Implementation of the Digital Current Control System for an Induction Motor Using FPGA

FPGA를 이용한 유도 전동기의 디지털 전류 제어 시스템 구현

In this paper, a digital current control system using a FPGA(Field Programmable Gate Array) was implemented, and the system was applied to an induction motor widely used as an industrial driving machine. The FPGA designed by VHDL(VHSIC Hardware Description Language) consists of a PWM(Pulse Width Modulation) generation block, a PWM protection block, a speed measuring block, a watch dog timer block, an interrupt control block, a decoder logic block, a wait control block and digital input and output blocks respectively. Dedicated clock inputs on the FPGA were used for high-speed execution, and an up-down counter and a latch block were designed in parallel, in order that the triangle wave could be operated at 40 MHz clock. When triangle wave is compared with many registers respectively, gate delay occurs from excessive fan-outs. To reduce the delay, two triangle wave registers were implemented in parallel. Amplitude and frequency of the triangle wave, and dead time of PWM could be changed by software. This FPGA was synthesized by pASIC 2SpDE and Synplify-Lite synthesis tool of Quick Logic company. The final simulation for worst cases was successfully performed under a Verilog HDL simulation environment. And the FPGA programmed for an 84 pin PLCC package was applied to digital current control system for 3-phase induction motor. The digital current control system of the 3 phase induction motor was configured using the DSP(TMS320C31-40 MHz), FPGA, A/D converter and Hall CT etc., and experimental results showed the effectiveness of the digital current control system.

본 논문에서는 FPGA를 이용하여 산업용 구동장치로 널리 사용되고 있는 유도 전동기의 디지털 전류 제어시스템을 구현하였다. 이를 위해 VHDL을 이용하여 FPGA를 설계하였으며 이 FPGA는 PWM 발생부, PWM 보호부, 회전속도 검출부, 프로그램 폭주 방지부, 인터럽트 발생부, 디코더 로직부, 신호 지연 발생부 및 디지털 입·출력부로 각각 구성되어있다. 본 FPGA의 설계시 고속처리의 문제점을 해결하기 위해 클럭전용핀을 활용하였으며 또한 40 MHz에서도 동작할 수 있는 삼각파를 만들기 위해 업다운 카운터와 래치부를 병렬 처리함으로써 고속화하였다. 특히 삼각파와 각종 레지스터를 비교 연산할 때 많은 팬아웃 문제에 따른 게이트 지연(gate delay) 요소를 줄이기 위해 병렬 카운터를 두어 고속화를 실현하였다. 아울러 삼각파의 진폭과 주파수 및 PWM 파형의 데드 타임 등을 소프트웨어적으로 가변 하도록 하였다. 이와 같은 기능들을 FPGA로 구현하기 위하여 퀵로직(Quick Logic)사의 pASIC 2 SpDE와 Synplify-Lite 합성툴을 이용하여 로직을 합성하였다. 또한 Verilog HDL 환경에서 최악의 상황들(worst cases)에 대한 최종 시뮬레이션이 성공적으로 수행되었다. 아울러 구현된 FPGA를 84핀 PLCC 형태의 FPGA로 프로그래밍 한 후 3상 유도전동기의 디지털 전류 제어 시스템에 적용하였다. 이를 위해 DSP(TMS320C31-40 MHz)와 FPGA, A/D 변환기 및 전류 변환기(Hall CT) 등을 이용하여 3상 유도 전동기의 디지털 전류 제어 시스템을 구성하였으며, 디지털 전류 제어의 효용성을 실험을 통해 확인하였다.