【正文】 但在噪聲環(huán)境下，建議連接高電平 [14]。對AD7356 的數(shù)字隔離采用的時 ADuM1402C 系列，帶寬達到 90M，最大延遲時間32ns。具體隔離電路如下圖所示。相對于調(diào)理電路，CPU 控制模塊（DSP + FPGA）沖擊的能力較弱，為保護FPGA 和 DSP 芯片，在調(diào)理電路和 CPU 控制模塊之間實行全隔離，即信號隔離和電源隔離。由此可以得出，???分信號的輸入電壓范圍： 。AD8034 是一款高速的雙通道放大器，帶寬高達 80M，具有低功耗、低成本的特點 [13]。 p圖 45 差分電路此方案將電除塵器高頻電源的單端雙極性信號轉(zhuǎn)換為一個差分單極性信號作為第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計23AD7356 的輸入。AD7356 具有內(nèi)置的 基準源，也可使用外部基準源，本設(shè)計使用的是 AD7356 內(nèi)部自帶的基準源。南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文22VINA+12REF_3GD45B6789CS0TLKUu/.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。兩個通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果可通過獨立的數(shù)據(jù)線路同時獲得，如果僅有一個串行端口可用，則可通過一條數(shù)據(jù)線路先后獲得。兩套完整的 ADC 允許兩個通道同時采樣和轉(zhuǎn)換。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 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，時序簡單。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。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。第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計21CON1GD2UT3V4Y08MR5_+.PL6FB/uSK圖 43 時鐘電路 Y02 是有源晶振，提供 48M 的外部時鐘。本設(shè)計中配置 EP1C20F400I7 的 FLASH 芯片為 EPCS4SI8N。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。該器件的用戶 IO 端口多，片內(nèi)邏輯單元數(shù)量大，并具有實現(xiàn) SignalTapII 嵌入式邏輯分析儀等功能，且其外圍電路簡單。本系統(tǒng)的 FPGA 采用的是 Altera 公司 Cyclone 系列的 EP1C20F400I7。 采集控制單元基于 FPGA 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不同于 DSP 或單片機等采集方式，F(xiàn)PGA 是邏輯門器件，是由門級電路組成。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。防雷擊、去共模、除差模和濾波是電源設(shè)計的主要目的。由于電除塵器高頻電源的工作環(huán)境特殊：室外、噪聲強、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。第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計19第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計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。根據(jù)功能的不同，對控制系統(tǒng)的進行了簡單的劃分，并簡要的說明了每個模塊主要的作用。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。為方便維護人員或電廠工作人員的不時之需，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。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。風(fēng)機是對變壓器郵箱的散熱通道進行吹風(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。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。（1）主接觸器狀態(tài)。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。因此，高頻電源的數(shù)字信號采集的數(shù)量會有所不同。（8）環(huán)境溫度采用鎧裝探頭 PT100 安裝于引風(fēng)機入口孔處，采集環(huán)境溫度，參與運行時溫升計算。當(dāng)該溫度超過攝氏 100℃時，1s 內(nèi)能發(fā)出預(yù)報警；超過攝氏 120℃時，1s 內(nèi)能切斷主回路并發(fā)出報警信號。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℃。變壓器內(nèi)整流橋、鐵芯及線損均為發(fā)熱源。對油溫的監(jiān)測是通過 PT100 熱電阻來測量。而二次電流的最大有效值為 ，?采 樣效值的 4 倍，因此二次電流的采樣值最大為 。? 采樣范圍：二次電壓的最大輸出為 72022V，頻率最大為 20KHz。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端采樣。本設(shè)計中采樣電阻實際工作功率 ，*2???有 效 值實際選用 3W2 電阻。? 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。下圖為二次電壓和二次電流的采集示意圖。（5）負載電壓（二次電壓）二次電壓，即電除塵器高頻電源的輸出電壓。因此在本設(shè)計中，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電阻兩端的電壓所得的電壓信號來表示二次電流的大小。二次電流是直流信號，而相電流、一次電流都是交流信號。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載上產(chǎn)生的電流。電路中設(shè)計了一次電流的積分電路，對每個波段的一次電流值進行積分。因為諧振頻率較高約 10kHz，互感器鐵芯選用高頻特性較好的鐵氧體鐵芯。圖 35 相電流仿真波形（3）一次電流一次電流是進入變壓器初級線圈連線的電流值。相電流的采樣是通過在供電的三相線中固定一個電流互感器，繼而互感器直接串接上一個固定電阻值，所以相電流采樣到模擬調(diào)理板上的信號是一個電壓信號（最大 2V 左右） ，頻率 50Hz。因此本系統(tǒng)采用交流電流互感器。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。