CN101783592A - 一种高压变频器的调制解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压变频器的调制解调方法，包括以下步骤：处理器运算得出变频控制所需的频率值、电压值和对功率单元进行控制的信号，并传输给FPGA；FPGA进行数值比较得出PWM信号；FPGA将PWM波和功率单元控制信号转化为高频脉冲；FPGA将高频脉冲调制为TTL电平信号输出；电平信号通过光纤传送至功率单元；功率单元中的CPLD将不同频率的高频脉冲信号分离出来，传递给IGBT；功率单元中的单片机将功率单元当前的状态信息和故障信息传送至主控制单元的单片机，单片机将信息转发给处理器。本技术方案是采用FPGA调制、CPLD解调后的PWM波，提高功率单元的输出电压。同时，采用的光纤传送提高系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种调制解调方法，尤其涉及一种高压变频器的调制解调方法。
背景技术
目前，高压变频器的脉宽调制多采用三角波作为载波，正弦波作为调制波，对载波和调制波进行数值比较得到正弦脉宽调制波(Sinusoidal Pulse Width Modulation，简称SPWM)，然后将SPWM信号和功率单元控制信号，通过光纤线路发送至功率单元，功率单元接收到控制信号后控制绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，下文简称IGBT)的通断。其中，功率单元控制信号包括启动信号、停止信号、复位信号、旁通信号，光纤线路传送通常采用光纤通信或者光电隔离传送方式。采用该种正弦调制解调方法，高压变频器的输入电压基本固定，其直流母线电压也基本固定。其中，直流母线电压利用率仅为86.6％，功率单元的电压输出效率不够理想。同时，光纤通信主要用来传输多媒体数据，光纤发送机和光纤接收机本身的结构复杂，因此整个系统非常庞大，而且投资成本高。虽然光电耦合器件的信号传送是利用光媒介实现输入和输出的隔离，但其发送端和接收端集成在同一个芯片中，无法实现远距离的信号传输。同时，由于高压工作环境中有很强的电磁干扰，所以以上信号传输方法容易导致控制信号错误，影响高压变频器控制系统的稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种高压变频器的调制解调方法，以提高功率单元的输出电压，并提高高压变频器控制系统的稳定性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种高压变频器的调制解调方法，包括以下步骤：
第一步处理器运算得出变频控制所需的频率值、电压值和对功率单元进行控制的信号，并传输给现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，下文简称FPGA)；
第二步FPGA接收频率值和电压值，进行数值比较得出脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，下文简称PWM)信号；
第三步FPGA对PWM波和功率单元控制信号进行宽度的脉冲化，将其转化为具有固定频率的高频脉冲；
第四步FPGA将PWM信号的高频脉冲和控制信号的高频脉冲调制为TTL电平信号输出；
第五步电平信号通过光纤传送至功率单元；
第六步功率单元中的复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，下文简称CPLD)将不同频率的高频脉冲信号分离出来，传递给IGBT；
第七步功率单元中的单片机将功率单元当前的状态信息和故障信息通过串行通讯方式，通过光纤传送至主控制单元，主控制单元的单片机接收信息并转发给处理器。
所述的第五步和第七步中，光纤传送是利用光波为载体，光纤为传输媒介。
与现有技术相比，采用本技术方案，具有以下优点：
1.提高功率单元的输出电压。现有技术的高频变压器的调制解调方法，是采用三角波作为载波，正弦波作为调制波，然后将载波和调制波进行数值比较得到SPWM波。而本技术方案是采用FPGA调制、CPLD解调后的PWM波。PWM波可以使每个功率单元的逆变输出电压比正弦波调制输出的电压提高15％，显著提高了功率单元直流母线电压的利用率，从而提高功率单元的输出电压。
