CN104505809B - 带锁止功能的多能级火花检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带锁止功能的多能级火花检测系统，旨在解决静电除尘器发生电火花放电时，不能及时断开高压电源，导致电源模块、功率管易损坏的技术问题。它包括采样电路、调理电路、比较器、火花能级判别电路和用于封锁高压电源输出的锁止电路；火花能级判别电路包括CPLD控制芯片，CPLD控制芯片内集成有消抖电路、延时电路和火花检测控制电路。本发明能够可靠地锁止功率管驱动使能信号，瞬间断开过流负载的电源，从而保证高压电源的安全稳定运行；CPLD控制芯片集成消抖电路、延时电路和火花检测控制电路，集成度高，增加了控制系统的灵活性，便于调试和设备升级。

Description

带锁止功能的多能级火花检测系统

技术领域

本发明涉及一种带锁止功能的多能级火花检测系统，特别涉及静电除尘器内火花放电时的火花能级检测系统，属于电子技术领域。

背景技术

随着电力电子技术的飞速发展，作为其关键技术的MOSFET、IGBT等大功率器件因其出色的高频开关特性而被广泛地应用于通信、电子等各种领域。但它们作为一种大功率的复合器件，具有较弱的承受短时过载的能力。当工作中因过压或过流而使管内能量积聚时，极容易引起雪崩并损坏器件。因而在实际应用中过流保护技术一直是影响功率器件装置可靠、稳定运行的关键。

在静电除尘器正常工作时，因气体击穿产生的火花放电或本体内部产生局部短路以及其他原因造成本体负载电流超过最大允许电流(过流)时，若不及时断开高压电源输出，往往容易造成高压电源过载使整个系统不能正常工作或电源受损。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种带锁止功能的多能级火花检测系统，解决现有技术中静电除尘器发生电火花放电时，断开高压电源不及时，导致电源模块、功率管易损坏的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：带锁止功能的多能级火花检测系统，包括采样电路、调理电路、比较器D1、火花能级判别电路和用于封锁高压电源输出的锁止电路；

采样电路采集火花放电时产生的电信号，经调理电路调理，输出至比较器D1的“-”端与连接在比较器D1“+”端的基准电压进行比较；

所述锁止电路包括反相器D2F和RS触发器，反相器D2F的输入端与所述比较器D1的输出端电连接，反相器D2F的输出端与RS触发器的S端电连接，RS触发器的端与高压电源的功率管使能端电连接，用于封锁功率管驱动使能信号，Q端与DSP电连接，用于通知DSP高压电源的功率管驱动使能信号被封锁；

所述火花能级判别电路包括CPLD控制芯片，所述CPLD控制芯片内集成有消抖电路、延时电路和火花检测控制电路；

消抖电路消除火花信号中的干扰信号后分别送入延时电路和火花检测控制电路；延时电路将消除干扰信号后的火花信号展宽送入DSP；火花检测控制电路将火花分为中能级火花和小能级火花：对于中能级火花，火花检测控制电路将一直产生功率管驱动使能封锁信号；对于小能级火花，DSP直接停止发送功率管驱动信号。

所述火花检测控制电路包括火花计数器U1、火花计数器U2和三输入端或门，三输入端或门的输入端分别连接火花计数器U1的输出端、火花计数器U2的输出端和延时电路的输出端；火花计数器U1的清零端和火花计数器U2的清零端分别与DSP的CLR信号输出端电连接；

消抖电路的输入端与比较器D1的输出端电连接，消抖电路的输出端经非门inst15分别连接火花计数器U1的CLK端和第一或门inst57的一个输入端，第一或门inst57的另一个输入端与火花计数器U2的输出端电连接，第一或门inst57的输出端连接火花计数器U2的CLK端；

三输入端或门inst67的输出端连接第二或门inst83的一个输入端，第二或门inst83的另一输入端与DSP的功率管使能信号输出端电连接；第二或门inst83的输出端与所述功率管使能端电连接。

