CN105785885A - 基于dsp+fpga的高频高压静电除尘电源自动控制系统 - Google Patents

基于dsp+fpga的高频高压静电除尘电源自动控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DSP+FPGA的高频高压静电除尘电源自动控制系统，包括电源板、模拟数字信号调理板、DSP+FPGA主控板、IGBT驱动板和上位机；电源板与模拟数字信号调理板、DSP+FPGA主控板和IGBT驱动板连接；模拟数字信号调理板对除尘电源主电路中的模拟量和数字量进行采集和调理，并将调理后的电压模拟量传递给DSP+FPGA主控板；DSP+FPGA主控板结合采集到的信息发出PWM信号和继电器控制信号，通过信号调理板调理后，继电器控制信号用于控制继电器；PWM信号通过IGBT驱动电路控制除尘电源主电路中的全桥逆变电路；DSP+FPGA主控板通过CAN总线与上位机进行数据交换。本发明数据运行更加稳定，系统安全性高，提高了监测效率并加快了输出电压调节的响应速度。

Description

基于DSP+FPGA的高频高压静电除尘电源自动控制系统
技术领域
本发明属于变频控制技术领域，具体地说是一种基于DSP+FPGA的高频高压静电除尘电源自动控制系统。
背景技术
随着我国经济飞速发展，工业生产规模急剧扩大。与之而来的雾霾严重、PM2.5浓度值超标等环境问题严重影响着人们健康的同时也束缚了工业化的进一步发展。造成这一系列现象的主要原因是工业生产过程中未经处理便排放到空气中的烟（粉）尘，因此治理工业粉尘污染越来越受到人们的重视。
静电除尘器的基本原理是使含尘气体通过高压电场，使得悬浮颗粒荷电从而被集尘极吸附、清除。其中高频电源静电除尘器较工频电源静电除尘器来说，除尘效率更高，电网污染更小等，诸多优点使得高频化成为静电除尘高压电源发展的主流趋势。高频高压静电除尘电源控制系统是高频高压静电除尘器的核心部分，对静电除尘的除尘效率和运行稳定性具有重要影响。
传统高频高压静电除尘电源主要采用单DSP（数字信号处理）作为主控芯片，利用DSP芯片的ADC模块直接进行数据采集，这个技术主要存在以下缺点：
1.DSP的ADC模块采用串行的工作模式，其外部接口的通用性较差，且同一时刻只能对一个通道的信号进行转换，导致数据的采集速度无法满足快速控制的要求。
2.通过软件频繁使用中断系统来控制A/D转换，用了DSP的大量资源，削弱了DSP的运算能力，采集速度受限。
3.DSP的软件控制是由指令集完成的，其执行受到指令周期的限制，因此DSP的采集频率很大程度上受到时钟的约束，最大采集速度只能达到几十兆或上百兆。
因此，一种运算速度快，采集效率高，控制响应及时、运行更加稳定，安全性能更加优越的高频高压静电除尘电源自动控制系统值得深入研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于DSP+FPGA的高频高压静电除尘电源自动控制系统。较传统的单DSP控制系统而言，该系统能显著提升运算速度，提高采集效率，控制响应更及时，并且整合模拟信号调理电路和数字信号调理电路，通过可靠的电磁兼容和电气隔离使得控制系统的信号传输更加准确可靠，提高了控制系统的稳定性和安全性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于DSP+FPGA的高频高压静电除尘电源自动控制系统，其特征在于：该系统包括电源板、模拟数字信号调理板、DSP+FPGA主控板、IGBT驱动板和上位机；电源板与模拟数字信号调理板、DSP+FPGA主控板和IGBT驱动板连接；模拟数字信号调理板对除尘电源主电路中的的模拟量（电压、电流和温度）和数字量（主电路闭合状态、高压连锁状态、IGBT故障等）进行采集和调理，并将调理后的电压模拟量传递给DSP+FPGA主控板；DSP+FPGA主控板结合采集到的信息发出PWM信号和继电器控制信号，通过信号调理板调理后，继电器控制信号用于控制继电器；PWM信号通过IGBT驱动电路控制除尘电源主电路中的全桥逆变电路；DSP+FPGA主控板通过CAN总线与上位机进行数据交换。
