CN106505832A - 一种基于cpld的高压变频器功率单元控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压变频领域，公开了一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制系统，包括逻辑判断处理模块、下行信号传输单元和上行信号传输单元，下行信号传输单元包括均与所述逻辑判断处理模块相连的接收模块和PWM封锁控制模块，上行信号传输单元包括均与所述逻辑判断处理模块相连的故障信息采集模块和发送模块。本发明还公开了一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制方法。本发明能够有效提高对功率单元的控制效率。

Description

一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制系统及方法

技术领域

本发明涉及高压变频领域，具体涉及一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制系统和一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制方法。

背景技术

现代工业化的快速发展，高压变频器的开发和制造也不断得到改进与提高，高压变频器常用于带动高压大功率电机，在冶金、石化和化工行业具有广泛的应用。级联型高压变频器包括多个功率单元，级联型高压变频器输出侧的电压由各功率单元的输出电压串联形成，高压变频器在工作时，高压变频器的主控板与功率单元间进行数据通信，以实现对功率单元的控制，同时，功率单元中的控制系统需要对主控板输出的控制信号，如多路SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉宽调制)波进行解码，实时生成含死区控制的H桥驱动脉冲，控制系统中的反馈模块还需采集功率单元的电压、电流、温度等模拟量信息，以及将各种保护信息回传给主控板。

功率单元中复杂的功能管理对功率单元的控制系统设计提出了更高的要求，控制系统不仅要准确无误的执行主控板的驱动命令，同时，控制系统还需要保持功率单元工作的快速性、可靠性和稳定性，传统的控制系统一般采用DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)或MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)配合各种外围逻辑电路进行功率单元功能的实现，不仅电路复杂、故障率高，同时也影响功率单元工作的稳定性。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制系统和一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制方法，能够有效提高对功率单元的控制效率。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是，包括：

逻辑判断处理模块；

下行信号传输单元，其包括均与所述逻辑判断处理模块相连的接收模块和PWM封锁控制模块，且所述接收模块用于接收主控板控制信号并将控制信号发送给逻辑判断处理模块，所述PWM封锁控制模块用于产生用于驱动功率单元工作的驱动信号；

上行信号传输单元，其包括均与所述逻辑判断处理模块相连的故障信息采集模块和发送模块，且所述故障信息采集模块用于采集功率单元故障信息并发送给逻辑判断处理模块，所述发送模块用于将故障信息发送给主控板；其中

所述逻辑判断处理模块用于处理驱动信号并控制PWM封锁控制模块产生驱动信号，所述逻辑判断处理模块还用于处理故障信息并将处理后的故障信息发送给发送模块。

在上述技术方案的基础上，还包括控制PWM封锁控制模块产生测试指令的数字信号处理器，所述数字信号处理器分别与逻辑判断处理模块和PWM封锁控制模块相连。

在上述技术方案的基础上，所述数字信号处理器连接一数字信号处理器通讯模块，且所述数字信号处理器通讯模块与发送模块相连。

本发明还提供一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制方法，该方法为：上行信号传输单元周期性向主控板传输功率单元的运行状态和故障信息，下行信号传输单元接收主控板发送的控制信号并产生驱动功率单元工作的驱动信号，且下行信号传输单元和上行信号传输单元并行工作。

在上述技术方案的基础上，所述上行信号传输单元具体的工作步骤为：

步骤S1.1：上行信号传输单元上电复位并初始化；

步骤S1.2：启动逻辑判断处理模块中周期定时器，并给周期定时器设定周期间隔时间；

步骤S1.3：当达到周期定时器的周期间隔时间，采集功率单元的运行状态信息，并读取功率单元的故障信息；

步骤S1.4：将采集运行状态信息和故障信息组装成数据帧后发送给主控板。

在上述技术方案的基础上，所述功率单元的运行状态信息包括电压、电流和温度，所述功率单元的故障信息包括IGBT故障、IGBT短路、IGBT温度保护、输入欠压、输入过压和电容过压信息。

在上述技术方案的基础上，所述功率单元的运行状态信息由数字信号处理器采集，所述功率单元的故障信息由故障信息采集模块读取。

在上述技术方案的基础上，所述下行信号传输单元具体的工作步骤为：

步骤S2.1：下行信号传输单元上电复位并初始化；

步骤S2.2：检测接收模块是否接收到数据帧，若接收到数据帧，则对数据帧进行校验解码；

步骤S3.3:若校验解码错误，则下行信号传输单元重新初始化，并由上行信号传输单元发送反馈信号至主控板，由主控板重新发送数据帧；若校验解码正确，则将校验解码后的数据帧发送至逻辑判断处理模块；