所述消抖电路包括时钟计数器inst47、SR锁存器和八个D-Q端顺序级联的D触发器，八个D触发器均分为两组，每组第一个D触发器的CP端与时钟计数器inst47的输出端电连接；第一组第一个D触发器inst51的D端与比较器D1的输出端电连接；

第二组最后一个D触发器inst49的Q端、第一组第一个D触发器inst51的Q端分别与第二与门inst59的输入端连接，还分别经各自的非门与第一与门inst58的输入端连接，第二与门inst59和第一与门inst58分别连接SR锁存器的信号输入端，SR锁存器的信号输出端连接火花检测控制电路的输入端；

当出现过流信号时，在时钟信号FRE的第一个上升沿，第一组第一个D触发器inst51输出低电平，第二个D触发器inst44在时钟信号FRE的第二个上升沿输出低电平，依次类推第八个D触发器inst49在时钟信号FRE的第八个上升沿输出低电平，将过流信号延迟几个微秒，小于此延时时间的视为干扰信号。

所述延时电路包括八个延时计数器、三个D触发器和一个或非门inst23，八个延时计数器均分为两组，每组延时计数器的RCO端和相邻下一延时计数器的ENP端连接，第一组第一个延时计数器inst10和第二组第一个延时计数器inst18的ENP端与ENT端短接后分别连接第一D触发器inst9的Q端和三输入端或门的输入端，第一组最后一个延时计数器inst11的RCO端连接第二D触发器inst35的D端，第二组最后一个延时计数器inst19的RCO端连接第三D触发器inst39的D端；

第一组延时计数器的CLK端分别连接所述时钟信号FRE和第二D触发器inst35的CP端；

第二组延时计数器的CLK端分别连接第三D触发器inst39的CP端，同时经第二非门inst22连接时钟信号FRE；

第二D触发器inst35的Q端和第三D触发器inst39的Q端分别连接或非门inst23的输入端，或非门inst23的输出端与所有延时计数器的CLRN端连接后，与第一D触发器inst9的CLRN端连接，第一D触发器inst9的CP端经第一非门inst14消抖电路的输出端连接。

所述调理电路包括整流电路和放大电路，所述整流电路的输入端与采样电路的输出端电连接，整流电路的输出端与放大电路的输入端电连接，放大电路的输出端与比较器D1的“-”端电连接；

采样电路采集火花放电时产生的电信号，经整流电路进行整流，再经放大电路反相放大后输出至比较器D1的“-”端与基准电压进行比较。

所述采样电路由霍尔传感器和功率电阻组成，霍尔传感器采集高压电源逆变模块输出的电流信号，经功率电阻转换成交流电压信号输出至调理电路。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：锁止电路可在静电除尘器内部产生高能级火花时直接可靠地锁止功率管驱动使能信号，瞬间断开过流负载的电源，从而保证高压电源的安全稳定运行；仅在静电除尘器内部确实存在持续短路产生高能级火花时才进行跳闸停机，对于瞬态电流尖峰等干扰过流信号具有较强的抗干扰能力；同时，可根据火花能级，实现火花率的最佳控制，促使电场场强的快速恢复，抑制反电晕，降低二次扬尘，提高电除尘器除尘效率和节能效果；CPLD控制芯片集成消抖电路、延时电路和火花检测控制电路，集成度高，增加了控制系统的灵活性，便于调试和设备升级。

附图说明

图1是本发明的电路原理框图。

图2是比较器与锁止电路的连接电路图。

图3是火花检测控制电路的电路图。

图4是消抖电路的电路图。

图5是延时电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，是本发明的电路原理框图，带锁止功能的多能级火花检测系统，包括采样电路、调理电路、比较器D1、火花能级判别电路和锁止电路，锁止电路用于断开高压电源输出端。

采样电路由霍尔传感器和功率电阻组成，霍尔传感器采集高压电源逆变模块输出的电流信号，采样信号为0～100mA的弱电流信号，经过功率电阻转换为交流电压信号，输出至调理电路。