2.提高控制系统稳定性。现有技术中通常使用光纤通信或者光电耦合器件进行信号传送。光纤通信系统庞大，并且投资成本大。光电耦合器件不易进行远距离传输。本技术方案中采用的光纤传送是利用光波为载体，光纤为传输媒介，在主控单元和功率单元之间进行信号通讯，可以避免高压环境带来的电磁干扰，从而提高系统的稳定性。
附图说明
图1是本发明中PWM信号生成的流程示意图。
图2是本发明中的马鞍波脉宽调制前后形状示意图。
图3是本发明中PWM波高频脉冲化前后形状示意图。
图4是本发明中调制信号的流程示意图。
图5是本发明中光纤传送的流程示意图。
具体实施方式
本发明的一种高压变频器的调制解调方法，包括以下步骤：
第一步处理器运算得出变频控制所需的频率值、电压值和对功率单元进行控制的信号，并传输给FPGA。
如图1所示，在该步骤中，处理器可以位于主控制单元中。处理器经过其自身的运算程序，得到高压变频器控制所需要的频率值、电压值和对功率单元进行控制的信号，并传输给FPGA。其中，处理器运算得到的对功率单元进行控制的信号包括启动信号、停止信号、复位信号和旁通信号。处理器运算优先选择数字信号处理(Digital Signal Processing，下文简称DSP)运算。
第二步FPGA接收频率值和电压值，进行数值比较得出PWM信号。
如图1所示，在该步骤中，位于主控制单元上的FPGA，首先接收从处理器传递的频率值、电压值和对功率单元进行控制的信号，然后经过内部运算，输出PWM信号。该内部运算过程包括以下步骤：
FPGA接收频率值，计算得出马鞍波调制波的频率；FPGA接收电压值，与FPGA中的只读内存(Read-Only Memory，下文简称ROM)中得到的马鞍波数值相乘，得出马鞍波调制波的幅值，从而产生具有一定频率的马鞍波。
FPGA利用计数器和时钟产生具有一定频率的三角波；
将所述的马鞍波和所述的三角波进行数值比较，得出PWM信号。
第三步FPGA对PWM波和功率单元控制信号进行宽度的脉冲化，将其转化为具有固定频率的高频脉冲。
如图2和图3所示，在本步骤中，根据高压变频器不同频率和不同波段的要求，FPGA对PWM波和功率单元控制信号进行不同宽度的脉冲化。例如，将PWM信号调制为8倍时钟周期的高频脉冲信号，将主控制单元发送给功率单元的启动信号调制为24倍时钟周期的高频脉冲信号，将主控制单元发送给功率单元的停止信号调制为32倍时钟周期的高频脉冲信号，将主控制单元发送给功率单元的复位信号调制为40倍时钟周期的高频脉冲信号，将主控制单元发送给功率单元的旁通信号调制为48倍时钟周期的高频脉冲信号。
第四步FPGA将PWM信号的高频脉冲和控制信号的高频脉冲调制为TTL电平信号输出。
如图4所示，在该步骤中，各个不同频率的高频脉冲通过电平转换芯片调制为TTL电平信号，然后根据控制要求的时间不同，FPGA输出不同高电平宽度的TTL电平信号。例如，对于旁通信号，FPGA在接收到DSP处理器发送的旁通信号后，就产生一个48时钟周期的高频脉冲信号。FPGA产生的该48时钟的高频脉冲信号转为TTL电平后，通过光纤发送器发送到功率单元。因此不同高频脉冲的TTL电平信号在时间上有先后，在高电平宽度上有不同，但都是通过同一个光纤发送器发送。
第五步电平信号通过光纤传送至功率单元。
如图5所示，在该步骤中，光纤传送是利用光波为载体，光纤为传输媒介，采用分立光纤发送器和光纤接收器来实现远距离传送PWM信号和控制信号。在高压变频器中的主控制单元中设置光纤发送器，在功率单元中设置光纤接收器，通过光纤发送器将信号发送至功率单元，功率单元利用光纤接收器接收信号。
第六步功率单元中的CPLD将不同频率的高频脉冲信号分离出来，传递给IGBT；
