【正文】 本設(shè)計(jì)采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是 Analog Devices 公司新推出的 AD7356。 典型電路設(shè)計(jì) 基于 AD7356 的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 模數(shù)轉(zhuǎn)換器在信號(hào)采集系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用，它直接影響著輸入到FPGA 信號(hào)的精度與速度。 FPGA 通過(guò)對(duì) 48M 時(shí)鐘的倍頻、分頻構(gòu)成 FPGA 系統(tǒng)運(yùn)行的主時(shí)鐘和數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘。 nCS1DATA2VCC3GND4ASDI5DCLK6VCC7VCC8U03EPCS4SI8N+GND_CGND_CR211kR221kR231kC21C22CFG_DCLKCFG_DATACFG_nCSCFG_ASDO 圖 42 配置電路 （ 2） 時(shí)鐘及 PLL FPGA 的時(shí)鐘電路如下圖所示 。當(dāng)程序少入 FLASH 后，斷電后重新上電， FLASH 中程序會(huì)自動(dòng)讀入 FPGA 中 ， 保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 EP1C20F400I7 特點(diǎn) [11]： ? 邏輯單元 20210 ? 最大用戶 IO 數(shù) 301 個(gè) ? M4K RAM 塊 64 個(gè)（每個(gè) M4K 為 4K，本設(shè)計(jì)可配置為 256*16） ? 內(nèi)部存儲(chǔ)容量 294912Bits ? PLL 數(shù)量 2 個(gè) FPGA 的配置電路 （ 1） FLASH 存儲(chǔ)器 在 EP1C20F400I7 內(nèi)部只存在 RAM 存儲(chǔ)塊，掉電 內(nèi)容丟失，因此不能存儲(chǔ)程序。 Cyclone系列 FPGA 是當(dāng)前市場(chǎng)上性?xún)r(jià)比最高的 FPGA 之一。因此其不具備單獨(dú)采集的功能，必須與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 20 配合使用，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。抑制器是整個(gè) 電路的輸入門(mén)檻，起到保護(hù)后級(jí)電路的作用；濾波電路種類(lèi)繁多， 針對(duì)不同信號(hào)靈活運(yùn)用，其中 RC 一階 濾波器簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可在電路中多分布運(yùn)用，而對(duì)噪聲干擾嚴(yán)重、特殊的信號(hào)（比如 二次電流等信號(hào)）設(shè)計(jì)濾波效果更好的二階有源濾波器；隔離電路和 AD 模塊分別應(yīng)用上述典型電路的設(shè)計(jì)， 但必須 根據(jù)具體的特殊信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的參數(shù)調(diào)整。由于高頻電源的各種特殊性，所以在進(jìn)行具體的采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要針對(duì)不同性質(zhì)、不同環(huán) 境下的信號(hào)進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，但大致的整個(gè)調(diào)理流程基本一致，如圖 41 所示 。因此在進(jìn)行供電電源設(shè)計(jì)時(shí)，特別進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 DSP 作為主處理器對(duì)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行收發(fā)和上位機(jī)通訊，而 FPGA 則是負(fù)責(zé)對(duì)電除塵器高頻電源數(shù)據(jù)的高速采集和預(yù)處理，并將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存和 DSP 傳輸。 然后在確定了電除塵器高頻電源的各個(gè)采集指標(biāo)后， 對(duì)每個(gè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明 ，包括頻率、幅值、波形等 屬性 ， 是后文中硬件電路設(shè)計(jì)和軟件采集的前提和基礎(chǔ)。 本章小結(jié) 本章主要介紹了電除塵器高頻電源的控制系統(tǒng)。 （ 5）因?yàn)槭菍?duì) IGBT 的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而 IGBT 發(fā)生 故障時(shí)能夠越快采取動(dòng)作，產(chǎn)生的損害也就越小，因此， IGBT 故障的反饋信號(hào)也做到 20KHz。 南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 18 （ 4）外設(shè)電源開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 （ 3）控制系統(tǒng)電源供給狀態(tài)。 （ 2）風(fēng)機(jī)狀態(tài)。主接觸 器位于三相電的入口處，通過(guò)對(duì)主接觸器 的開(kāi)通、關(guān)斷來(lái)控制設(shè)備的起 停。第二種是 4 個(gè) IGBT 的故障反饋信號(hào)，也是 4 路，其頻率 為 20kHz。在本設(shè)計(jì)中，研究對(duì)高頻電源的數(shù)字信號(hào)的采集，暫且不論低壓振打部分，但在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮在內(nèi)。 而本電源需要采集 的數(shù)字量針對(duì)不同電廠的需求而不同，因?yàn)樵诓糠蛛姀S需要對(duì)高壓電源部分和低壓振打部分進(jìn)行整合，而低壓振打部分的采集信號(hào)都為數(shù)字信號(hào)。為保證可靠性，每個(gè) IGBT 模塊一個(gè)溫度探頭 。本次設(shè)計(jì)從引用 IGBT 模塊內(nèi)部的 NTC 測(cè)溫探頭，直接測(cè)量 IGBT 的結(jié)溫，使保護(hù)更有效。 （ 7） 4 路 IGBT 模塊 的溫度 IGBT 在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)有導(dǎo)通功耗與開(kāi)關(guān)損耗，表現(xiàn)為發(fā)熱，需用散熱器把熱量傳導(dǎo)到外部。將 PT100 探頭伸入頂部油面下約 150mm 左右 ， 用于監(jiān)控變壓器內(nèi)的運(yùn)行狀況，當(dāng)整流變壓器油溫超過(guò)攝氏75℃ 時(shí)， 1s 內(nèi)能發(fā)出預(yù)報(bào)警信號(hào)；超過(guò)攝氏 85℃ 時(shí)， 1s 內(nèi)能切斷主回路并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 第三章 電除塵器高頻電源介紹 17 圖 38 二次電流、二次電壓仿真波形圖 （ 6）變壓器油箱的油溫 變壓器 是 高頻電源的核心部件，工業(yè)中變壓器最常用的是油浸式變壓器，其工作狀態(tài)受油的質(zhì)量、溫度影響很大，因此必須對(duì)變壓器的油溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證變壓器的正常運(yùn)行。因此二次電壓的采樣值值 VV ?采樣 。分壓電阻為 150MΩ，采樣電阻為 5kΩ、 1%精度 。 ? 采樣精度：采用 1%精密電阻，為提高可靠性，采用雙路 。 ? 電阻功率：隨著電阻功率和阻值增加電感也會(huì)增加，因此須對(duì)阻值與電感綜合考慮。 分壓電阻二次電流采樣電阻二次電壓采樣電阻高壓變壓器電除塵負(fù)高壓端子出口采樣板 圖 37 二次電壓、電流采樣 二次電流采樣電阻要求： ? 采樣范圍：二次電流為頻率為 20kHz、峰值范圍 0~4A、有效值 0~ 的直流脈沖信號(hào)。 二次電壓（電除塵器高頻電源的輸出電壓）采集方式也是通過(guò)在高壓采集板上的分壓電阻取得低壓小信號(hào)。 然后所得電壓信號(hào) 從二次電流電壓采樣板上經(jīng)濾波后送入采集系統(tǒng)，在 DSP 程序中含有對(duì)二次電流的積分模塊，對(duì)每個(gè)波段的二次電流值進(jìn)行積分。而由于電流互感器只能測(cè)量交流信號(hào)，對(duì)直流信號(hào)會(huì)有“磁疊加”現(xiàn)象，使被測(cè)信號(hào)零點(diǎn)出現(xiàn)偏移。 二次電流的采樣與一次電流的采樣不同 。設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)電路及電流正、反向過(guò)零檢測(cè)三路比較電路，過(guò)流保護(hù)電壓值為 1V 對(duì)應(yīng) 1200A 電流 。線圈匝比為 1:200，采樣電阻值為 3 個(gè)，可滿足全程采樣要求。 其采樣方式與相電流相同， 主要通過(guò)在連線上加裝電流互感器，測(cè)量電流信號(hào)。 下圖就是相電流的波形。 相電流是 三 相線路 供電電壓中一相 的電流值。最后一種是 電流互感器 ，其特性、成本、精度都介于霍爾元件和電阻方式之間 [1]。 而 分流器檢測(cè)方法由于分流器的體積過(guò)大一直不能廣泛應(yīng)用。 （ 2）相電流 電流檢測(cè) 方式可分為 四 種：電阻轉(zhuǎn)換電壓、分流器檢測(cè)、 霍爾元件 (LEM)和互感器方式。母線電壓仿真波形如下圖所示 。母線電壓的采樣，是通過(guò)并聯(lián)在三相整流橋輸出的三個(gè)電阻： 200k、 200k、 2k 分壓而得，采集的信號(hào)是小電阻 2k 兩側(cè)的壓差，屬于差分南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 14 信號(hào)。因此，對(duì)各種信號(hào)量的監(jiān)測(cè)是保證設(shè)備正常運(yùn)行的重要手段。電壓等級(jí)分為 4 種：輸入工業(yè)三相交流電電壓 380V、整流橋整流后的直流電壓 580V、逆變電路逆變后的電壓和經(jīng)過(guò)變壓器后的電壓。 首先根據(jù)電除塵器高頻電源的工作原理和結(jié)構(gòu)來(lái)決定數(shù)據(jù)采集的指標(biāo)以便對(duì)高頻電源的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷。 