【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(gè)（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(dòng)時(shí)打開主接觸器的判斷條件，運(yùn)行時(shí)要監(jiān)視該電壓。 采樣 數(shù)據(jù)研究 從分析整個(gè)電除塵器高頻電源的工作原理可知，具體轉(zhuǎn)換流程見(jiàn)圖 33，整個(gè)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(duì)多路模擬信號(hào)并行采集，并將采集的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后送 入 DSP，在 DSP 內(nèi)運(yùn)算處理； CPU 對(duì)高頻電源的各種故障信號(hào)（包括過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)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。 DSP 板產(chǎn)生 IGBT 的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)入 FPGA 后經(jīng)高速光電隔離后，由驅(qū)動(dòng)芯片提供較強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的發(fā)生信號(hào)。信號(hào)經(jīng)高速光耦芯片隔離，并采用繼電器專用驅(qū)動(dòng)芯片 ULN20xxA。 數(shù)字信號(hào)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(hào)的作用：數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)。電源的 PWM信號(hào)由 DSP 發(fā)出，進(jìn)入可編程邏輯門器件 FPGA 后，經(jīng)過(guò)一段調(diào)理隔離電路，到達(dá)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，信號(hào)在經(jīng)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路放大驅(qū)動(dòng)四個(gè) IGBT。所以 控制模塊 中不僅有核心芯片 DSP 和 PWM 信號(hào)發(fā)生的 FPGA 芯片，還包括簡(jiǎn)單的隔離調(diào)理和保護(hù)電路，和與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊傳輸?shù)?RS232 和 RS485 通訊接口。因此，在設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)時(shí)，將控制電路根據(jù)相近的功能作用，分配成以下幾個(gè)模塊 。 控制電路功能的分配設(shè)計(jì) 由高頻電源的系統(tǒng)原理初步設(shè)計(jì)圖可知，控制電路 主要由輔助電源、溫度檢測(cè)電路、信號(hào)采樣、隔離、調(diào)理電路、驅(qū)動(dòng)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(qiáng)強(qiáng)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(yùn)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(duì)靜電除塵器來(lái)說(shuō)，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(shí) ，輸出電壓的紋波越低，電場(chǎng)中粉塵顆粒的驅(qū)動(dòng)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(duì)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(duì)基于 FPGA 的設(shè)計(jì)架構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的規(guī)劃 、 并對(duì)其中的每個(gè)采集、調(diào)理環(huán)節(jié)做了進(jìn)一步的說(shuō)明。而 DSP 對(duì) FPGA 的參數(shù)設(shè)置、控制信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)量很少，通過(guò) SPI 即可實(shí)現(xiàn)。由于高低限的判斷 相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，因此在后文的設(shè)計(jì)中就省略了此處的描述。在本設(shè)計(jì)中，針對(duì)采集的信號(hào)的不同，設(shè)計(jì)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(jì)簡(jiǎn)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?jī)?nèi)容 由上圖可以看出，本文的主要研究對(duì)象為硬件電路設(shè)計(jì)和 FPGA 采集模塊的實(shí)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(gè) I/O 口的功能都大致相同，因此其可移植性更強(qiáng)。因此 DSP/單片機(jī)的采集頻率很大程序受到時(shí)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(shí)間只能采集一種信號(hào) ， 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(guò)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(dòng)時(shí)，更能顯示出 FPGA的優(yōu)勢(shì)，其現(xiàn)場(chǎng)編程能力可以延長(zhǎng)產(chǎn)品在市場(chǎng)上的壽命， 而這種能力可以用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)或除錯(cuò)。系統(tǒng)中硬件結(jié)構(gòu)盡可能的采用模塊化設(shè)計(jì)，各部分彼此不受影響，這樣在使用中對(duì)故障的排查也起到一定的簡(jiǎn)易作用，方便系統(tǒng)的后期維護(hù)和升級(jí) [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(kuò)展性。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 根據(jù)高頻電源的使用情況與基本的設(shè)計(jì)原則在具體實(shí)際中的考慮，本文按照以下原則進(jìn)行總體設(shè)計(jì)： （ 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(duì) 硬件電路中采集信號(hào)采集 模數(shù)轉(zhuǎn)換 芯片 ，各自獨(dú) 立設(shè)計(jì)一系列的采集程序，并著重對(duì)數(shù)據(jù)緩存技術(shù)做了深入的分析 。 因此 ，需對(duì)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(jì)。 第三章是本文設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了 FIR 濾波器。針對(duì)采集信號(hào)的特殊性，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)調(diào)理采集電路，并在最后給出硬件電路設(shè)計(jì)的仿真波形與實(shí)際實(shí)驗(yàn)波形的對(duì)比說(shuō)明，驗(yàn)證硬件電路設(shè)計(jì)的正確性 。 本文的研究?jī)?nèi)容 基于目前國(guó)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(yùn)用到高頻電源上 提高設(shè)備采集系統(tǒng)的性能 。其中國(guó)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(guó)際水準(zhǔn) [6][7]。 雖然 我國(guó)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(shí)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(yàn)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(guó)引進(jìn)， 而且其 高昂的價(jià)格，使其推廣使用變得尤為艱難。 20 世紀(jì) 90 年代末 ， 美國(guó)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(chǎng)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(duì)電網(wǎng)和外部電子設(shè)備有電磁干擾等缺點(diǎn)。除此以外，其輸出電壓的脈動(dòng)大，使得除塵器的輸出平均電壓偏低，導(dǎo)致除塵效率相對(duì)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(shí)不能夠及時(shí)調(diào)整，延時(shí)大，系統(tǒng)響應(yīng)較慢，因此有可能會(huì)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(duì)電源性能要求較高的場(chǎng)合仍得到廣泛的應(yīng)用。而目前在中國(guó)，電除塵器數(shù)量占除塵器數(shù)量的百分之七十以上，我國(guó)明顯已經(jīng)是一個(gè)世界電除塵器的生產(chǎn)、應(yīng)用大國(guó) [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(hào)的數(shù)字化完成后，對(duì)在 FPGA 中實(shí)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(shí)現(xiàn)步驟和結(jié)果。在設(shè)計(jì)中，充分利用 FPGA的靈活性與并行性特點(diǎn)，與特定模數(shù)轉(zhuǎn)換器、串行寄存器芯片相互配合，實(shí)現(xiàn)模擬、數(shù)字信號(hào)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(jì) 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 ..........................