淺談CPLD在IGBT驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速裝置的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。如何打破國(guó)外產(chǎn)品的壟斷，已成為一個(gè)嚴(yán)肅的課題擺在我國(guó)工程技術(shù)人員的面前。

在某型號(hào)大功率變頻調(diào)速裝置中，由于裝置的尺寸較大，考慮到結(jié)構(gòu)和散熱的條件，主控板上DSP產(chǎn)生的PWM信號(hào)需經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的距離才能送到IGBT逆變單元中。為保證PWM信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性，必須解決以下幾個(gè)問(wèn)題：首先是抗干擾問(wèn)題，變頻器工作時(shí)，IGBT的開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生高頻干擾信號(hào);其次是如何保證PWM信號(hào)的前、后沿質(zhì)量，減少IGBT開(kāi)關(guān)動(dòng)作的過(guò)渡過(guò)程;最后是如何減少布線電感，盡可能縮短PWM信號(hào)傳輸距離，避免過(guò)多的內(nèi)部連線。

1 總體設(shè)計(jì)

原則上說(shuō)，從觸發(fā)電路到IGBT柵極和發(fā)射極的引線應(yīng)做到既短又一致。但隨著變頻調(diào)速裝置功率的不斷增大，裝置的尺寸也在增大，散熱條件要求更高。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的種種原因，真正做到這點(diǎn)有很多實(shí)際困難。

DSP產(chǎn)生的PWM信號(hào)既可以采用串行方式又能以并行方式進(jìn)行傳輸，但這兩種方式都有著各自的特點(diǎn)。采用并行方式傳輸信號(hào)(即每一個(gè)IGBT模塊的柵控端都接一根信號(hào)線)會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)部接線過(guò)多、接地困難，抗干擾性大大降低，這種情況尤以采用了多重化、多電平技術(shù)的變頻裝置為甚。若利用串行方式，PWM信號(hào)的傳輸速率又受到介質(zhì)的極大限制。在目前諸多傳輸介質(zhì)中，只有光纖具有損耗低、頻帶寬、重量輕、不受電磁干擾等突出優(yōu)點(diǎn)。GI型光纖用LED做光源時(shí)，傳輸速率可達(dá)140Mbit/s，傳輸損耗可忽略不計(jì)。IGBT的工作頻率通常很少用在15kHz以上，因此以異步串行方式高速傳輸PWM信號(hào)時(shí)，采用光纖作為傳輸介質(zhì)是唯一的選擇。

在串行的PWM信號(hào)送到IGBT的柵控端之前，還需將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為并行形式。盡管采用普通的串/并轉(zhuǎn)換芯片可以實(shí)現(xiàn)上述功能，但這些芯片的最高工作頻率有限，如74166的最高工作頻率為35MHz，對(duì)于目前廣泛采用多重化和多電平技術(shù)的變頻裝置來(lái)講，這種工作頻率顯然有著較大的局限性。尤其是在實(shí)時(shí)性、快速性要求甚高的電機(jī)控制領(lǐng)域，不可能采用應(yīng)答方式完成信號(hào)的傳輸，因此接收端需要有較強(qiáng)的糾錯(cuò)和容錯(cuò)能力。若采用普通的芯片，難以只用一兩片芯片完成上述功能。但CPLD具有極強(qiáng)的靈活性，內(nèi)含128個(gè)宏單元，最高工作頻率可達(dá)167MHz(以Cypress CY37128為例)，可以只用一兩片芯片就能完成較復(fù)雜的邏輯功能，因此CPLD與光纖的結(jié)合是解決大功率變頻器中信號(hào)傳輸?shù)淖詈眠x擇。系統(tǒng)信號(hào)流程圖如圖1所示。

2 通訊方案

異步串行格式的一個(gè)數(shù)據(jù)幀包括1位起始位和8位數(shù)據(jù)位，最后是停止位。起始位規(guī)定為0，8位數(shù)據(jù)位由高到低順次發(fā)送，前7位組成1個(gè)編碼字符，第八位為奇偶校驗(yàn)位。停止位可以選擇1位、1位、2位。從系統(tǒng)實(shí)際要求出發(fā)，我們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的異步串行格式進(jìn)行了修改，將三相PWM信號(hào)進(jìn)行編碼，用以下數(shù)據(jù)格式發(fā)送到信號(hào)轉(zhuǎn)換單元：0-a3c3a2c2a1c1-V-1111。其中0為起始位，a1、a2、a3分別對(duì)應(yīng)三相逆變橋每個(gè)橋臂的柵控信號(hào)，c1、c2、c3分別對(duì)應(yīng)三相逆變橋每個(gè)橋臂的封鎖信號(hào)，V是一位校驗(yàn)位，最后四個(gè)1為結(jié)束標(biāo)志位。信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的CPLD接收到該信號(hào)后，將此串行PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行形式。另一方面，為保證逆變單元能夠正常工作，還需將逆變單元故障信號(hào)送到上位機(jī)以供故障診斷。

故障信號(hào)以以下串行編碼格式送出：0-a1a2a3a4a5a6-V-1111，0為起始位，a1、a2、a3分別對(duì)應(yīng)每個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)故障信號(hào)，a4為過(guò)熱信號(hào)，a5、a6為通訊故障 信號(hào)，V為校驗(yàn)位，最后四個(gè)1為結(jié)束標(biāo)志位。上位機(jī)板上的CPLD將此信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行形式。事實(shí)上，PWM信號(hào)和故障信號(hào)的處理過(guò)程是相同的。