數(shù)據(jù)采集分析 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分?jǐn)?shù)字信號(hào)采集和模擬信號(hào)采集，數(shù)字信號(hào)只是單純的不同頻率的 “高” “低” 電平信號(hào)的輸入，調(diào)理電路簡(jiǎn)單，采集也相對(duì)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。 模擬信號(hào) 調(diào)理 電路 模擬信號(hào) 調(diào)理 電路的主要功能是對(duì)主電路的電壓、電流、溫度等信號(hào)進(jìn)行采集、第三章 電除塵器高頻電源介紹 13 調(diào)理 。為了提高信號(hào)的抗干擾能力，將接口電壓升抬至 15V輸出。 （ 3） IGBT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)及故障反饋電路：這兩種信號(hào)不同于以上兩種信號(hào)，屬于高頻信號(hào)。 （ 2）狀態(tài)開(kāi)關(guān)量采集電路：如風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)、振打接觸器信號(hào)、加熱回路接觸器信號(hào)等，對(duì)接觸器觸點(diǎn)提供 24V 回路信號(hào)。數(shù)字信號(hào)調(diào)理電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的調(diào)理，主要以下功能： （ 1）繼電器輸出控制：將由 DSP 控制起發(fā)送控制信號(hào)，在 FPGA 中譯碼，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)各路中間繼電器啟動(dòng)設(shè)備（如風(fēng)機(jī)、主回路接觸器、預(yù)充電回路接觸器等）。所以針對(duì)這兩種信號(hào)的不同特點(diǎn)，可以將這兩種信號(hào)隔離集中在兩種模塊：數(shù)字信號(hào)調(diào)理模塊和模擬信號(hào)采集模塊。在本電源采集的信號(hào)中，輸出的二次高壓（最高可達(dá) 70KV 以上 ）和二次電流（高達(dá) ）是比較特殊的一組，所以需要必要的手段對(duì)其進(jìn)行降壓和減流，達(dá)到一般的弱電等級(jí)信號(hào)，在進(jìn)行調(diào)理和采集。本電源采用的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路 是 瑞士 CONCEPT 公司生產(chǎn)的一款 2SC315AI 驅(qū)動(dòng)芯片 為 主要單元，所以驅(qū)動(dòng)電路是直接固定在 IGBT 上，驅(qū)動(dòng) IGBT 的導(dǎo)通和關(guān)斷。由于高頻電源采用的是脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，所以重要的 PWM 信號(hào)是驅(qū)動(dòng)整個(gè)設(shè)備工作的關(guān)鍵。 驅(qū)動(dòng)保護(hù)單元 驅(qū)動(dòng)電路的作用是將單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng) IGBT。它所實(shí)現(xiàn)的作用是將在整個(gè)高頻電源各部位采集得來(lái)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)經(jīng)過(guò)再次調(diào)理輸出到 IFIX 監(jiān)控上位機(jī)以 實(shí)時(shí) 反映設(shè)備在運(yùn)行中的狀態(tài)，并且是上位機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)控制的唯一監(jiān)控傳輸站。 DSP+FPGA 控制平臺(tái) 由上文可知，整個(gè)電除塵器高頻電源的控制系統(tǒng)是建立在以 DSP 為數(shù)字處理器和 FPGA 高速采集模塊的平臺(tái)上的。 由于所要采集的信號(hào)數(shù)量級(jí)相差 很大，有的電壓高達(dá)幾百伏，而有的電流則小至幾十毫安，控制電路采集的電流電壓信號(hào)是直接從高壓回路中通過(guò)采樣或分壓的方式采集，直接送入控制電路可能會(huì)導(dǎo)致微處理器及外圍電路損壞，因此需采用前端信號(hào)調(diào)理電路對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并且需要對(duì)各部分的電路進(jìn)行隔離以降低干擾?？刂齐娐分械男盘?hào)種類(lèi)繁多、復(fù)雜，包括模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、高頻信號(hào)、低頻信號(hào)、采集信號(hào)、通訊信號(hào)等，通過(guò)合理有效的應(yīng)用分配，從而能驅(qū)動(dòng)設(shè)備的正常運(yùn)行。 控制電路屬于弱電部分，其中包括各種數(shù)字、模擬量的采樣電路，故障保護(hù)電路，溫度檢測(cè)電路， PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路，串口通信和 CPU 控制系統(tǒng)等處理單元。 