【正文】 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。 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。兩個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果可通過(guò)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(guò)一條數(shù)據(jù)線路先后獲得。兩套完整的 ADC 允許兩個(gè)通道同時(shí)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(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(jiǎn)單。所以慎重的選擇一款性能高的 ADC 對(duì)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(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。本設(shè)計(jì)中配置 EP1C20F400I7 的 FLASH 芯片 為 EPCS4SI8N。為此， Altera 公司又特意開(kāi)發(fā)出一系列 FLASH 存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn) SignalTapII 嵌入式邏輯分析儀等功能，且其外圍電路簡(jiǎn)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(jī)等采集方式， FPGA 是邏輯門(mén)器件，是由門(mén)級(jí)電路組成。 輸 入信 號(hào)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(hào)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(hào)從中間穿過(guò)去，有效的抑制了高頻噪聲信號(hào) 。防雷擊 、 去共模 、 除差模和濾波是電源設(shè)計(jì)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(qiáng)、溫度高 ， 因此受到的干擾非常大，不僅信號(hào)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(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(tái)。根據(jù)功能的不同，對(duì)控制系統(tǒng)的進(jìn)行了簡(jiǎn)單的劃分，并簡(jiǎn)要的說(shuō)明了每個(gè)模塊主要的作用。 綜上所述，數(shù)字信號(hào)的采集一共有 8 路，分為高頻、低頻不同信號(hào)。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(dòng)方式與控制系統(tǒng)電源相同?？刂葡到y(tǒng)的交流電由繼電器控制，繼電器采用 24V的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。風(fēng)機(jī)是對(duì)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(dòng)信號(hào)也是 24V 的數(shù)字信號(hào)，因此其狀態(tài)信號(hào)也是 24V 數(shù)字量。主接觸器采用的是 24V 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在其開(kāi)通狀態(tài)量顯示24V 數(shù)字信號(hào)。 （ 1）主接觸器狀態(tài)。 電除塵器高頻電源的數(shù)字信號(hào)主要是有兩種，一種是各個(gè)開(kāi)關(guān)器件的狀態(tài)信號(hào)，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(hào)采集的數(shù)量會(huì)有所不同。 （ 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。當(dāng)該溫度超過(guò)攝氏 100℃ 時(shí)， 1s 內(nèi)能發(fā)出預(yù)報(bào)警；超過(guò)攝氏 120℃ 時(shí)，1s 內(nèi)能切斷主回路并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。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(guò)125℃ 。變壓器內(nèi)整流橋、鐵芯及線損均為發(fā)熱源。對(duì)油溫的監(jiān)測(cè)是 通過(guò) PT100 熱電阻 來(lái)測(cè)量。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 。 ? 采樣范圍：二次電壓的最大輸出為 720xxV，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(duì)變壓器高壓出線包負(fù)端采樣。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。 ? 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。 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 。 （ 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。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(chǎng)中，通過(guò)采集電場(chǎng)中其中一個(gè)電阻兩端的電壓所得的電壓信號(hào) 來(lái)表示二次電流的大小 。二次電流是直流信號(hào)，而相電流、一次電流都是交流信號(hào)。 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 。電路中設(shè)計(jì)了一次電流的積分電路，對(duì)每個(gè)波段的一次電流值進(jìn)行積分。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。 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(jí)線圈連線的電流值。相電流的采樣是 通過(guò) 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(hào)是一個(gè)電壓信號(hào)（ 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(cè) ，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(duì)其供電，因此對(duì)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(hào)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(cè)。 圖 34 母線電壓 仿真 波形 采集到的母線電壓信號(hào)輸入到 DSP 芯片中，在 DSP 芯片中，有特殊的控制程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行 “ 識(shí)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(hào)也都相同的識(shí)別過(guò)程。因此母線電壓的采樣信號(hào)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。 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(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(kāi)主接觸器的判斷條件，運(yùn)行時(shí)要監(jiān)視該電壓。 而除了電壓的變化之外，電流信號(hào)、各種溫度監(jiān)測(cè)信號(hào)和開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)也隨著電源在不同的運(yùn)行狀態(tài)而不同。 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。而模擬信號(hào)一直以來(lái)都是科研難題，特別是高壓、高頻等性質(zhì)的模擬信號(hào)，對(duì)其調(diào)理的方式 要求也很嚴(yán)格 。 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。 IGBT 故障信號(hào)主要是 IGBT 在故障時(shí)發(fā)出的報(bào)警信號(hào)。 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)。采集的狀態(tài)信號(hào)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。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。 其中 數(shù)字調(diào)理模塊包括數(shù)字驅(qū)動(dòng)模塊和數(shù)字采集模塊。 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)。 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?、大電流的性質(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(hào)，對(duì)其他弱電信號(hào)產(chǎn)生很大的影響。電源的 PWM信號(hào)由 DSP 發(fā)出，進(jìn)入可編程邏輯門(mén)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。驅(qū)動(dòng)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。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。以 DSP 強(qiáng)勢(shì)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)。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；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(lái)對(duì)高頻電源進(jìn)行控制。 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。 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。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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(kāi)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(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。利用軟開(kāi)關(guān)技術(shù) （ ZVS：零電壓開(kāi)通， ZCS：零電流關(guān)斷）減小了開(kāi)關(guān) 管 的損耗，提高了工作頻率，并且對(duì)電路運(yùn)行時(shí)的電磁干擾也有了很大的改善 [2]。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。 較早出現(xiàn)的是硬開(kāi)關(guān)型高頻電源，但其硬開(kāi)、硬關(guān)的特點(diǎn)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(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。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。并著重對(duì)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(duì)比說(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)。而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)涉及到 FPGA內(nèi)部的 RAM 使用 ， 數(shù)據(jù)的傳輸是 FPGA 與 DSP