步骤S3.4：逻辑判断处理模块向PWM封锁控制模块发出脉冲开关命令，PWM封锁控制模块产生驱动功率单元工作的驱动信号。

在上述技术方案的基础上，所述数据帧包括起始位、数据位和停止位，且接收模块在接收数据帧的同时，接收模块便对已接收到的数据帧进行解码。

在上述技术方案的基础上，所述逻辑判断处理模块还用于向PWM封锁控制模块发送在功率单元的H桥中添加死区的命令。

与现有技术相比，本发明的一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制系统的优点在于：(1)通过逻辑判断处理模块进行主控制，数字信号处理器进行辅助控制，既满足了信号传输的实时性要求，又满足了复杂的算法计算要求，线路简单，且整个信号通信的编码解码误码率低，稳定性强，极大地提高了生产的稳定性；(2)定期对功率单元进行测试，提高功率单元运行的稳定性。

本发明的一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制方法的优点在于：(1)上行信号传输单元和下行信号传输单元并行工作，互不干扰，提高对功率单元的控制效率；(2)当出现校验解码错误时，上行信号传输单元会立即复位并初始化，并由上行信号传输单元发送反馈信号至主控板，由主控板重新发送数据帧，提高功率单元工作的稳定性；(3)发送模块对于要发送的数据采用优先级的策略，对于故障信息，在周期定时器每个周期间隔时间内均会发送给主控板，对于功率单元的运行状态信息，可以采用分时段发送给主控板的模式，避免发送模块与主控板之间的信道堵塞。

附图说明

图1为本发明一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明提供一种基于CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)的高压变频器功率单元控制系统，用于与高压变频器主控板间进行通讯，从而控制功率单元，本发明的控制系统包括逻辑判断处理模块、下行信号传输单元和上行信号传输单元，下行信号传输单元包括均与逻辑判断处理模块相连的接收模块和PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)封锁控制模块，且接收模块用于接收主控板控制信号并将控制信号发送给逻辑判断处理模块，PWM封锁控制模块用于产生用于驱动功率单元工作的驱动信号，上行信号传输单元包括均与逻辑判断处理模块相连的故障信息采集模块和发送模块，且故障信息采集模块用于采集功率单元故障信息并发送给逻辑判断处理模块，发送模块用于将故障信息发送给主控板，逻辑判断处理模块用于处理驱动信号并控制PWM封锁控制模块产生驱动信号，逻辑判断处理模块还用于处理故障信息并将处理后的故障信息发送给发送模块。

本系统还包括用于控制PWM封锁控制模块产生测试指令的数字信号处理器，数字信号处理器分别与逻辑判断处理模块和PWM封锁控制模块相连，数字信号处理器连接一数字信号处理器通讯模块，且数字信号处理器通讯模块与发送模块相连。

逻辑判断处理模块、发送模块、故障信息采集模块、接收模块、PWM封锁控制模块和数字信号处理器通讯模块均是基于CPLD制成。下行信号传输单元的工作流程为：接收模块接收主控板发送过来的数据帧，并解码后传递给逻辑判断处理模块，逻辑判断处理模块提取出数据帧中的脉冲开关命令，并将脉冲开关命令发送至PWM封锁控制模块，由PWM封锁控制模块产生驱动功率单元工作的驱动信号，具体产生的是驱动功率单元H桥工作的四路单极性倍频PWM驱动信号。

上行信号传输单元的工作流程为：故障信息采集模块周期性的采集功率单元的故障信息，然后将故障信息发送至逻辑判断处理模块，由逻辑判断处理模块进行综合处理后，将故障信息发送至发送模块，最后由发送模块发送给主控板。同时，数字信号处理器通讯模块实时读取的数字信号处理器测得的功率单元的运行状态信息，如电压、电流和温度，也会发送至发送模块，由发送模块发送给主控板。

为保证功率单元运行的稳定性，在功率单元运行的空闲时间，由逻辑判断处理模块向数字信号处理器发送测试命令，然后数字信号处理器向PWM封锁控制模块发出测试指令，PWM封锁控制模块根据测试指令驱动功率单元的H桥进行IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)的测试或自检。

