【正文】 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 FPGA 的并行模式特點，因此對數(shù)據(jù)的采集采用模塊化設(shè)計，并行對每一路 AD 采集、 濾波、高低限判斷、存儲 。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。 AD 采集就是針對不同的模數(shù)轉(zhuǎn)換 芯片 設(shè)計不同的采集接口程序。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。因為本文的研究重點是數(shù)據(jù)采集，所以只考慮 FPGA 中數(shù)據(jù)向 DSP 的傳輸。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)。 本章小結(jié) 本章針對電除塵器高頻電源在實際中的工作環(huán)境，提出在設(shè)計中依據(jù)設(shè)計原則，以此來考慮設(shè)計中需要特別注意的細(xì)節(jié)。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(xì)的對比說明。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，并且對設(shè)備的性能也有一定的提升作用。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。 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 實質(zhì)上是由 兩個 極性相反的電極構(gòu)成。其中負(fù)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。通過 在正極與負(fù)極之間施加 高壓直流電， 使其中 維持 一個足以使氣體電離的靜電場，見圖 31， 氣體電離后所生成的電子，陰離子和陽離子，吸附在通過電場的粉塵上，而使粉塵獲得荷電 ， 荷電粉塵在電場力的作用下，便向電極性相反的電極運動而沉積在電極上，從而達到粉塵和氣體分離的目的 [9]。 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。當(dāng)前，國內(nèi)外普遍的靜電除塵器高頻電源有兩種類型，一種為硬開關(guān)型高頻電源，第二種為諧振型高頻電源。 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。因為硬開關(guān)直接在大電流、大電壓下關(guān)斷和開通，導(dǎo)致開關(guān)損耗過大，從而使整個高頻電源的效率降低，并且直接對電路溫升設(shè)計和 EMC 設(shè)計造成了很大的難題。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。 諧振式的高頻電源是在硬開關(guān)型高頻電源的基礎(chǔ)上改進而來，為改進硬開關(guān)型的硬開關(guān)特點，在其主電路中加入了諧振環(huán)節(jié)。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]。 電除塵器高頻電源是利用高頻開關(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幅度很大的各種電壓波形。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。 本文所涉及的高頻電源是由南京國電環(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)計的特點也主要是依照發(fā)電廠的電除塵器而特定的，因此可能具有一定的局限性 。 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。以高速、大功率開關(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。電源結(jié)構(gòu)框圖如 下圖 所示 。 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 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)強弱電的劃分，可分為主電路和控制 電路兩部分。 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，故障保護電路，溫度檢測電路， PWM 信號驅(qū)動電路，串口通信和 CPU 控制系統(tǒng)等處理單元。 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。控制電路中的信號種類繁多、復(fù)雜，包括模擬信號、數(shù)字信號、高頻信號、低頻信號、采集信號、通訊信號等，通過合理有效的應(yīng)用分配，從而能驅(qū)動設(shè)備的正常運行。 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(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(fù)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。 由于所要采集的信號 數(shù)量級相差很大，有的電壓高達幾百伏，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是直接從高壓回路中通過采樣或分壓的方式采集，直接送入控制電路可能會導(dǎo)致微處理器及外圍電路損壞，因此需采用前端信號調(diào)理電路對采集信號進行預(yù)處理，并且需要對各部分的電路進行隔離以降低干擾。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 。 DSP+FPGA 控制平臺 由上文可知，整個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上的。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。它所實現(xiàn)的作用是將在整個高頻電源各部位采集得來的各項數(shù)據(jù)指標(biāo)經(jīng)過再次調(diào)理輸出到 IFIX 監(jiān)控上位機以 實時 反映設(shè)備在運行中的狀態(tài)，并且是上位機對整個系統(tǒng)控制的唯一監(jiān)控傳輸站。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)動保護單元 驅(qū)動電路的作用是將單片機輸出的脈沖進行功率放大，以驅(qū)動 IGBT。驅(qū)動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。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 信號是驅(qū)動整個設(shè)備工作的關(guān)鍵。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。本電源采用的驅(qū)動保護電路 是 瑞士 CONCEPT 公司生產(chǎn)的一款 2SC315AI 驅(qū)動芯片 為 主要單元，所以驅(qū)動電路是直接固定在 IGBT 上，驅(qū)動 IGBT 的導(dǎo)通和關(guān)斷。 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。在本電源采集的信號中，輸出的二次高壓（最高可達 70KV 以上 ）和二次電流（高達 ）是比較特殊的一組，所以需要必要的手段對其進行降壓和減流，達到一般的弱電等級信號，在進行調(diào)理和采集。 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。所以針對這兩種信號的不同特點，可以將這兩種信號隔離集中在兩種模塊：數(shù)字信號調(diào)理模塊和模擬信號采集模塊。 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)理電路主要實現(xiàn)對數(shù)字信號的調(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，在 FPGA 中譯碼，輸出驅(qū)動信號，驅(qū)動各路中間繼電器啟動設(shè)備（如風(fēng)機、主回路接觸器、預(yù)充電回路接觸器等）。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 ULN20xxA。 （ 2）狀態(tài)開關(guān)量采集電路：如風(fēng)機運行信號、振打接觸器信號、加熱回路接觸器信號等，對接觸器觸點提供 24V 回路信號。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。 （ 3） IGBT 驅(qū)動信號及故障反饋電路：這兩種信號不同于以上兩種信號，屬于高頻信號。 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。為了提高信號的抗干擾能力，將接口電壓升抬至 15V輸出。 IGBT 故障信號主要是 IGBT 在故障時發(fā)出的報警信號。 模擬信號 調(diào)理 電路 模擬信號 調(diào)理 電路的主要功能是對主電路的電壓、電流、溫度等信號進行采集、第三章 電除塵器高頻電源介紹 13 調(diào)理 。 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。 數(shù)據(jù)采集分析 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分?jǐn)?shù)字信號采集和模擬信號采集，數(shù)字信號只是單純的不同頻率的 “高” “低” 電平信號的輸入，調(diào)理電路簡單，采集也相對比較簡單，容易實現(xiàn)。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(yán)格 。 首先根據(jù)電除塵器高頻電源的工作原理和結(jié)構(gòu)來決定數(shù)據(jù)采集的指標(biāo)以便對高頻電源的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控和故障診 斷。 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。電壓等級分為 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)過變壓器后的電壓。 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。因此，對各種信號量的監(jiān)測是保證設(shè)備正常運行的重要手段。 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。母線電壓的采樣，是通過并聯(lián)在三相整流橋輸出的三個電阻： 200k、 200k、 2k 分壓而得，采集的信號是小電阻 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。因此母線電壓的采樣信號為： VV IN 6 3 4 0 22*5 3 01 ??，設(shè)計電路時的峰值電壓： VVI N PP 7 2 *6 3 ??? ，頻率為 150Hz。母線電壓仿真波形如下圖 所示 。 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。 （ 2）相電流 電流檢測 方式可分為四種：電阻轉(zhuǎn)換電壓、分流器檢測、 霍爾元件 (LEM)和互感器方式。 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。 而 分流器檢測方法由于分流器的體積過大一直不能廣泛應(yīng)用。第三種是 用 霍爾元件 LEM