【正文】 0 R0 0 S0 0 T0 0 1 R0 0 1 S0 0 1 TQ F 0快 熔0 1 3 S0 1 3 T0 1 3 RK M 0 BK M 00 1 4 R0 1 4 S0 1 4 T2 0 20 1 5 R0 1 5 S0 1 5 TG N D 0R S 1 圖 33 電除塵器高頻電 源主回路原理圖 在本電源系統(tǒng)中，需要采集的模擬量共有 11 個（包括 6 路溫度）分別為： （ 1）母線電壓 母線電壓， 即三相整流橋的輸出電壓，用于充電啟動時打開主接觸器的判斷條件，運行時要監(jiān)視該電壓。 采樣 數(shù)據(jù)研究 從分析整個電除塵器高頻電源的工作原理可知，具體轉(zhuǎn)換流程見圖 33，整個設(shè)備的電源電壓共有三次變化，電源頻率也有兩次變化。 由 FPGA 對多路模擬信號并行采集，并將采集的信號進(jìn)行預(yù)處理后送 入 DSP，在 DSP 內(nèi)運算處理； CPU 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)故障時可以及時作出相應(yīng)的故障處理。 DSP 板產(chǎn)生 IGBT 的兩路驅(qū)動信號，進(jìn)入 FPGA 后經(jīng)高速光電隔離后，由驅(qū)動芯片提供較強驅(qū)動能力的發(fā)生信號。信號經(jīng)高速光耦芯片隔離，并采用繼電器專用驅(qū)動芯片 ULN20xxA。 數(shù)字信號調(diào)理電路 在電除塵器高頻電源設(shè)備中主要有兩種信號的作用：數(shù)字信號、模擬信號。電源的 PWM信號由 DSP 發(fā)出，進(jìn)入可編程邏輯門器件 FPGA 后，經(jīng)過一段調(diào)理隔離電路，到達(dá)驅(qū)動保護(hù)電路，信號在經(jīng)驅(qū)動保護(hù)電路放大驅(qū)動四個 IGBT。所以 控制模塊 中不僅有核心芯片 DSP 和 PWM 信號發(fā)生的 FPGA 芯片，還包括簡單的隔離調(diào)理和保護(hù)電路，和與上位機實現(xiàn)通訊傳輸?shù)?RS232 和 RS485 通訊接口。因此，在設(shè)計整個系統(tǒng)時，將控制電路根據(jù)相近的功能作用，分配成以下幾個模塊 。 控制電路功能的分配設(shè)計 由高頻電源的系統(tǒng)原理初步設(shè)計圖可知，控制電路 主要由輔助電源、溫度檢測電路、信號采樣、隔離、調(diào)理電路、驅(qū)動保護(hù)電路和 CPU 控制系統(tǒng)組成，其中 CPU控制系統(tǒng)是 DSP 與 FPGA 的 “強強聯(lián)合 ”使用。電源結(jié)構(gòu)框圖如 下圖 所示 。高頻電源控制方式靈活多樣，可根據(jù)電除塵器運行工況選擇最合適的電壓波形，減少電除塵能耗，提高除塵效率。而對靜電除塵器來說，頻率的升高則表示輸出電壓的紋波更低；當(dāng)最高電壓相同 時 ，輸出電壓的紋波越低，電場中粉塵顆粒的驅(qū)動速度越大，更有利于除塵的效果；而且更大的輸出功率就表示著越高的電暈功率，這對電除塵器的除南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 塵效率也是至關(guān)重要的。 圖 31 靜電除塵原理圖 電除塵器高頻電源最大的用途就是給電除塵器供電，而電除塵器的除塵效果的好壞完全由高頻電源決定。最后，對基于 FPGA 的設(shè)計架構(gòu)進(jìn)行了簡單的規(guī)劃 、 并對其中的每個采集、調(diào)理環(huán)節(jié)做了進(jìn)一步的說明。而 DSP 對 FPGA 的參數(shù)設(shè)置、控制信號傳輸數(shù)據(jù)量很少，通過 SPI 即可實現(xiàn)。由于高低限的判斷 相對容易實現(xiàn)，因此在后文的設(shè)計中就省略了此處的描述。在本設(shè)計中，針對采集的信號的不同，設(shè)計不同的調(diào)理電路 ， 其中功能相同的電路，做成典型模塊，使設(shè)計簡易化。 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 0 R0 0 S0 0 T0 0 1 R0 0 1 S0 0 1 TQ F 0快 熔0 1 3 S0 1 3 T0 1 3 RK M 0 BK M 00 1 4 R0 1 4 S0 1 4 T2 0 20 1 5 R0 1 5 S0 1 5 TG N D 0R S 1 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 注：虛線部分為本文研究內(nèi)容 由上圖可以看出，本文的主要研究對象為硬件電路設(shè)計和 FPGA 采集模塊的實南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 現(xiàn) 。 FPGA 采集模式： FPGA 的 I/O 數(shù)量較多，每一個 I/O 口的功能都大致相同，因此其可移植性更強。因此 DSP/單片機的采集頻率很大程序受到時鐘的束縛，因此大多的 DSP 最大的采集速度為幾十 兆 或上百 兆 。