所述DSP+FPGA主控板包括：DSP芯片、FPGA芯片和AD采样芯片；DSP芯片和FPGA芯片相连接，AD采样芯片与FPGA芯片相连；模拟数字信号调理板中的模拟电路部分将采集到的模拟信号传送至DSP+FPGA主控板的AD芯片，AD采样芯片将模拟信号转换成数字信号后发送给FPGA芯片，DSP芯片读取FPGAAD芯片中的数字信号并进行处理计算，最终通过FPGA芯片向模拟数字信号调理板输出控制信号；DSP芯片通过CAN总线与上位机进行数据交换。
DSP芯片采用TI公司新推出的一款C2000系列的浮点型数字信号处理器TMS320F28335；FPGA芯片采用的是XILINX公司Spartan-6系列的XC6SLX45T芯片；AD采样芯片采用ADS7869。
电源板为每个控制电路板供电，输入220V交流电,经过EMI抑制电路消除共模和差模干扰后，通过AC/DC电源模块实现电压转换，输出5VDC、15V和24V电压。电源板采用金升阳公司的220VAC/5VDC、220VAC/15VDC、220VAC/24VDC模块。
模拟数字信号调理板的模拟电路部分包括：温度信号采集调理电路、母线电压信号采集调理电路、进线电流信号采集调理电路、一次电流信号采集调理电路、二次电流信号采集调理电路、二次电压信号采集调理电路；模拟信号采集调理电路用于采集、接收电源主电路的电压、电流、温度等模拟信号，对相关信号进行调理、滤波、缓冲和光电隔离等处理，确保提供给DSP+FPGA主控板信号的安全性、可靠性、有效性；模拟数字信号调理板的数字电路部分包括：PWM波调理电路、IGBT故障信号反馈电路、数字量输出电路和状态量采集电路。数字电路部分完成数字量的传输、隔离等功能，用于采集、接收高频电源主电路的工作状态、故障状态等开关信号，传输控制逻辑量、PWM波等控制量。模拟数字信号调理板采用PT-100铂电阻温度传感器采集现场温度量，信号隔离采用HCNR201和HCPL-600两款芯片，一次电流信号采集选用LEM公司的LT308-S7型电流传感器。
IGBT驱动板包括：驱动模块、驱动模块电源检测电路、故障信号隔离电路、PWM脉冲互锁电路、驱动模块输出电路。当驱动模块检测到IGBT故障时，输出故障信号，经过故障信号隔离电路后反馈给DSP+FPGA主控板；所述驱动模块电源检测电路对驱动模块电源进行欠压、过压检测，当电源电压较低或较高时，驱动模块停止工作并输出故障信号，故障信号经过故障信号隔离电路反馈给DSP控制器；所述PWM脉冲互锁电路确保输入驱动模块的每对PWM波互补；所述驱动模块输出电路对输出信号进行稳压和瞬态抑制，确保IGBT驱动电路输出幅值为±15V.为保证IGBT工作正常，本文选用瑞士CONCEPT公司的2SD315AI-33驱动模块。
本发明的优点和积极效果：
DSP+FPGA控制系统较传统的单DSP控制系统而言，显著提升了运算速度，提高了采集效率，控制响应更及时；并且整合了模拟信号调理电路和数字信号调理电路，通过可靠的电磁兼容和电气隔离使得控制系统的信号传输更加准确可靠，从而提高了控制系统的稳定性和安全性。
附图说明
图1为本发明的控制系统的功能结构图。
图2为本发明的详细信号流程结构图。
图3为本发明中IGBT驱动板结构功能图。
图4为本发明中电源板结构功能图。
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说明：
