【正文】 ?？萍加邢薰荆⒏＝垉舡h(huán)保公司是電除塵器高頻電源的先驅(qū)者。但是由于國內(nèi)的電子技術(shù)相比于國外較為落后，在系統(tǒng)硬件電路采集、調(diào)理等方面的成熟度更是處于弱勢，因此在電除塵器高頻電源主電路趨于穩(wěn)定的條件下， 國內(nèi)高頻電源的故障率一直處于居高不下的狀態(tài)， 一個(gè)非常重要的方面就 是國內(nèi)高頻電源的控制系統(tǒng)或采集系統(tǒng)采用的技術(shù)更新速度慢， 且 其采集系統(tǒng)已成固化狀態(tài)，方式單一，其對硬件的依賴性很大 。 （ 1）采集數(shù)據(jù)分析是對整個(gè)高頻電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的研究，在設(shè)計(jì)之初對其做詳細(xì)的分析與研究，包括采集信號的種類、波形、幅值、頻率等，并對數(shù)據(jù)采集的方法做了詳細(xì)的解釋說明。本文對硬件模數(shù)轉(zhuǎn)換器、移位寄存器等采集芯片設(shè)計(jì)出完整的接口程序，完成信號的最終數(shù)字量轉(zhuǎn)換，并給出時(shí)序仿真圖。 第二章是對本文設(shè)計(jì)的總體概述， 根據(jù)工業(yè)設(shè)計(jì)要求，給出本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則。電除塵器高頻電源是一種自主進(jìn)行故障判斷的設(shè)備。因?yàn)殡姵龎m器高頻電源是安裝在室外，而且在全國各地都有應(yīng)用。為驗(yàn)證硬件電路設(shè)計(jì)的正確性，最后給出各電路在不同調(diào)理部分的波形，并與輸入波形做對比。 第六章是基于分布式算法的 FIR 濾波器在 FPGA 中的研究和應(yīng)用。 第 七 章是本文的總結(jié)和展望。電除塵器高頻電源 的 工作環(huán)境的劣，經(jīng)常是處于高溫 或 低溫、高濕度和干擾嚴(yán)重的環(huán)境中，因此保證其可靠地運(yùn)行更為重要。更新?lián)Q代并不是另起爐灶，而是在現(xiàn) 有 的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步發(fā)展 與改進(jìn) 。電除塵器高頻電源是一個(gè)商品，因此其利潤才是最為重要的關(guān)鍵。在工作環(huán)境和硬件使用壽命的制約下，設(shè)備出現(xiàn)故障 是 無可避免的問 題。這三種微控制器都可以用來做數(shù)據(jù)采集，下面就三者的主要優(yōu)勢做簡要分析：（ 1） ARM 的最大特點(diǎn)是其強(qiáng)大的的事務(wù)管理功能，主要用來做應(yīng) 用界面設(shè)計(jì)以及應(yīng)用程序等，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在控制方面；（ 2） DSP，南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 即數(shù)字信號處 。而由于 FPGA 在最近十幾年的強(qiáng)勢崛起，其靈活的可配置性和并行的工作模式，使其短時(shí)間內(nèi)在數(shù)據(jù)采集 方向 的應(yīng)用得到迅速發(fā)展。 FPGA采集 模 式 ： FPGA的數(shù)據(jù)采集是 FPGA搭配一個(gè)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)采集，因此整個(gè)數(shù)據(jù)的采集和 A/D 轉(zhuǎn)換都是 由 硬件完成，可以最大限度的提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù) 采樣和處理能力。因此，適于大數(shù)據(jù)量的高速 采集和 傳輸控制，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路。 （ 4）可擴(kuò)展性 傳統(tǒng)采集模式： DSP 或單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集是將模擬信號直接輸入到 AD 寄存器的引腳中，因此模 擬信號的輸入受到 CPU 的供電電壓的限制。 綜合以上原因，在本系統(tǒng)中采用 基于 FPGA 的 采集 模式來搭建 采集 平臺 。