E M I濾 波 器三 相 整 流 輸 入 濾 波 全 橋 逆 變諧 振 網(wǎng) 絡(luò)高 壓變 壓 器輸 出整 流 橋除 塵 器負(fù) 載輔助電源溫 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D S P / F P G A 控 制 平 臺(tái)控制電路三相輸入 圖 32 高頻電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 電除塵器高頻電源根據(jù)強(qiáng)弱電的劃分，可分為主電路和控制電路兩部分 。以高速、大功率開(kāi)關(guān)器件 IGBT 作為逆變功率器件，將電除塵器電源的工作頻率提高至 20kHz，降低變壓器損耗。 本文所涉及的高頻電源是由南京國(guó)電環(huán)保科技有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的 HF02 型電除塵器高頻電源，所以其設(shè)計(jì)的特 點(diǎn)也主要是依照發(fā)電廠的電除塵器而特定的，因此可能具有一定的局限性 。 電除塵器高頻電源是利用高頻開(kāi)關(guān)技術(shù)而形成的逆變式電源，采用脈沖寬度調(diào)制（ PWM）技術(shù)，其供電電流是由一系列窄脈沖構(gòu)成，可以給電除塵器提供具有從接近純直流到脈動(dòng)幅度很大的各種電壓波形。 諧振式的高頻電源是在硬開(kāi)關(guān)型高頻電源的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái) ，為改進(jìn)硬開(kāi)關(guān)型的硬開(kāi)關(guān)特點(diǎn)，在其主電路中加入了諧振環(huán)節(jié)。因?yàn)橛查_(kāi)關(guān)直接在大電流、大電壓下關(guān)斷和開(kāi) 通，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗過(guò)大，從而使整個(gè)高頻電源的效率降低，并且直接對(duì) 電路溫升設(shè)計(jì)和 EMC 設(shè)計(jì)造成了很大的難題。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外普遍的靜電除塵器高頻電源有兩種類(lèi)型，一種為硬開(kāi)關(guān)型高頻電源，第二種為諧振型高頻電源。通過(guò) 在正極與負(fù)極之間施加 高壓直流電， 使其中 維持一個(gè)足以使 氣體電離的靜電場(chǎng)，見(jiàn)圖 31， 氣體電離后所生成的電子，陰離子和陽(yáng)離子，吸附在通過(guò)電場(chǎng)的粉塵上，而使粉塵獲得荷電 ， 荷電粉塵在電場(chǎng)力的作用下，便向電極性相反的電極運(yùn)動(dòng)而沉積在電極上，從而達(dá)到粉塵和氣體分離的目的 [9]。 第三章 電除塵器高頻電源介紹 9 第三章 電除塵器高頻電源 介紹 電除塵器高頻電源工作原理 電除塵器 實(shí)質(zhì)上是由 兩個(gè) 極性相反的電極構(gòu)成。最后總結(jié)出，基于FPGA 的高速、并行采樣方式更能夠滿足電除塵器高頻電源的要求，并且對(duì)設(shè)備的性能也有一定的提升作用。 本章小結(jié) 本章針對(duì)電除塵器高頻電源在實(shí)際中的工作環(huán)境，提出在設(shè)計(jì)中依據(jù)設(shè)計(jì)原則，以此來(lái)考慮設(shè)計(jì)中需要特別注意的細(xì)節(jié)。因?yàn)楸疚牡难芯恐攸c(diǎn)是數(shù)據(jù)采集 ，所以只考慮 FPGA 中數(shù)據(jù)向 DSP 的傳輸。 AD 采集就是針對(duì)不同的模數(shù)轉(zhuǎn)換 芯片 設(shè)計(jì)不同的采集接口程序。由于 FPGA 的并行模式特點(diǎn)，因此對(duì)數(shù)據(jù)的采集采用模塊化設(shè)計(jì)，并行對(duì)每一路 AD 采集、 濾波、高低限判斷、存儲(chǔ) 。在完成各部分的電路設(shè)計(jì) 后 ，最后給出實(shí)際電路的測(cè)試波形，以驗(yàn)證電路的正確性。因此在信號(hào)采集之后、 AD 轉(zhuǎn)換之前對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的調(diào)理是非常重要的，而對(duì)信號(hào)的調(diào)理電路也成為采集電路不可或缺的一部分。 硬件電路設(shè)計(jì)：硬件電路，即數(shù)據(jù)采集的調(diào)理電路，是保證采集信號(hào)可靠、準(zhǔn)確的關(guān)鍵部分，調(diào)理電路包括尖峰信號(hào)的抑制、 RC 濾波、隔離等電路。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 由上文可知，電除塵器高頻電源的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是建立在 FPGA 的 采集 平臺(tái)上 。而且由于 FPGA 的數(shù)據(jù)采集是配合一款 AD 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此進(jìn)入 FPGA 的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，對(duì)數(shù)字信號(hào)的隔離可有多種選擇，如光電隔離 、 磁隔離等。且當(dāng)采集的對(duì)象處于干擾嚴(yán)重或高壓環(huán)境下，對(duì)模擬信 號(hào)的隔離也需做特別處理。 FPGA