對(duì)于異步串行通訊，通常要保證發(fā)送的信號(hào)在接收端能被正確接收，往往采用兩類(lèi)同步處理辦法：一類(lèi)是使用硬件手段實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的部分功能;另一類(lèi)是使用各種短小的幀來(lái)實(shí)現(xiàn)通信功能。在本系統(tǒng)，由于實(shí)時(shí)控制對(duì)時(shí)間的要求，不可能采用上述形式的通訊方案。因此根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要，數(shù)據(jù)傳輸采用起止式同步方案，即用 “0”代表起信號(hào)，“1”代表止信號(hào)。在不發(fā)送信息時(shí)，一直發(fā)送止信號(hào)。第一個(gè)由“1”到“0”的轉(zhuǎn)換表示字符的開(kāi)始收端檢測(cè)到這個(gè)轉(zhuǎn)換后控制位時(shí)鐘輸出，以便對(duì)接受信號(hào)進(jìn)行碼位中點(diǎn)取樣判決。

針對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際要求，為確保數(shù)據(jù)通訊的正確性，在正常工作以前，DSP模塊必須向信號(hào)轉(zhuǎn)換單元固定發(fā)送一個(gè)標(biāo)志字。只有當(dāng)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元連續(xù)幾次正確收到標(biāo)志字后，才能建立正常通訊。在正常通訊時(shí)，為避免隨機(jī)干擾的作用，只有在連續(xù)出現(xiàn)多次幀錯(cuò)誤的情況下，信號(hào)轉(zhuǎn)換單元才向上位機(jī)發(fā)出通訊故障信號(hào)，以確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

3 CPLD的實(shí)現(xiàn)

20世紀(jì)90年代，引起數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式發(fā)生突破性變革的技術(shù)是VHDL設(shè)計(jì)技術(shù)。VHDL Very High Speed Integrated Circuit VHSIC Hardware Description Language作為IEEE-1076標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范的硬件描述語(yǔ)言，非常適用于可編程邏輯器件的應(yīng)用設(shè)計(jì)，并正在得以普及。采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，是用VHDL設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件最突出優(yōu)點(diǎn)之一。

通過(guò)前面對(duì)數(shù)據(jù)流和通訊方案的分析，按照自頂向下的原則，我們對(duì)信號(hào)處理單元進(jìn)行功能分解，將其分解到下面的各個(gè)單元中，見(jiàn)圖2。通過(guò)功能分解，我們可以看到，單元內(nèi)部構(gòu)造可以分為三個(gè)部分：一部分對(duì)柵控信號(hào)進(jìn)行處理;另一部分對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行處理;最后一部分用于產(chǎn)生控制故障信號(hào)發(fā)送的時(shí)鐘。

從圖2我們可以發(fā)現(xiàn)柵控信號(hào)處理部分與故障信號(hào)處理部分都含有功能相同單元：校驗(yàn)位生成單元、數(shù)據(jù)通信控制單元及鎖存單元，因此可以對(duì)以上這些單元進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。在參數(shù)化設(shè)計(jì)以前，我們還需要構(gòu)造一些公共的基本元件，如觸發(fā)器、寄存器、計(jì)數(shù)器和同步器等。這以后，我們就可以對(duì)前面提到的功能相同的單元進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。

在進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)以前，我們需要對(duì)各功能單元的輸入輸出信號(hào)進(jìn)行分析以確定信號(hào)使用的數(shù)據(jù)類(lèi)型。由于IGBT控制問(wèn)題的特殊性，在這里我們統(tǒng)一使用Bit和Bit-vector型數(shù)據(jù)。Bit型數(shù)據(jù)只有兩種狀態(tài)：“0”和“1”，可以有效地防止多態(tài)數(shù)值系統(tǒng)給控制和編程帶來(lái)的麻煩。

在進(jìn)行傳統(tǒng)的電子線路設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師的工作是按電路原理圖將各個(gè)單元電路和器件連接起來(lái)，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。而在利用VHDL設(shè)計(jì)電路時(shí)，設(shè)計(jì)師所要完成的不過(guò)就是將那些用VHDL語(yǔ)言描述的單元電路和器件連接起來(lái)。在這個(gè)意義上，利用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)與利用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)沒(méi)有太大的區(qū)別，但采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法時(shí)，VHDL具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。作為一種硬件描述語(yǔ)言 VHDL語(yǔ)言有別于一般的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。它既有并行執(zhí)行的語(yǔ)句，又有只能順序執(zhí)行的語(yǔ)句。利用VHDL這種特性，我們可以將整個(gè)系統(tǒng)分成若干個(gè)相對(duì)比較獨(dú)立的模塊來(lái)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。在下面的程序中，進(jìn)程COUNTER描述了一個(gè)16位計(jì)數(shù)器，它通過(guò)對(duì)40MHz時(shí)鐘進(jìn)行分頻，產(chǎn)生進(jìn)程CONTROLLER所需的2.5MHz時(shí)鐘。進(jìn)程CONTROLLER構(gòu)造了一個(gè)發(fā)送控制計(jì)數(shù)器，它通過(guò)對(duì)進(jìn)程COUNTER所產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，產(chǎn)生故障信號(hào)的發(fā)送控制信號(hào)。