如图5所示，在该步骤中，功率单元中的CPLD通过将不同频率的高频脉冲信号分离出来，得到所需的控制信号，然后传递给IGBT。例如，对于分离所得到的启动信号，通过CPLD将启动信号发送给IGBT的驱动芯片，使IGBT开始工作。对于分离所得到的停止信号，通过CPLD将停止信号发送给IGBT的驱动芯片，使IGBT停止工作。对于分离所得到的复位信号，通过CPLD将复位信号发送给IGBT的驱动芯片、单片机或者CPLD自身，使功率单元的故障状态短时间内取消。对于分离所得到的旁通信号，通过CPLD将旁通信号发送给IGBT的驱动芯片，使IGBT停止工作，同时使旁通电路工作。
第七步功率单元中的单片机将功率单元当前的状态信息和故障信息通过串行通讯方式发送至主控制单元，主控制单元的单片机接收信息并转发给处理器。
如图5所示，主控单元有一个光纤接收器和一个光纤发送器，而功率单元也同样有一个光纤接收器和一个光纤发送器。主控单元的光纤发送器和功率单元的光纤接收器通过一条光纤连接，为主控单元向功率单元发送控制信号服务。主控单元的光纤接收器和功率单元的光纤发送器通过一条光纤连接，为功率单元向主控单元发送状态信息服务。功率单元的单片机将功率单元母线电压值、故障信息转为数字信息，并利用串行通讯协议通过光纤发送器发送至主控单元的光纤接收器。主控单元的单片机将光纤接收器接收到的数字信息整合，并转发给处理器DSP，DSP根据这些接收到的功率单元状态信息产生新的控制信号。
采用本技术方案，利用FPGA调制、CPLD解调后的PWM信号控制方式，输出的单个功率单元电压提高了15％，单相串联叠加后得到的马鞍波相电压有效值也提高了15％，而相应得到的正弦线电压也就提高了15％。而传统的SPWM控制技术不能充分利用逆变器直流侧的直流电压，直流利用效率不高。同时，主控单元和功率单元的通讯设计采用光纤连接进行PWM信号和控制信号的传送，并实现高压和驱动信号的隔离，从而达到远距离的准确传送目的。例如，6KV高压变频器在使用本技术方案之后，每相串联的功率单元数由原来正弦波调制时的7个单元缩减为6个，大大降低了生产成本。同时在采用光纤进行信号传输后，系统的稳定性得到显著的提高，平均无故障运行时间增加20％。
Claims (4)
1.一种高压变频器的调制解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步处理器运算得出变频控制所需的频率值、电压值和对功率单元进行控制的信号，并传输给FPGA；
第二步FPGA接收频率值和电压值，进行数值比较得出PWM信号；
第三步FPGA对PWM波和功率单元控制信号进行宽度的脉冲化，将其转化为具有固定频率的高频脉冲；
第四步FPGA将PWM信号的高频脉冲和控制信号的高频脉冲调制为TTL电平信号输出；
第五步电平信号通过光纤传送至功率单元；
第六步功率单元中的CPLD将不同频率的高频脉冲信号分离出来，传递给IGBT；
第七步功率单元中的单片机将功率单元当前的状态信息和故障信息通过串行通讯方式，通过光纤传送至主控制单元，主控制单元的单片机接收信息并转发给处理器。
2.按照权利要求1所述的高压变频器的调制解调方法，其特征在于，所述的第二步具体包括下列步骤：
FPGA接收频率值，计算得出马鞍波调制波的频率；FPGA接收电压值，与FPGA中的ROM中得到的马鞍波数值相乘，得出马鞍波调制波的幅值；
FPGA利用计数器和时钟产生三角波；
将所述的马鞍波和所述的三角波进行数值比较，得出PWM信号。
3.按照权利要求2所述的高压变频器的调制解调方法，其特征在于，所述的第五步和第七步中，光纤传送是利用光波为载体，光纤为传输媒介。
4.按照权利要求3所述的高压变频器的调制解调方法，其特征在于，所述的第五步中的光纤传送，是在高压变频器中的主控制单元中设置一个光纤发送器，在功率单元中设置一个光纤接收器，用光纤连接该光纤发送器和光纤接收器；所述的第七步中的光纤传送，是在高压变频器中的主控制单元中设置一个光纤接收器，在功率单元中设置一个光纤发送器，用光纤连接该光纤发送器和光纤接收器。
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| CN103607334A (zh) * | 2013-12-02 | 2014-02-26 | 北京京诚瑞达电气工程技术有限公司 | 变频器控制系统及其使用方法、设备 |
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