因?yàn)閺母蓴_嚴(yán)重或室外環(huán)境下采集的模擬信號和數(shù)字信號都不可避免的受到了或多或少的干擾，導(dǎo)致信號的不準(zhǔn)確，摻雜 其中 的尖峰信號會對后級元器件造成損壞，從而造成設(shè)備的故障，且維護(hù)困難。 FPGA 軟件設(shè)計(jì)：在此 設(shè)計(jì) 中 FPGA 實(shí)現(xiàn)的 五種 功能：數(shù)據(jù)的采集、高低限判斷、 數(shù)字濾波器、 數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸。而數(shù)據(jù)存儲涉及到 FPGA內(nèi)部的 RAM 使用 ， 數(shù)據(jù)的傳輸是 FPGA 與 DSP 之間數(shù)據(jù)單向流動。并著重對傳統(tǒng)采樣方式 —— DSP 或單片機(jī)的采樣方 式和基于 FPGA 的高速采樣方式做了詳細(xì)的對比說明。其中負(fù)極，又稱為電暈極或放電極，是一個(gè) 曲率 半徑很大的線狀電極；正極，又稱為集塵極，是一塊板狀電極。 較早出現(xiàn)的是硬開關(guān)型高頻電源，但其硬開、硬關(guān)的特點(diǎn)直接限制了頻率的 提升和自身的發(fā)展。利用軟開關(guān)技術(shù) （ ZVS：零電壓開通， ZCS：零電流關(guān)斷）減小了開關(guān) 管 的損耗，提高了工作頻率，并且對電路運(yùn)行時(shí)的電磁干擾也有了很大的改善 [2]。 本高頻電源采用 DSP+FPGA 作為控制核心，實(shí)現(xiàn)了對電源的全數(shù)字化控制 ， 電源采用串聯(lián)諧振主回路，大大減小了逆變電路的開關(guān)損耗，提高了電源的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。 主電路即屬于強(qiáng)電的電力轉(zhuǎn)換部分，由 EMI 濾波器、三相整流橋、輸入濾波、全橋逆變和高頻整流等模塊組成；本電源設(shè)備輸入為三相 380V/50Hz 交流電源，經(jīng)第三章 電除塵器高頻電源介紹 11 三相整流器和濾波后得到約 530V 左右的直流電壓，再經(jīng) IGBT 模塊高頻逆變，變壓整流后為電除塵器提供上限為 72kV 電壓的直流電源。 控制電路對高頻電源的各種故障信號（包括過流、過壓、欠壓、過熱等現(xiàn)象）進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)可以及時(shí)作出相應(yīng)的故障處理；控制電路還負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，可由上位機(jī)發(fā)出的控制指令來對高頻電源進(jìn)行控制。以 DSP 強(qiáng)勢的數(shù)字處理 能力配合 FPGA 的高速時(shí)鐘頻率和并行觸發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和最優(yōu)設(shè)計(jì)。驅(qū)動電路南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 12 是電除塵器高 頻電源能否正常工作的重要傳輸調(diào)理電路。 高壓采樣電路 在所有的數(shù)據(jù)采集電路中， 高電 壓、大電流永遠(yuǎn)是危險(xiǎn)的存在，不僅 因?yàn)槠涓邏骸⒋箅娏鞯男再|(zhì)容易造成器件損壞，更因?yàn)樵诟邏?、大電流中總是容易存在各種干擾信號，對其他弱電信號產(chǎn)生很大的影響。 其中 數(shù)字調(diào)理模塊包括數(shù)字驅(qū)動模塊和數(shù)字采集模塊。采集的狀態(tài)信號進(jìn)入數(shù)字采集電路，由專用采集芯片采集，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)送入 FPGA中，最后由 FPGA 一同 發(fā)送至 DSP控制器。 IGBT 故障信號主要是 IGBT 在故障時(shí)發(fā)出的報(bào)警信號。而模擬信號一直以來都是科研難題，特別是高壓、高頻等性質(zhì)的模擬信號，對其調(diào)理的方式 要求也很嚴(yán)格 。 而除了電壓的變化之外，電流信號、各種溫度監(jiān)測信號和開關(guān)狀態(tài)信號也隨著電源在不同的運(yùn)行狀態(tài)而不同。因此母線電壓的采樣信號為： VV IN 6 3 4 0 22*5 3 01 ??