一种高频高压静电除尘电源控制系统，参见附图1，该系统包括电源板3、模拟数字信号调理板4，DSP+FPGA主控板5，IGBT驱动板6和上位机8；电源板3给其他电路板供电，信号调理板对静电除尘电源主电路1部分的模拟量（电压、电流和温度）和数字量（主电路闭合状态、高压连锁状态、IGBT故障等）进行采集和调理，将所有调理后的电压模拟量传递给DSP+FPGA主控板5，DSP+FPGA主控板结合采集到的信息发出PWM信号和继电器控制信号，通过信号调理板4调理后，继电器控制信号用于控制12路中间继电器7，PWM信号通过IGBT驱动电路6控制除尘电源主电路的全桥逆变电路，DSP+FPGA主控板5通过CAN总线与上位机8进行数据交换。除尘电源主电路1与除尘设备2连接。
DSP+FPGA主控板，参见图2，包括：DSP芯片、FPGA芯片、AD采样芯片和CAN接口；DSP芯片和FPGA芯片相连接，AD采样芯片与FPGA芯片相连；信号调理板的模拟电路部分将采集到的模拟信号传送至DSP+FPGA主控板的AD芯片，AD芯片将模拟信号转换成数字信号后发送给FPGA，DSP读取FPGA中的数字信号并进行处理计算，最终通过FPGA向信号调理板输出控制信号。DSP通过CAN总线与上位机进行数据交换。DSP采用TI公司新推出的一款C2000系列的浮点型数字信号处理器TMS320F28335；FPGA采用的是XILINX公司Spartan-6系列的XC6SLX45T芯片；AD芯片采用ADS7869。
参见图2，模拟数字信号调理板4的模拟电路部分包括：温度信号采集调理电路、母线电压信号采集调理电路、进线电流信号采集调理电路、一次电流信号采集调理电路、二次电流信号采集调理电路、二次电压信号采集调理电路；模拟信号采集调理电路用于采集、接收电源主电路的电压、电流、温度等模拟信号，对相关信号进行调理、滤波、缓冲和光电隔离等处理，确保提供给DSP+FPGA主控板信号的安全性、可靠性、有效性；模拟数字信号调理板的数字电路部分包括：PWM波调理电路、IGBT故障信号反馈电路、数字量输出电路和状态量采集电路。数字电路部分完成数字量的传输、隔离等功能，用于采集、接收高频电源主电路的工作状态、故障状态等开关信号，传输控制逻辑量、PWM波等控制量。模拟数字信号调理板采用PT-100铂电阻温度传感器采集现场温度量，信号隔离采用HCNR201和HCPL-600两款芯片，一次电流信号采集选用LEM公司的LT308-S7型电流传感器。
图3为本发明中IGBT驱动板结构功能图。IGBT驱动板包括：驱动模块、驱动模块电源检测电路、故障信号隔离电路、PWM脉冲互锁电路、驱动模块输出电路。当驱动模块检测到IGBT故障时，输出故障信号，经过故障信号隔离电路，通过数字信号调理电路后反馈给DSP+FPGA主控板；所述驱动模块电源检测电路对驱动模块电源进行欠压、过压检测，当电源电压较低或较高时，驱动模块停止工作并输出故障信号，故障信号经过故障信号隔离电路，通过数字信号调理电路反馈给DSP控制器；所述PWM脉冲互锁电路确保输入驱动模块的每对PWM波互补；所述驱动模块输出电路对输出信号进行稳压和瞬态抑制，确保IGBT驱动电路输出幅值为±15V，为全桥逆变电路的工作提供了可靠的保障。为保证IGBT工作正常，本文选用瑞士CONCEPT公司的2SD315AI-33驱动模块。
图4为本发明中电源板结构功能图。电源板为每个控制电路板供电，输入220V交流电,经过EMI抑制电路消除共模和差模干扰后，通过AC/DC电源模块实现电压转换，输出5VDC、15V和24V电压。电源板采用金升阳公司的220VAC/5VDC、220VAC/15VDC、220VAC/24VDC模块。

Claims (8)

