【正文】 I/O 口的功能都大致相同，因此其可移植性更強。 綜合以上原因，在本系統(tǒng)中采用 基于 FPGA 的 采集 模式來搭建 采集 平臺 。 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，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碩士學位論文 8 現(xiàn) 。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。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。 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。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。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。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)。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。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。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。 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。 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。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碩士學位論文 10 塵效率也是至關(guān)重要的。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]。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 。 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。電源結(jié)構(gòu)框圖如 下圖 所示 。 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。 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。 控制電路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。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 。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。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。驅(qū)動電路南京信息工程大學碩士學位論文 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。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。 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。 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。 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。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 ULN2021A。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。 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。 IGBT 故障信號主要是 IGBT 在故障時發(fā)出的報警信號。 由 FPGA 對多路模擬信號并行采集，并將采集的信號進行預處理后送入 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，當出現(xiàn)故障時可以及時作出相應(yīng)的故障處理 。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 。 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。 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 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。因此 母線電壓的采樣信號為 ： VV IN 4022*5301 ??，設(shè)計電路時的峰值電壓： VV IN PP * ??? ，頻率為 150Hz。 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。 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。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。因此本系統(tǒng)采用交流電流互感器。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。 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 進入變壓器初級線圈連線的電流值。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。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。 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 。二次電流是直流信號，而相電流、一次電流都是交流信號。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 。 （ 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。 南京信息工程大學碩士學位論文 16 下圖為二次電壓和二次電流的采集示意圖 。 ? 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。本設(shè)計中采樣電阻實際工作功率 WRIP * 22 ???? 有效值 ，實際選用 3W2 電阻。 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。 ? 采樣范圍：二次電壓的最大輸出為 72021V，頻率最大為 20KHz。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 。對油溫的監(jiān)測是 通過 PT100 熱電阻 來測量。變壓器內(nèi)整流橋、鐵芯及線損均為發(fā)熱源。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℃ 。當該溫度超過攝氏 100℃ 時， 1s 內(nèi)能發(fā)出預報警；超過攝氏 120℃ 時，1s 內(nèi)能切斷主回路并發(fā)出報警信號。 （ 8）環(huán)境溫度 采用鎧裝探頭 PT100 安裝于引風機入口孔處，采集環(huán)境溫度，參與運行時溫升計算。因此，高頻電源的數(shù)字信號采集的數(shù)量會有所不同。 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。 （ 1）主接觸器狀態(tài)。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。風機是對變壓器郵箱的散熱通道進行吹風、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?？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。 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 。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。 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。 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。防雷擊 、 去共模 、 除差模和濾波是電源設(shè)計的主要目的。 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 。 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， FPGA 是邏輯門器件，是由門級電路組成。 本系統(tǒng)的 FPGA 采用的是 Altera 公司 Cyclone 系列的 EP1C20F400I7。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。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。本設(shè)計中配置 EP1C20F400I7 的 FLASH 芯片 為 EPCS4SI8N。 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 21 CON1GND2OUT3VCC4Y0248MR0251GND_C+L06C02C01R03100GND_CC5GND_CSYS_CLK 圖 43 時鐘電路 Y02 是有源晶振，提供 48M 的外部時鐘。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。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。 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