CN105549461B - 基于cpld芯片的电力电子装置辅助控制系统 - Google Patents

基于cpld芯片的电力电子装置辅助控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CPLD芯片的电力电子装置辅助控制系统，包括DSP、驱动DSP工作的CPLD芯片、与CPLD芯片输入端相连的数字信号检测单元，及均与CPLD芯片输出端相连的显示报警部分、IGBT驱动板和接触器控制单元；CPLD芯片包括RS触发器组、置位逻辑与门、故障识别模块、保护逻辑与门、封锁逻辑或门、第一延时逻辑及第二延时逻辑。本发明的基于CPLD芯片的电力电子装置辅助控制系统，故障保护功能全面，涵盖了直流母线过压、直流过流、三相交流输出过压、三相交流负载过流等故障，通用性强，适用于各种常规的电力电子装置；并且提供了对故障类型进行识别的方法，能快速、及时的识别故障类型，并根据不同的故障类型采取不同的报警操作，使电力电子装置运行更加灵活高效。

Description

基于CPLD芯片的电力电子装置辅助控制系统
技术领域
本发明属于电力电子装置领域，具体涉及一种基于CPLD芯片的电力电子装置辅助控制系统。
背景技术
电力电子装置是实现电能的可控变换、传输、处理和控制，将能量与信息高度集成于一体的装置。无论是传统产业，还是高技术产业，特别是在电力节能领域，都迫切需要提供高质量可控的电能。采用电力电子装置可以将各种能源高效率地变换成高质量电能，它已经成为弱电控制与强电运行之间，信息技术与先进制造技术之间，传统产业实现自动化、智能化、节能化、机电一体化之间的桥梁。因此，电力电子装置被广泛应用于能源、交通、通讯、国防、工业制造、航空航天、环境保护、家电等领域，已经成为国民经济发展、国家安全和人民日常生活中不可缺少的关键性装置。
电力电子装置出现故障是无法避免的，不同的故障类型对于电力电子装置的影响也不同。识别故障的类型，并根据不同类型的故障，进行不同的处理，对电力电子装置安全、灵活运行具有重要意义。如对电力电子装置影响较小的偶然性或干扰性故障，辅助控制系统可以短时封锁PWM信号，待故障消失以后自动打开，可以避免装置不必要的频繁关机；而对于电力电子器件安全运行影响较大的故障信号，则应该迅速关死PWM信号，确保装置不会损坏。因此，识别故障的类型也十分重要。
传统的利用硬件门电路(如CD4000系列芯片)实现的辅助控制逻辑，灵活性差，一旦系统设计完成，就无法根据不同装置的需要灵活调整。中国发明专利(授权公告号CN101895097B、授权公告日2012.12.05)公开了一种用FPGA软件实现的辅助控制逻辑，相比硬件门电路，设计更灵活，便于调整。但仍存在可以改进的地方：
1、该电路功能较单一，只对交流过流和直流过压信号进行了处理，而对于其他可能的故障信号并没有考虑，应用场合受到限制，通用性不强；
2、当出现故障，保护电路作用后，不能判断是哪些故障导致保护，也不能识别出最先出现的故障，不利于维护人员分析故障原因，并有针对性的对不同故障进行处理；
3、故障的处理方式单一，灵活性、适应性不强。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种设计和调试更加灵活方便、故障保护功能全面、且能快速及时的识别故障类型的基于CPLD芯片的电力电子装置辅助控制系统，通用型强，适用于各种常规的电力电子装置。
为实现上述目的，本发明所设计的基于CPLD芯片的电力电子装置辅助控制系统，包括DSP，还包括驱动所述DSP工作的CPLD芯片、与CPLD芯片输入端相连的数字信号检测单元，及均与CPLD芯片输出端相连的显示报警部分、IGBT驱动板和接触器控制单元；
所述CPLD芯片包括：
第一RS触发器和第二RS触发器，数字信号检测单元输出的开机信号和CPLD芯片掉电信号输送至第一RS触发器的置位端，数字信号检测单元输出的一般性故障信号经过故障识别模块锁定后连至第一RS触发器的复位端；数字信号检测单元输出的CPLD芯片掉电信号连至第二RS触发器的置位端，数字信号检测单元输出的关键性故障信号连至第二RS触发器的复位端；第一RS触发器输出的一般性故障标志和第二RS触发器输出的关键性故障标志均分别连至DSP、保护逻辑与门及封锁逻辑或门；DSP输出的PWM信号输送至保护逻辑与门，保护逻辑与门输出的PWM信号输送至IGBT驱动板，封锁逻辑或门输出的封锁信号连至所述故障识别模块的输入端；