1.一种基于DSP+FPGA的高频高压静电除尘电源自动控制系统，其特征在于：该系统包括电源板、模拟数字信号调理板、DSP+FPGA主控板、IGBT驱动板和上位机；电源板与模拟数字信号调理板、DSP+FPGA主控板和IGBT驱动板连接；模拟数字信号调理板对除尘电源主电路中的的模拟量和数字量进行采集和调理，并将调理后的电压模拟量传递给DSP+FPGA主控板；DSP+FPGA主控板结合采集到的信息发出PWM信号和继电器控制信号，通过信号调理板调理后，继电器控制信号用于控制继电器；PWM信号通过IGBT驱动电路控制除尘电源主电路中的全桥逆变电路；DSP+FPGA主控板通过CAN总线与上位机进行数据交换。
2.根据权利要求1所述的基于DSP+FPGA的高频高压静电除尘电源自动控制系统，其特征在于：所述DSP+FPGA主控板包括：DSP芯片、FPGA芯片和AD采样芯片；DSP芯片和FPGA芯片相连接，AD采样芯片与FPGA芯片相连；模拟数字信号调理板中的模拟电路部分将采集到的模拟信号传送至DSP+FPGA主控板的AD芯片，AD采样芯片将模拟信号转换成数字信号后发送给FPGA芯片，DSP芯片读取FPGAAD芯片中的数字信号并进行处理计算，最终通过FPGA芯片向模拟数字信号调理板输出控制信号；DSP芯片通过CAN总线与上位机进行数据交换。
3.根据权利要求1所述的基于DSP+FPGA的高频高压静电除尘电源自动控制系统，其特征在于：模拟数字信号调理中的模拟电路部分包括：温度信号采集调理电路、母线电压信号采集调理电路、进线电流信号采集调理电路、一次电流信号采集调理电路、二次电流信号采集调理电路、二次电压信号采集调理电路；模拟信号采集调理电路用于采集、接收除尘电源主电路的电压、电流、温度模拟信号，对信号进行调理、滤波、缓冲和光电隔离等处理，确保提供给DSP+FPGA主控板信号的安全性、可靠性、有效性；模拟数字信号调理板中的数字电路部分包括：PWM波调理电路、IGBT故障信号反馈电路、数字量输出电路和状态量采集电路；数字电路部分完成数字量的传输、隔离功能，用于采集、接收除尘电源主电路的工作状态、故障状态开关信号，传输控制逻辑量、PWM波控制量。
4.根据权利要求1所述的基于DSP+FPGA的高频高压静电除尘电源自动控制系统，其特征在于：IGBT驱动板包括：驱动模块、驱动模块电源检测电路、故障信号隔离电路、PWM脉冲互锁电路、驱动模块输出电路；驱动模块检测到IGBT故障时，输出故障信号，经过故障信号隔离电路后反馈给DSP+FPGA主控板；所述驱动模块电源检测电路对驱动模块电源进行欠压、过压检测，在电源电压较低或较高时，驱动模块停止工作并输出故障信号，故障信号经过故障信号隔离电路反馈给DSP控制器；所述PWM脉冲互锁电路确保输入驱动模块的每对PWM波互补；所述驱动模块输出电路对输出信号进行稳压和瞬态抑制，确保IGBT驱动电路输出幅值为±15V。
5.根据权利要求1所述的基于DSP+FPGA的高频高压静电除尘电源自动控制系统，其特征在于：所述电源板输入220V交流电,经过EMI抑制电路消除共模和差模干扰后，通过AC/DC电源模块实现电压转换，输出5VDC、15V和24V电压。
6.根据权利要求1所述的基于DSP+FPGA的高频高压静电除尘电源自动控制系统，其特征在于：所述的DSP芯片采用TI公司的一款C2000系列的浮点型数字信号处理器TMS320F28335；FPGA芯片采用的是XILINX公司Spartan-6系列的XC6SLX45T芯片；AD芯片采用ADS7869。
7.根据权利要求1所述的基于DSP+FPGA的高频高压静电除尘电源自动控制系统，其特征在于：驱动模块选用瑞士CONCEPT公司的2SD315AI-33驱动模块。
8.根据权利要求1所述的基于DSP+FPGA的高频高压静电除尘电源自动控制系统，其特征在于：电源板采用金升阳公司的220VAC/5VDC、220VAC/15VDC、220VAC/24VDC模块。
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