调理电路包括整流电路和放大电路，整流电路的输入端与采样电路的输出端电连接，整流电路的输出端与放大电路的输入端电连接，放大电路的输出端与比较器D1的“-”端电连接。比较器D1的“+”端通过分压电阻R1连接基准电压源，比较器D1的输出端与“+”端之间还跨接有二极管V1和分压电阻R2。

如图2所示，锁止电路包括反相器D2F和RS触发器D3，反相器D2F的输入端与比较器D1的输出端电连接，反相器D2F的输出端与RS触发器D3的S端电连接，RS触发器的端与高压电源的功率管使能端电连接，用于封锁功率管驱动使能信号，Q端与DSP电连接，用于通知DSP高压电源的功率管驱动使能信号被封锁。

采样电路采集火花放电时产生的电信号，经调理电路中的整流电路进行整流，再经放大电路反相放大后，输出至比较器D1的“-”端与基准电压进行比较：若采样信号经过反相放大倍数的整定后大于比较器D1“+”端电压，此时D1输出下降沿，经反相器D2F反向后送入RS触发器D3的S端，D3的R端接复位信号。此时，D3反向输出端始终输出下降沿，经电平转换后直接拉低功率管驱动使能信号，而Q端经电平转换送入DSP，通知系统功率管驱动使能信号被封锁，此时检测到的火花能量等级很高，视为高能级火花。

若采样信号经过反相放大倍数的整定后大于比较器D1“+”端电压，但不足以大于火花硬件检测电路的基准电压值，此时比较器D1输出下降沿，送入火花能级判别电路中的CPLD控制芯片。

CPLD控制芯片内集成有消抖电路、延时电路和火花检测控制电路。消抖电路消除火花信号中的干扰信号后分别送入延时电路和火花检测控制电路；延时电路将消除干扰信号后的火花信号展宽送入DSP；火花检测控制电路将火花分为中能级火花和小能级火花：对于中能级火花，火花检测控制电路将一直产生功率管驱动使能封锁信号；对于小能级火花，DSP直接停止发送功率管驱动信号。

如图3所示，火花检测控制电路包括火花计数器U1、火花计数器U2和三输入端或门inst67。三输入端或门inst67的输入端分别连接火花计数器U1的输出端QA、火花计数器U2的输出端QB和延时电路的输出端，三输入端或门inst67的输出端连接第二或门inst83的一个输入端，第二或门inst83的另一输入端与DSP的功率管使能信号输出端电连接；第二或门inst83的输出端与功率管使能端电连接。DSP的CLR信号输出端分别经过两个非门与火花计数器U1的清零端CLRN和火花计数器U2的清零端CLRN连接。火花计数器U1的CLK端经非门inst15连接消抖电路的输出端，同时非门inst15的输出端还与第一或门inst57的一个输入端电连接，第一或门inst57的另一输入端连接火花计数器U2的输出端QB，第一或门inst57的输出端连接火花计数器U2的CLK端。

消抖电路输出的火花信号Q1经非门inst15转换成高电平,火花计数器U1、U2计数一次并产生功率管驱动使能封锁信号。DSP收到火花信号后立即给U1计数器清零信号CLR。若DSP没有正常给出清零信号CLR，U2计数两次后将一直产生功率管驱动使能封锁信号。此时的火花能量等级视为中能级火花。小能级火花由DSP根据火花信号的波形变化编写算法判断，检测到小能级火花后，DSP直接停止发送功率管驱动信号DSPEN1。GLXHDSP、U1的QA状态及U2的QB状态三者或逻辑后判定中能级火花，其结果再与DSPEN1或逻辑产生功率管驱动使能封锁信号。

如图4所示，消抖电路包括时钟计数器inst47、SR锁存器和八个D-Q端顺序级联的D触发器，八个D触发器均分为两组，每组第一个D触发器的CP端与时钟计数器inst47的输出端电连接。