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。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行“識別” ，然后根據(jù)比例進行放大后，輸出到 IFIX 上位機中監(jiān)控進行，以下信號也都相同的識別過程。因此母線電壓的采樣信號為： ，*531??峰值電壓： ，頻率為 150Hz。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 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）母線電壓南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文14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。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行狀態(tài)而不同。 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。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格。由 FPGA 對多路模擬信號并行采集，并將采集的信號進行預(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。IGBT 故障信號主要是 IGBT 在故障時發(fā)出的報警信第三章 電除塵器高頻電源介紹13號。DSP 板產(chǎn)生 IGBT 的兩路驅(qū)動信號，進入 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。采集的狀態(tài)信號進入數(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。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ULN2022A。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。 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。 高壓采樣電路在所有的數(shù)據(jù)采集電路中，高電壓、大電流永遠是危險的存在，不僅因為其高壓、大電流的性質(zhì)容易造成器件損壞，更因為在高壓、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。電源的PWM 信號由 DSP 發(fā)出，進入可編程邏輯門器件 FPGA 后，經(jīng)過一段調(diào)理隔離電路，到達驅(qū)動保護電路，信號在經(jīng)驅(qū)動保護電路放大驅(qū)動四個 IGBT。驅(qū)動電南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文12路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。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)理和保護電路，和與上位機實現(xiàn)通訊傳輸?shù)?RS232 和 RS485通訊接口。以 DSP 強勢的數(shù)字處理能力配合 FPGA 的高速時鐘頻率和并行觸發(fā)模式，實現(xiàn)最優(yōu)的實時監(jiān)控和最優(yōu)設(shè)計。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?？刂齐娐穼Ω哳l電源的各種故障信號（包括過流、過壓、欠壓、過熱等現(xiàn)象）進行監(jiān)視，當(dāng)出現(xiàn)故障時可以及時作出相應(yīng)的故障處理；控制電路還負責(zé)與上位機進行通訊，可由上位機發(fā)出的控制指令來對高頻電源進行控制。 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。主電路即屬于強電的電力轉(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。電源結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。本高頻電源采用 DSP+FPGA 作為控制核心，實現(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。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。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，并且對電路運行時的電磁干擾也有了很大的改善 [2]。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，這對電除塵器的南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文10除塵效率也是至關(guān)重要的。較早出現(xiàn)的是硬開關(guān)型高頻電源，但其硬開、硬關(guān)的特點直接限制了頻率的提升和自身的發(fā)展。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。其中負極，又稱為電暈極或放電極，是一個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。最后，對基于 FPGA 的設(shè)計架構(gòu)進行了簡單的規(guī)劃、并對其中的每個采集、調(diào)理環(huán)節(jié)做了進一步的說明。并著重對傳統(tǒng)采樣方式——DSP 或單片機的采樣方式和基于 FPGA 的高速采樣方式做了詳細的對比說明。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)。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。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。FPGA 軟件設(shè)計：在此設(shè)計中 FPGA 實現(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。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。因為從干擾嚴重或室外環(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，且維護困難。電除塵高頻電源信號采集器件硬件采集電路F P G A 采集程序模塊典型電路 / 獨立采集電路實驗結(jié)果M o d e l s i m 與V e c t o r W a v e f o r m仿真模塊化設(shè)計D S P 信號處理上位機顯示圖 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，