而且串行的工作模式注定在同一時間只能采集一種信號 ， 這就必然限制了其采集速度和質(zhì)量。 （ 1） A/D 轉(zhuǎn)換的控制 傳統(tǒng)采集 模 式：通過軟件控制數(shù)據(jù)采集的 A/D 轉(zhuǎn)換。當(dāng)電路有少量改動時，更能顯示出 FPGA的優(yōu)勢，其現(xiàn)場編程能力可以延長產(chǎn)品在市場上的壽命， 而這種能力可以用來進(jìn)行系統(tǒng)升級或除錯。系統(tǒng)中硬件結(jié)構(gòu)盡可能的采用模塊化設(shè)計，各部分彼此不受影響，這樣在使用中對故障的排查也起到一定的簡易作用，方便系統(tǒng)的后期維護(hù)和升級 [8]。在滿足需求的基礎(chǔ)上，盡量選用應(yīng)用廣泛的器件。 （ 3） 硬件成本。 （ 2） 可擴展性。 系統(tǒng)設(shè)計原則 根據(jù)高頻電源的使用情況與基本的設(shè)計原則在具體實際中的考慮，本文按照以下原則進(jìn)行總體設(shè)計： （ 1） 可靠性。而隨著 FPGA 技術(shù)的不斷發(fā)展，基于 FPGA 的數(shù)字處理算法也不斷的產(chǎn)生。在 本章 中，針對 硬件電路中采集信號采集 模數(shù)轉(zhuǎn)換 芯片 ，各自獨 立設(shè)計一系列的采集程序，并著重對數(shù)據(jù)緩存技術(shù)做了深入的分析 。 因此 ，需對硬件選型十分慎重。 第四章是電除塵器高頻電源的采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計。 第三章是本文設(shè)計的基礎(chǔ)。本文詳細(xì)分析了 DA算法的原理，并根據(jù)原理在 FPGA 中實現(xiàn)了 FIR 濾波器。針對采集信號的特殊性，有針對性的設(shè)計調(diào)理采集電路，并在最后給出硬件電路設(shè)計的仿真波形與實際實驗波形的對比說明，驗證硬件電路設(shè)計的正確性 。 本文的研究內(nèi)容 基于目前國內(nèi)現(xiàn)有的基于傳統(tǒng)采集方式的電除塵器高頻電源 ，本文將現(xiàn)已發(fā)展成熟的 FPGA 技術(shù) 運用到高頻電源上 提高設(shè)備采集系統(tǒng)的性能 。其中國電環(huán)保研究院研制的高頻電源體積小、重量輕，其輸出功率更是達(dá)到 115KW，達(dá)到了國際水準(zhǔn) [6][7]。 雖然 我國的開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展基本上可源于 20 世紀(jì) 70 年代末和 80 年代初 ， 當(dāng)時引進(jìn)的開關(guān)電源技術(shù)在高等院校和一些科研所停留在試驗開發(fā)和教學(xué)階段 ，但是直到 21 世紀(jì)初，高頻電源在我國引進(jìn)， 而且其 高昂的價格，使其推廣使用變得尤為艱難。 20 世紀(jì) 90 年代末 ， 美國的 NWL 公司 、 丹麥 SMIDTH 公司和瑞典的 ALSTOM 公司等的高頻開關(guān)電源進(jìn)入市場并應(yīng)用于電力、化工等行業(yè)。但是，由于開關(guān)穩(wěn)壓電源的功率開關(guān)處于開關(guān)狀態(tài)，使其存在的輸出波紋電壓較高、瞬變響應(yīng)較差，對電網(wǎng)和外部電子設(shè)備有電磁干擾等缺點。除此以外，其輸出電壓的脈動大，使得除塵器的輸出平均電壓偏低，導(dǎo)致除塵效率相對較低，而且使用半控型器件使得發(fā)生閃絡(luò)放電或者短路等狀況時不能夠及時調(diào)整，延時大，系統(tǒng)響應(yīng)較慢，因此有可能會造成設(shè)備的損壞 [2][3][4]；但 其 優(yōu)良的輸出特性，使其在對電源性能要求較高的場合仍得到廣泛的應(yīng)用。而目前在中國，電除塵器數(shù)量占除塵器數(shù)量的百分之七十以上，我國明顯已經(jīng)是一個世界電除塵器的生產(chǎn)、應(yīng)用大國 [1][2]。而不僅是火電廠，煤炭加工、采礦、電力、冶金、煉油、化工、造紙等工業(yè)都是粉塵污染的排放源。s requirements. While FPGA has fast speed, good patibility and strong realtime, it is increasingly used for data collection and simple calculation. The overall structure of the design is based on the control platform of DSP and FPGA. This design makes full use of the flexibility of FPGA and parallel characteristic, matchs with specific ADs and serial memory chips, multichannel