎峰，吕强，耿庆峰，等.TMS320F2812原理与开发［M］.北京:电子工业出版社，2005.

［3］李明，程耕国，肖琴，等.DSP在风力发电空载并网技术上的应用［J］.信息技术，2011(8):198－204.

［4］刘憾宇，佘岳，胡凯凯.基于TMS320F2812的以太网－CAN网络远程程序下载的实现［J］.大功率变流技术，2009(2):31－34.