，設(shè)計(jì)電路時(shí)的峰值電壓： VVI N PP 7 2 *6 3 ??? ，頻率為 150Hz。 電阻轉(zhuǎn)換電壓方式功率 消耗 較大 ， 容易 受 到 干擾 信號影響，而且由于電阻本身的誤差 ， 因此 很難做到高精度 ，所以比較 適用于小功率 的檢測。因此本系統(tǒng)采用交流電流互感器。 第三章 電除塵器高頻電源介紹 15 圖 35 相 電流仿真波形 （ 3）一次電流 一次電流是 進(jìn)入變壓器初級線圈連線的電流值。電路中設(shè)計(jì)了一次電流的積分電路，對每個(gè)波段的一次電流值進(jìn)行積分。二次電流是直流信號，而相電流、一次電流都是交流信號。 （ 5）負(fù)載電壓（二次電壓 ） 二次電壓，即電除塵器高頻電源的輸出電壓。 ? 低電感值：為減小電阻電感采用金屬膜電阻，其電感小于繞線電阻。 二次電壓采樣電阻與變壓器內(nèi)分壓電阻串聯(lián)，對變壓器高壓出線包負(fù)端采樣。而二次電流的最大有效值為 ，峰值是最大有效值的 4 倍，因此二次電流的采樣值最大為 VV ?電流采樣 。變壓器內(nèi)整流橋、鐵芯及線損均為發(fā)熱源。當(dāng)該溫度超過攝氏 100℃ 時(shí)， 1s 內(nèi)能發(fā)出預(yù)報(bào)警；超過攝氏 120℃ 時(shí)，1s 內(nèi)能切斷主回路并發(fā)出報(bào)警信號。因此，高頻電源的數(shù)字信號采集的數(shù)量會有所不同。 （ 1）主接觸器狀態(tài)。風(fēng)機(jī)是對變壓器郵箱的散熱通道進(jìn)行吹風(fēng)、散熱的設(shè)備，其驅(qū)動信號也是 24V 的數(shù)字信號，因此其狀態(tài)信號也是 24V 數(shù)字量。為方便維護(hù)人員或電廠工作人員的不時(shí)之需，在高頻電源電器柜中引出 220V 交流電端口，其驅(qū)動方式與控制系統(tǒng)電源相同。根據(jù)功能的不同，對控制系統(tǒng)的進(jìn)行了簡單的劃分，并簡要的說明了每個(gè)模塊主要的作用。 由于電除塵器高頻電源的工作環(huán)境特殊：室外、噪聲強(qiáng)、溫度高 ， 因此受到的干擾非常大，不僅信號采集回路受到影響，其電源供電也同樣受到非常大的影響。 輸 入信 號穿 心電 容 /抑 制器濾 波電 路放 大電 路隔 離電 路A D 模塊F P G A 圖 41 采樣信號的調(diào)理流程 一般的 穿 心 電容是一種三端電容， 可以 直接安裝在金屬面板上 ，而此處所用的穿心電容是貼片式的四端電容，其中上下兩端直接接地，信號從中間穿過去，有效的抑制了高頻噪聲信號 。 本系統(tǒng)的 FPGA 采用的是 Altera 公司 Cyclone 系列的 EP1C20F400I7。為此， Altera 公司又特意開發(fā)出一系列 FLASH 存儲器，以配 合 FPGA 的使用。 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 21 CON1GND2OUT3VCC4Y0248MR0251GND_C+L06C02C01R03100GND_CC5GND_CSYS_CLK 圖 43 時(shí)鐘電路 Y02 是有源晶振，提供 48M 的外部時(shí)鐘。所以慎重的選擇一款性能高的 ADC 對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)至關(guān)重要。兩套完整的 ADC 允許兩個(gè)通道同時(shí)采樣和轉(zhuǎn)換。 南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 22 VINA+1VINA2REF_A3REFGND4AGND5REF_B6VINB7VINB+8VDD9CS10AGND11DGND12SDATA_B13SDATA_A14SCLK15VDRIVE16U0402AD7356+5V_ADCC210uF/16VC3GND_D+C510uF/16VC4GND_AVINA+VINAREF_AVINB+VINBREF_BGND_ASCLKCSSDATA_ASDATA_B 圖 44 AD7356 的接口原理圖 該器件采用差分輸入，其范圍為共模 177。 12+348U1AAD80347。 AD7356 具有內(nèi)置的 基準(zhǔn)源，也可使用外部基準(zhǔn)源，本設(shè)計(jì)使用的是 AD7356 內(nèi)部自帶的基準(zhǔn)源。