acquisition analog、digital signals, and the performance of the system is also improved. First, this paper makes a detailed introduction to the high frequency power supply for ESP and the principle of work, and datas collected in the high frequency power supply are analyzed and studied in details, including the requirements of acquisition and characteristics of the signal. Second, according to the design object, conditioning circuits of each path of signals is designed, and the circuit design principle and function are also analyzed in details, and the experimental waveform simulation waveform and the final physical design are presented at last After the design of hardware is finished, this paper makes a detailed analysis of the timing of data acquisition chip used in hardware circuit, implemented in FPGA software acquisition program and timing simulation, especially the data cache and data transmission are analyzed and discussed. Third, to enhance the efficiency of DSP and the system, after analog signals chanage to digital signals, a research of an implementation of FIR filter based on DA algorithm in FPGA is presented, and the implementation steps and detailed results is given. With the development of work and information technology, since its irreplaceable advantages, FPGA is more and more widely applied to various fields. The acquisition system based on FPGA designed in this paper, not only has the further promotion in realtime, and the system scalability is very strong。 第三，為提升 DSP 和系統(tǒng)效率，在模擬信號的數(shù)字化完成后，對在 FPGA 中實現(xiàn)基于 DA 算法的 FIR 濾波器做了進(jìn)一步研究，并給出了詳細(xì)的實現(xiàn)步驟和結(jié)果。在設(shè)計中，充分利用 FPGA的靈活性與并行性特點，與特定模數(shù)轉(zhuǎn)換器、串行寄存器芯片相互配合，實現(xiàn)模擬、數(shù)字信號的多通道采集，提高了系統(tǒng)的性能。 i 畢業(yè)論文 電除塵器高頻電源采集系統(tǒng)的設(shè)計 Design of High Frequency Power Supply Acquisition System for Electrostatic Precipitator ii 目 錄 摘要 ..................................................................................................................... I ABSTRACT ........................................................................................................ II 第一章 緒論 ........................................................................................................ 1 選題背景及研究意義 ..........................