置位逻辑与门，数字信号检测单元输出的无效开机信号或CPLD芯片掉电信号输送至置位逻辑与门后，置位逻辑与门输出的置位信号分别输送至第一RS触发器、第二RS触发器及开关检测逻辑与门，第一RS触发器和第二RS触发器置位，开关检测逻辑与门输出的开关检测信号输送至DSP。
进一步地，所述数字信号检测单元输出的限流信号和所述置位逻辑与门输出的置位信号均输送至所述保护逻辑与门。
进一步地，所述CPLD芯片还包括第一延时逻辑和第二延时逻辑；所述数字信号检测单元输出的时钟信号和DSP输出的PWM信号输送至第一延时逻辑，第一延时逻辑输出的延时信号输送至保护逻辑与门；所述数字信号检测单元输出的时钟信号和开机信号输送至第二延时逻辑，第二延时逻辑输出的延时信号分别输送至接触器控制单元和开关检测逻辑与门。
进一步地，所述显示报警部分包括各故障灯、蜂鸣器、数码管及工作灯；所述数字信号检测单元输出的限流信号连至第二RS触发器，第二RS触发器输出的限流标志通过第一逻辑或门输出的限流闪烁灯至各故障灯，第一RS触发器输出的一般性故障标志和第二RS触发器输出的关键性故障标志分别连至各故障灯；第一RS触发器输出的一般性故障标志和第二RS触发器输出的关键性故障标志分别通过第二逻辑或门输出的蜂鸣器信号至蜂鸣器；封锁逻辑或门输出的封锁信号通过第三逻辑或门输出的工作灯信号至工作灯；数字信号检测单元输出的时钟信号和开机信号通过逻辑与门输出的数码管显示信号输送至数码管。
进一步地，所述第二延时逻辑输出的延时信号输送至所述第三逻辑或门；所述第二延时逻辑输出的分频信号和脉冲信号分别输送至第一逻辑或门和第二逻辑或门。
进一步地，所述故障识别模块包括多个故障识别逻辑门，每个一般性故障信号和所述封锁信号连至相对应的故障识别逻辑门输入端。
进一步地，所述接触器控制单元的反馈信号输送至开关检测逻辑与门。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明的基于CPLD芯片的电力电子装置辅助控制系统，故障保护功能全面，涵盖了直流母线过压、直流过流、三相交流输出过压、三相交流负载过流等故障，通用性强，适用于各种常规的电力电子装置；并且提供了对故障类型进行识别的方法，能快速、及时的识别故障类型，并根据不同的故障类型采取不同的报警操作，使电力电子装置运行更加灵活高效。
附图说明
图1为本发明基于CPLD芯片的电力电子装置辅助控制系统的电路图；
图2为图1中RS触发器组连接示意图图；
图3为图1中故障识别模块连接示意图；
图4为图1中延时程序图。
图中各部件标号如下：数字信号检测单元1、接触器控制单元2、DSP3、CPLD芯片4、显示报警部分5、置位逻辑与门6、故障识别模块7、开关检测逻辑与门8、第一延时逻辑9、保护逻辑与门10、第二延时逻辑11、第一逻辑或门12、封锁逻辑或门13、第二逻辑或门14、第三逻辑或门15、IGBT驱动板16、各故障灯17、蜂鸣器18、数码管19、工作灯20、逻辑与门21、第一RS触发器22、第二RS触发器23、故障识别逻辑门24。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1为基于CPLD芯片的电力电子装置辅助控制系统，包括DSP3、驱动DSP3工作的CPLD芯片4、与CPLD芯片4输入端相连的数字信号检测单元1，及均与CPLD芯片4输出端相连的显示报警部分5、IGBT驱动板16和接触器控制单元2。
CPLD芯片4包括RS触发器组(第一RS触发器22、第二RS触发器23)、置位逻辑与门6、故障识别模块7、保护逻辑与门10、封锁逻辑或门13、第一延时逻辑9及第二延时逻辑11；
显示报警部分5包括各故障灯17、蜂鸣器18、数码管19及工作灯20，用于显示系统工作时的各种状态，以及在出现故障时报警，不同的故障类型对应不同的报警方式；
数字信号检测单元1负责检测电力电子装置的数字信号，送至CPLD芯片4中进行处理，这些信号包含各种故障信号(一般性故障信号和关键性故障信号)、CPLD芯片掉电信号、开机信号、时钟信号、限流信号等；