本发明的控制系统，通过逻辑判断处理模块进行主控制，数字信号处理器进行辅助控制，既满足了信号传输的实时性要求，又满足了复杂的算法计算要求，线路简单，且整个信号通信的编码解码误码率低，稳定性强，极大地提高了生产的稳定性。

本发明还公开了一种基于上述控制系统的基于CPLD的高压变频器功率单元控制方法，该方法为：上行信号传输单元周期性向主控板传输功率单元的运行状态和故障信息，下行信号传输单元接收主控板发送的控制信号并产生驱动功率单元的H桥工作的驱动信号，且下行信号传输单元和上行信号传输单元并行工作，即下行信号传输单元和上行信号传输单元同时工作。具体的：

上行信号传输单元具体的工作步骤为：

步骤S1.1：上行信号传输单元上电复位并初始化；

步骤S1.2：启动逻辑判断处理模块中周期定时器，并给周期定时器设定周期间隔时间；

步骤S1.3：当达到周期定时器的周期间隔时间时，采集功率单元的运行状态信息，并读取功率单元的故障信息，即每达到周期定时器的一个周期间隔时间，均会采集功率单元的运行状态信息和读取功率单元的故障信息。功率单元的运行状态信息包括电压、电流和温度，功率单元的故障信息包括IGBT故障、IGBT短路、IGBT温度保护、输入欠压、输入过压和电容过压信息，功率单元的运行状态信息由数字信号处理器读取，功率单元的故障信息由故障信息采集模块读取；

步骤S1.4：将采集运行状态信息和故障信息组装后发送给主控板。发送模块对于要发送的数据采用优先级的策略，对于故障信息，在周期定时器每个周期间隔时间内均会发送给主控板，对于功率单元的运行状态信息，由于数值变化较为缓慢，因此可以采用分时段发送给主控板的模式。

当运行状态信息和故障信息发送完毕后，此时上行信号传输单元处于等待状态，直至下一个间隔周期的周期间隔时间的到来，然后继续采集功率单元的运行状态信息和读取功率单元的故障信息。

下行信号传输单元具体的工作步骤为：

步骤S2.1：下行信号传输单元上电复位并初始化，为了区分下行信号传输单元上电后的状态和正在通信中的状态，使的当出现通信中断时能够正确辨别下行信号传输单元的状态，当下行信号传输单元上电后，设有标志，以便于区分；

步骤S2.1：检测接收模块是否接收到数据帧，若接收到数据帧，则对数据帧进行校验解码。数据帧包括起始位、数据位和停止位，且接收模块在接收数据帧的同时，接收模块便对已接收到的数据帧进行解码，具体的，先接收数据帧的起始位，然后对起始位进行校验解码，若校验解码正确，则开始接收数据帧的数据位，并对数据位进行校验解码，数据位的解码按照正反方式进行，增加相应的校验，保证接收到的数据帧可靠正确，然后开始接收停止位，并进行校验解码。接收模块边接收数据帧，边对数据帧进行校验解码，采用同步工作的方式，高效而快速，对于级联型H桥高压变频器中多达30个的功率单元，这种同步工作方式可以极大地缩减各个功率单元驱动信号间的相位差。

步骤S3.3:若校验解码错误，则下行信号传输单元重新初始化，并由上行信号传输单元发送反馈信号至主控板，由主控板重新发送数据帧，即在对数据帧的起始位、数据位和停止位的校验解码过程中，只要任一部分的校验解码错误，上行信号传输单元便会复位；若校验解码正确，即数据帧的起始位、数据位和停止位全部校验解码正确，则将校验解码后的数据帧发送至逻辑判断处理模块；

步骤S3.4：逻辑判断处理模块向PWM封锁控制模块发出脉冲开关命令，PWM封锁控制模块产生驱动功率单元H桥工作的驱动信号，逻辑判断处理模块还用于向PWM封锁控制模块发送在功率单元的H桥中添加死区的命令。具体的，PWM封锁控制模块在接受到脉冲开关命令后，开始对脉冲开关命令进行识别处理，同时根据H桥的移相调制原理，为了防止上下IGBT直通，判断处理模块向PWM封锁控制模块发送在H桥中添加死区的命令，死区时间可以灵活添加，并且死区时间可以是参数的形式，具体的死区时间由主控板控制，例如，H桥的开关频率在200Hz-600Hz之间，则死区时间设置为3us。添加完死区后的PWM共四路，然后统一综合经过一个封锁控制逻辑电路，该电路的设计可以根据外部IGBT的过流保护等信号快速封锁PWM驱动信号，保护IGBT。