兩個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果可通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)線路同時(shí)獲得，如果僅有一個(gè)串行端口可用，則可通過一條數(shù)據(jù)線路先后獲得。 AD7356是一款雙通道 12bit、高速、低功耗的逐次逼近型（ SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC），采用 單電源 供電， 80M 的最高采集頻率和高達(dá) 5MSPS 的吞吐率，可以滿足大多數(shù)的工業(yè)數(shù)據(jù)采集需求，更為特別的是該款芯片采用的串行通信方式， 時(shí)序簡單。晶振是易受干擾器件，因此在其 供電 電源引腳采用 “ π” 型濾波電路，保證晶振的可靠性。本設(shè)計(jì)中配置 EP1C20F400I7 的 FLASH 芯片 為 EPCS4SI8N。該器件的用戶 IO 端口多，片內(nèi)邏輯單元數(shù)量大，并具有實(shí)現(xiàn) SignalTapII 嵌入式邏輯分析儀等功能，且其外圍電路簡單。 采集控制單元 基于 FPGA 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不同于 DSP 或單片機(jī)等采集方式， FPGA 是邏輯門器件，是由門級電路組成。防雷擊 、 去共模 、 除差模和濾波是電源設(shè)計(jì)的主要目的。 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 19 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 電除塵器高頻電源的控制電路部 分是以 DSP 處理器與 FPGA數(shù)據(jù)采集核心板為平臺。 綜上所述，數(shù)字信號的采集一共有 8 路，分為高頻、低頻不同信號。控制系統(tǒng)的交流電由繼電器控制，繼電器采用 24V的驅(qū)動信號。主接觸器采用的是 24V 驅(qū)動信號，在其開通狀態(tài)量顯示24V 數(shù)字信號。 電除塵器高頻電源的數(shù)字信號主要是有兩種，一種是各個(gè)開關(guān)器件的狀態(tài)信號，4 路，其頻率不高，一般最快也是幾秒一次。 （ 8）環(huán)境溫度 采用鎧裝探頭 PT100 安裝于引風(fēng)機(jī)入口孔處，采集環(huán)境溫度，參與運(yùn)行時(shí)溫升計(jì)算。在 IGBT 模塊內(nèi)部芯片的最大可允許結(jié)溫是 150℃ ，一般不要超過125℃ 。對油溫的監(jiān)測是 通過 PT100 熱電阻 來測量。 ? 采樣范圍：二次電壓的最大輸出為 720xxV，頻率最大為 20KHz。本設(shè)計(jì)中采樣電阻實(shí)際工作功率 WRIP * 22 ???? 有效值 ，實(shí)際選用 3W2 電阻。 南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 16 下圖為二次電壓和二次電流的采集示意圖 。因此 在本設(shè)計(jì)中，二次電流 采用了精密電阻轉(zhuǎn)電壓方式， 直接在模擬電場中，通過采集電場中其中一個(gè)電阻兩端的電壓所得的電壓信號 來表示二次電流的大小 。 圖 36 一次電流仿真波形圖 （ 4）高壓變壓器二次電流 二 次電 流是變壓器輸電壓加在負(fù)載上產(chǎn)生的電流 。因?yàn)橹C振頻率較高約 10kHz，互感器鐵芯選用高頻特性較好的鐵氧體鐵芯。相電流的采樣是 通過 在供電的三相線中 固定 一個(gè)電流互感器，繼而互感器直接串接上一個(gè)固定電阻值，所以相電流采樣到模擬調(diào)理板上的信號是一個(gè)電壓信號（ 最大 2V 左右） ，頻率 50Hz。第三種是 用 霍爾元件 LEM 檢測 ，雖然精度高，但由于霍爾元件是有源器件，另需額外的電源對其供電，因此對電路的復(fù)雜度有了有一定的要求；更重要的是霍爾元件的成本太高限制了其的廣泛應(yīng)用。 圖 34 母線電壓 仿真 波形 采集到的母線電壓信號輸入到 DSP 芯片中，在 DSP 芯片中，有特殊的控制程序?qū)π盘栠M(jìn)行 “ 識別 ” ，然后根據(jù)比例進(jìn)行放大后，輸出到 IFIX 上位機(jī)中 監(jiān)控進(jìn)行 ，以下信號也都相同的識別過程。 三 相 橋 式 整 流 全 橋 逆 變 電 路 高 頻 變 壓 器 高 壓 硅 堆 整 流 除 塵 器小 磁 環(huán)H V H V 02 0 1T A 1三 相 濾 波 器( T P F )0