第一组第一个D触发器inst51的D端与比较器D1的输出端电连接，两者之间连接两个非门D2D和D2E，用于增强电信号的驱动能力。

第二组最后一个D触发器inst49的Q端、第一组第一个D触发器inst51的Q端分别与第二与门inst59的输入端连接，还分别经各自的非门与第一与门inst58的输入端连接，第二与门inst59和第一与门inst58分别连接SR锁存器的信号输入端，SR锁存器的信号输出端连接火花检测控制电路的输入端。

当出现过流信号时，在时钟信号FRE的第一个上升沿，第一组第一个D触发器inst51输出低电平，第二个D触发器inst44在时钟信号FRE的第二个上升沿输出低电平，依次类推第八个D触发器inst49在时钟信号FRE的第八个上升沿输出低电平，将过流信号延迟几个微秒(如：1.28微秒)，小于此延时时间的视为干扰信号。时钟信号FRE由晶振分频得到。

如图5所示，延时电路包括八个十六进制的延时计数器、三个D触发器和一个或非门inst23，八个延时计数器均分为两组，每组延时计数器的RCO端和相邻下一延时计数器的ENP端连接，第一组第一个延时计数器inst10和第二组第一个延时计数器inst18的ENP端与ENT端短接后分别连接第一D触发器inst9的Q端和三输入端或门的输入端，第一组最后一个延时计数器inst11的RCO端连接第二D触发器inst35的D端，第二组最后一个延时计数器inst19的RCO端连接第三D触发器inst39的D端。第一组延时计数器的CLK端分别连接时钟信号FRE和第二D触发器inst35的CP端。第二组延时计数器的CLK端分别连接第三D触发器inst39的CP端，同时经第二非门inst22连接时钟信号FRE。第二D触发器inst35的Q端和第三D触发器inst39的Q端分别连接或非门inst23的输入端，或非门inst23的输出端与所有延时计数器的CLRN端连接后，与第一D触发器inst9的CLRN端连接，第一D触发器inst9的CP端经第一非门inst14消抖电路的输出端连接。

在FRE的上升沿，经反相器inst14反向后的火花信号接第一D触发器inst9的D端，第一D触发器inst9输出随其Q端发生跃变，控制延时计数器使能。当第一个延时计数器inst10计满16后，产生进位信号，接入第二个延时计数器inst12的使能端，由此类推第四个延时计数器inst11进位信号产生复位信号，与第八个延时计数器inst19产生的复位信号或非逻辑，使得第一D触发器inst9的输出变为高电平。同时，此高电平送至DSP，通知DSP封锁功率管使能信号GLXHDSP。

上述火花计数器U1、U2，时钟计数器inst47和延时电路中的八个延时计数器均选用74161计数器。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.带锁止功能的多能级火花检测系统，其特征在于，包括采样电路、调理电路、比较器D1、火花能级判别电路和用于封锁高压电源输出的锁止电路；

采样电路采集火花放电时产生的电信号，经调理电路调理，输出至比较器D1的“-”端与连接在比较器D1“+”端的基准电压进行比较；

所述锁止电路包括反相器(D2F)和RS触发器，反相器(D2F)的输入端与所述比较器D1的输出端电连接，反相器(D2F)的输出端与RS触发器的S端电连接，RS触发器的端与高压电源的功率管使能端电连接，用于封锁功率管驱动使能信号，Q端与DSP电连接，用于通知DSP高压电源的功率管驱动使能信号被封锁；

所述火花能级判别电路包括CPLD控制芯片，所述CPLD控制芯片内集成有消抖电路、延时电路和火花检测控制电路；

消抖电路消除火花信号中的干扰信号后分别送入延时电路和火花检测控制电路；延时电路将消除干扰信号后的火花信号展宽送入DSP；火花检测控制电路将火花分为中能级火花和小能级火花：对于中能级火花，火花检测控制电路将一直产生功率管驱动使能封锁信号；对于小能级火花，DSP直接停止发送功率管驱动信号。