接触器控制单元2用于控制外部接触器的开通和关断，CPLD芯片4的开关检测逻辑与门8接收来自接触器辅助触点的反馈信号，实现装置整体的联动控制。
结合图2所示，数字信号检测单元1输出的开机信号取反后与CPLD芯片4掉电信号通过与门输送至第一RS触发器22的置位端，数字信号检测单元1输出的一般性故障信号经过故障识别模块7锁定后连至第一RS触发器22的复位端；数字信号检测单元1输出的CPLD芯片掉电信号连至第二RS触发器23的置位端，数字信号检测单元1输出的关键性故障信号连至第二RS触发器23的复位端。第一RS触发器22输出的一般性故障标志和第二RS触发器23输出的关键性故障标志均分别连至DSP3、保护逻辑与门10及封锁逻辑或门113；DSP3输出的PWM信号输送至保护逻辑与门10，保护逻辑与门10输出的PWM信号输送至IGBT驱动板16，封锁逻辑或门13输出的封锁信号连至故障识别模块7的输入端。当输出的开机信号有效且CPLD芯片4带电时，一般性故障信号和封锁信号输送至故障识别模块7后输出一般性故障锁定信号，该故障状态会被第一RS触发器22保持，并触发后续的保护和报警功能，直到开机信号无效或CPLD芯片掉电才能解除保持。当输出的开机信号无论是否有效，只要出现关键性故障信号，第二RS触发器23会立即保持该故障状态，触发后续的保护和报警功能。
本实施例中故障识别模块7，是当先后出现多个一般性故障信号时，能识别出最先检测到的一般性故障信号，并封锁后面的一般性故障信号，使输出只显示最先出现的一般性故障信号，其他一般性故障信号则不会被显示(对于关键性故障信号和限流信号，则不经过故障识别模块7，快速送入后续电路进行处理)。结合图3所示，该故障识别模块包括多个故障识别逻辑门24，每个故障识别逻辑门24单独控制一个一般性故障信号，每个一般性故障信号和封锁信号连至相对应的故障识别逻辑门24输入端。没有一般性故障信号时，封锁信号一直为低电平；当有一路一般性故障信号出现时，该路故障识别逻辑门24输出为低电平，然后封锁信号变为高电平，并使后续的一般性故障信号的故障识别逻辑门24输出始终为高电平，即封锁后续一般性故障信号的发出。
当数字信号检测单元1输出的为无效开机信号或CPLD芯片掉电信号输送至置位逻辑与门6后，置位逻辑与门6输出的置位信号分别输送至第一RS触发器22、第二RS触发器23及开关检测逻辑与门8，第一RS触发器22和第二RS触发器23置位，从而解除所有的故障保持信号，使显示报警部分5恢复为无故障状态，并且开关检测逻辑与门8输出的开关检测信号输送至DSP3。
数字信号检测单元1输出的限流信号直接连至第二RS触发器23，第二RS触发器23输出的限流标志通过第一逻辑或门12输出的限流闪烁灯至各故障灯17，第一RS触发器22输出的一般性故障标志和第二RS触发器23输出的关键性故障标志分别连至各故障灯17；第一RS触发器22输出的一般性故障标志和第二RS触发器23输出的关键性故障标志分别通过第二逻辑或门14输出的蜂鸣器信号至蜂鸣器18；封锁逻辑或门13输出的封锁信号通过第三逻辑或门15输出的工作灯信号至工作灯20；数字信号检测单元1输出的时钟信号和开机信号通过逻辑与门21输出的数码管显示信号输送至数码管19。
数字信号检测单元1输出的时钟信号和DSP3输出的PWM信号输送至第一延时逻辑9，第一延时逻辑9输出的延时信号输送至保护逻辑与门10；数字信号检测单元1输出的时钟信号和开机信号输送至第二延时逻辑11，第二延时逻辑11输出的延时信号分别输送至接触器控制单元2、开关检测逻辑与门8和第三逻辑或门15，第二延时逻辑11输出的分频信号和脉冲信号分别输送至第一逻辑或门12和第二逻辑或14门。电力电子装置开机后，通过延时程序发出不同的延时信号，给辅助控制系统的其他部分，这些延时信号包括接触器延时信号、PWM波延时信号等。延时逻辑可以发出不同的延时指令，保证各模块能安全有序的运行。
如图4所示为延时程序图。延时逻辑初始输出为低电平，计数器数值为0。程序开始执行时钟信号上升沿判断，在输入时钟信号的上升沿检测开机信号，若开机信号无效，则继续检测；若开机信号有效，则在每个上升沿，计数器加1。同时判断计数器的值是否小于某个给定值，若小于给定值，程序继续检测上升沿，直到计数器的值不小于给定值，延时逻辑的输出变为高电平。