本控制方法中对于采集的功率单元的运行状态信息和故障信息，均进行滑动滤波处理，采用分时复用地址模式，有效地节约硬件资源。同时，当需要对功率单元进行测试时，启动逻辑判断处理模块的内部工作模式，在数字信号处理器辅助下，数字信号处理器发出相应的命令，即向PWM封锁控制模块发出测试指令，PWM封锁控制模块产生特殊的PWM驱动脉冲，对功率单元进行测试。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制系统，用于与主控板间进行通讯并控制功率单元，其特征在于，包括：

逻辑判断处理模块；

下行信号传输单元，其包括均与所述逻辑判断处理模块相连的接收模块和PWM封锁控制模块，且所述接收模块用于接收主控板控制信号并将控制信号发送给逻辑判断处理模块，所述PWM封锁控制模块用于产生用于驱动功率单元工作的驱动信号；

上行信号传输单元，其包括均与所述逻辑判断处理模块相连的故障信息采集模块和发送模块，且所述故障信息采集模块用于采集功率单元故障信息并发送给逻辑判断处理模块，所述发送模块用于将故障信息发送给主控板；其中

所述逻辑判断处理模块用于处理驱动信号并控制PWM封锁控制模块产生驱动信号，所述逻辑判断处理模块还用于处理故障信息并将处理后的故障信息发送给发送模块。

2.如权利要求1所述的一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制系统，其特征在于：还包括控制PWM封锁控制模块产生测试指令的数字信号处理器，所述数字信号处理器分别与逻辑判断处理模块和PWM封锁控制模块相连。

3.如权利要求2所述的一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制系统，其特征在于：所述数字信号处理器连接一数字信号处理器通讯模块，且所述数字信号处理器通讯模块与发送模块相连。

4.一种基于权利要求1所述系统的基于CPLD的高压变频器功率单元控制方法，其特征在于，该方法为：上行信号传输单元周期性向主控板传输功率单元的运行状态和故障信息，下行信号传输单元接收主控板发送的控制信号并产生驱动功率单元工作的驱动信号，且下行信号传输单元和上行信号传输单元并行工作。

5.如权利要求4所述的一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制方法，其特征在于，所述上行信号传输单元具体的工作步骤为：

步骤S1.1：上行信号传输单元上电复位并初始化；

步骤S1.2：启动逻辑判断处理模块中周期定时器，并给周期定时器设定周期间隔时间；

步骤S1.3：当达到周期定时器的周期间隔时间，采集功率单元的运行状态信息，并读取功率单元的故障信息；

步骤S1.4：将采集运行状态信息和故障信息组装成数据帧后发送给主控板。

6.如权利要求5所述的一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制方法，其特征在于：所述功率单元的运行状态信息包括电压、电流和温度，所述功率单元的故障信息包括IGBT故障、IGBT短路、IGBT温度保护、输入欠压、输入过压和电容过压信息。

7.如权利要求6所述的一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制方法，其特征在于：所述功率单元的运行状态信息由数字信号处理器采集，所述功率单元的故障信息由故障信息采集模块读取。

8.如权利要求4所述的一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制方法，其特征在于，所述下行信号传输单元具体的工作步骤为：

步骤S2.1：下行信号传输单元上电复位并初始化；

步骤S2.2：检测接收模块是否接收到数据帧，若接收到数据帧，则对数据帧进行校验解码；

步骤S3.3:若校验解码错误，则下行信号传输单元重新初始化，并由上行信号传输单元发送反馈信号至主控板，由主控板重新发送数据帧；若校验解码正确，则将校验解码后的数据帧发送至逻辑判断处理模块；

步骤S3.4：逻辑判断处理模块向PWM封锁控制模块发出脉冲开关命令，PWM封锁控制模块产生驱动功率单元工作的驱动信号。

9.如权利要求8所述的一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制方法，其特征在于：所述数据帧包括起始位、数据位和停止位，且接收模块在接收数据帧的同时，接收模块便对已接收到的数据帧进行解码。

10.如权利要求8所述的一种基于CPLD的高压变频器功率单元控制方法，其特征在于：所述逻辑判断处理模块还用于向PWM封锁控制模块发送在功率单元的H桥中添加死区的命令。