2.根据权利要求1所述的带锁止功能的多能级火花检测系统，其特征在于，所述火花检测控制电路包括火花计数器U1、火花计数器U2和三输入端或门，三输入端或门的输入端分别连接火花计数器U1的输出端、火花计数器U2的输出端和延时电路的输出端；火花计数器U1的清零端和火花计数器U2的清零端分别与DSP的CLR信号输出端电连接；

消抖电路的输入端与比较器D1的输出端电连接，消抖电路的输出端经非门(inst15)分别连接火花计数器U1的CLK端和第一或门(inst57)的一个输入端，第一或门(inst57)的另一个输入端与火花计数器U2的输出端电连接，第一或门(inst57)的输出端连接火花计数器U2的CLK端；

三输入端或门(inst67)的输出端连接第二或门(inst83)的一个输入端，第二或门(inst83)的另一输入端与DSP的功率管使能信号输出端电连接；第二或门(inst83)的输出端与所述功率管使能端电连接。

3.根据权利要求2所述的带锁止功能的多能级火花检测系统，其特征在于，所述消抖电路包括时钟计数器(inst47)、SR锁存器和八个D-Q端顺序级联的D触发器，八个D触发器均分为两组，每组第一个D触发器的CP端与时钟计数器(inst47)的输出端电连接；第一组第一个D触发器(inst51)的D端与比较器D1的输出端电连接；

第二组最后一个D触发器(inst49)的Q端、第一组第一个D触发器(inst51)的Q端分别与第二与门(inst59)的输入端连接，还分别经各自的非门与第一与门(inst58)的输入端连接，第二与门(inst59)和第一与门(inst58)分别连接SR锁存器的信号输入端，SR锁存器的信号输出端连接火花检测控制电路的输入端；

当出现过流信号时，在时钟信号FRE的第一个上升沿，第一组第一个D触发器(inst51)输出低电平，第二个D触发器(inst44)在时钟信号FRE的第二个上升沿输出低电平，依次类推第八个D触发器(inst49)在时钟信号FRE的第八个上升沿输出低电平，将过流信号延迟几个微秒，小于此延时时间的视为干扰信号。

4.根据权利要求3所述的带锁止功能的多能级火花检测系统，其特征在于，所述延时电路包括八个延时计数器、三个D触发器和一个或非门(inst23)，八个延时计数器均分为两组，每组延时计数器的RCO端和相邻下一延时计数器的ENP端连接，第一组第一个延时计数器(inst10)和第二组第一个延时计数器(inst18)的ENP端与ENT端短接后分别连接第一D触发器(inst9)的Q端和三输入端或门的输入端，第一组最后一个延时计数器(inst11)的RCO端连接第二D触发器(inst35)的D端，第二组最后一个延时计数器(inst19)的RCO端连接第三D触发器(inst39)的D端；

第一组延时计数器的CLK端分别连接所述时钟信号FRE和第二D触发器(inst35)的CP端；

第二组延时计数器的CLK端分别连接第三D触发器(inst39)的CP端，同时经第二非门(inst22)连接时钟信号FRE；

第二D触发器(inst35)的Q端和第三D触发器(inst39)的Q端分别连接或非门(inst23)的输入端，或非门(inst23)的输出端与所有延时计数器的CLRN端连接后，与第一D触发器(inst9)的CLRN端连接，第一D触发器(inst9)的CP端经第一非门(inst14)消抖电路的输出端连接。

5.根据权利要求1所述的带锁止功能的多能级火花检测系统，其特征在于，所述调理电路包括整流电路和放大电路，所述整流电路的输入端与采样电路的输出端电连接，整流电路的输出端与放大电路的输入端电连接，放大电路的输出端与比较器D1的“-”端电连接；

采样电路采集火花放电时产生的电信号，经整流电路进行整流，再经放大电路反相放大后输出至比较器D1的“-”端与基准电压进行比较。

6.根据权利要求1所述的带锁止功能的多能级火花检测系统，其特征在于，所述采样电路由霍尔传感器和功率电阻组成，霍尔传感器采集高压电源逆变模块输出的电流信号，经功率电阻转换成交流电压信号输出至调理电路。