另外，如果一般性故障信号和限流信号再后续可以自行消除的话，限流信号和位置信号就不需要经过RS触发器组保持，使得数字信号检测单元1输出的限流信号和置位逻辑与门6输出的置位信号均直接输送至保护逻辑与门10。

Claims (5)

1.一种基于CPLD芯片的电力电子装置辅助控制系统，包括DSP(3)，其特征在于：还包括驱动所述DSP(3)工作的CPLD芯片(4)、与CPLD芯片(4)输入端相连的数字信号检测单元(1)，及均与CPLD芯片(4)输出端相连的显示报警部分(5)、IGBT驱动板(16)和接触器控制单元(2)；
所述CPLD芯片(4)包括：
第一RS触发器(22)和第二RS触发器(23)，数字信号检测单元(1)输出的开机信号和CPLD芯片(4)掉电信号输送至第一RS触发器(22)的置位端，数字信号检测单元(1)输出的一般性故障信号经过故障识别模块(7)锁定后连至第一RS触发器(22)的复位端；数字信号检测单元(1)输出的CPLD芯片(4)掉电信号连至第二RS触发器(23)的置位端，数字信号检测单元(1)输出的关键性故障信号连至第二RS触发器(23)的复位端；第一RS触发器(22)输出的一般性故障标志和第二RS触发器(23)输出的关键性故障标志均分别连至DSP(3)、保护逻辑与门(10)及封锁逻辑或门(13)；DSP(3)输出的PWM信号输送至保护逻辑与门(10)，保护逻辑与门(10)输出的PWM信号输送至IGBT驱动板(16)，封锁逻辑或门(13)输出的封锁信号连至所述故障识别模块(7)的输入端；
置位逻辑与门(6)，数字信号检测单元(1)输出的无效开机信号或CPLD芯片(4)掉电信号输送至置位逻辑与门(6)后，置位逻辑与门(6)输出的置位信号分别输送至第一RS触发器(22)、第二RS触发器(23)及开关检测逻辑与门(8)，第一RS触发器(22)和第二RS触发器(23)置位，开关检测逻辑与门(8)输出的开关检测信号输送至DSP(3)；
所述数字信号检测单元(1)输出的限流信号和所述置位逻辑与门(6)输出的置位信号均输送至所述保护逻辑与门(10)；所述CPLD芯片(4)还包括第一延时逻辑(9)和第二延时逻辑(11)；所述数字信号检测单元(1)输出的时钟信号和DSP(3)输出的PWM信号输送至第一延时逻辑(9)，第一延时逻辑(9)输出的延时信号输送至保护逻辑与门(10)；所述数字信号检测单元(1)输出的时钟信号和开机信号输送至第二延时逻辑(11)，第二延时逻辑(11)输出的延时信号分别输送至接触器控制单元(2)和开关检测逻辑与门(8)。
2.根据权利要求1所述的基于CPLD芯片的电力电子装置辅助控制系统，其特征在于：所述显示报警部分(5)包括各故障灯(17)、蜂鸣器(18)、数码管(19)及工作灯(20)；所述数字信号检测单元(1)输出的限流信号连至第二RS触发器(23)，第二RS触发器(23)输出的限流标志通过第一逻辑或门(12)输出的限流闪烁灯至各故障灯(17)，第一RS触发器(22)输出的一般性故障标志和第二RS触发器(23)输出的关键性故障标志分别连至各故障灯(17)；第一RS触发器(22)输出的一般性故障标志和第二RS触发器(23)输出的关键性故障标志分别通过第二逻辑或门(14)输出的蜂鸣器信号至蜂鸣器(18)；封锁逻辑或门(13)输出的封锁信号通过第三逻辑或门(15)输出的工作灯信号至工作灯(20)；数字信号检测单元(1)输出的时钟信号和开机信号通过逻辑与门(21)输出的数码管显示信号输送至数码管(19)。
3.根据权利要求2所述的基于CPLD芯片的电力电子装置辅助控制系统，其特征在于：所述第二延时逻辑(11)输出的延时信号输送至所述第三逻辑或门(15)；所述第二延时逻辑(11)输出的分频信号和脉冲信号分别输送至第一逻辑或门(12)和第二逻辑或门(14)。
4.根据权利要求1所述的基于CPLD芯片的电力电子装置辅助控制系统，其特征在于：所述故障识别模块(7)包括多个故障识别逻辑门(24)，每个一般性故障信号和所述封锁信号连至相对应的故障识别逻辑门(24)输入端。
5.根据权利要求1所述的基于CPLD芯片的电力电子装置辅助控制系统，其特征在于：所述接触器控制单元(2)的反馈信号输送至开关检测逻辑与门(8)。
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