CN110940864B - 用于寿命预测的pwm变流器支撑电容电流采样与重构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于寿命预测的PWM变流器支撑电容电流采样与重构方法，可在不新增电流传感器的情况下获得流经电容的电流值，根据测量流经电容的电流值可实现电容剩余寿命的在线监测。所述方法无需改变电路拓扑的，且便于实际中实现，同时避免了实际计算时的复杂性，同时消除了死区时间对采样点选择的影响。且该电流采样与重构方法较常规方案具备更小的误差。

Description

用于寿命预测的PWM变流器支撑电容电流采样与重构方法
技术领域
本发明涉及一种电流采样与重构方法，具体涉及一种用于寿命预测的PWM变流器支撑电容电流采样与重构方法。
背景技术
现有的PWM变流器直流支撑电容在线监测方案普遍通过计算电容等效参数进行电容剩余寿命的预测，计算电容等效参数需要采集流经电容的电流值(以下简称电容电流值)。电容电流值的采集方案大体可以分为两种：第一种在支撑电容回路增加电流传感器，直接测量电容电流值。这种方案改变了PWM变流器的电路拓扑，易引入杂散电感增加系统功耗。第二种方案利用线路中已有的电流传感器和电流重构算法计算出电容电流值。这种方案在直流变换器中得到了广泛的应用，但对于交流变流器，由于交流变流器拓扑的复杂性和死区时间的存在，电流重构算法在实际操作中存在许多难点。
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无需改变电路拓扑的，且便于实际中实现的电流采样与重构方法。该方法避免了实际计算时的复杂性，同时消除了死区时间对采样点选择的影响。且该电流采样与重构方法较常规方案具备更小的误差。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种PWM变流器直流支撑电容剩余寿命在线监测系统，采用DSP+FPGA架构，包括：核心板、底板、AD7656采样模块；所述核心板包括DSP系统和FPGA最小系统；所述DSP系统包括：DSP最小系统和外挂储存单元；所述外挂储存单元包括：FLASH芯片和RAM芯片，所述AD7656采样模块包括3块AD7656芯片和低通滤波器，DSP芯片的数据地址总线、PWM输出信号线、BOOT引导信号线、通用输入输出信号线均与FPGA芯片连接；DSP芯片的EM1CS2管脚与FLASH芯片连接，用于片选FLASH芯片；DSP芯片的EM1CS3管脚与RAM芯片连接，用于片选RAM芯片；DSP芯片的EM1OE管脚和EM1WE管脚分别与FLASH芯片的读、写管脚连接；DSP芯片的EM1OE管脚和EM1WE管脚分别与RAM芯片的读、写管脚连接；DSP芯片的19位地址总线和16位数据总线分别与FLASH芯片的地址管脚、数据管脚连接；DSP芯片的19位地址总线和16位数据总线分别与RAM芯片的地址管脚、数据管脚连接；
FPGA芯片的12个GPIO管脚分别与3块AD7656芯片的片选管脚CS、复位信号管脚RESET、反馈信号管脚BUSY、启动转换信号管脚CONVST连接，3块AD7656芯片的数据管脚均与DSP芯片的16数据总线连接；所述AD7656芯片的6路采样输入管脚均与一个低通滤波器的输出端连接，一个低通滤波器的输入端与电压传感器连接，另一个低通滤波器的输入端与电流传感器连接；
所述底板与核心板连接，为核心板的控制芯片提供电源；所述核心板的扩展接口包括：多种协议串行通信接口，ADC采样输入接口，数据地址总线接口，PWM输出接口和多个数字输入输出接口。
在上述方案的基础上，所述在线监测系统还包括：W5300通信模块和上位机，所述W5300通信模块包括WIZnet W5300芯片和以太网变压器，DSP芯片的EM1CS4管脚与WIZnetW5300芯片的管脚CS连接，DSP芯片的EM1OE管脚和EM1WE管脚分别与WIZnet W5300芯片的读、写管脚连接，DSP芯片的8位地址总线与WIZnet W5300芯片的地址线输入管脚连接，DSP芯片的16位数据总线与WIZnet W5300芯片的数据输入管脚连接，所述W5300通信模块通过以太网变压器HR911103A与上位机进行连接通信。
在上述方案的基础上，所述上位机的通信界面包括示波器部分、电容等效电路、电容寿命和电容状态；所述示波器部分包括示波器控制箱，波形显示框和示波器设置部分，用于观测采样得到的电容电压和电容电流波形；所述电容等效电路采用一阶串联阻容等效电路，选择不同的算法计算实际电容值。
在上述方案的基础上，所述在线监测系统采用可扩展接插件设计，所述可扩展接插件设计允许用户针对核心板的功能和目标功能自由设计底板。
在上述方案的基础上，所述DSP系统采用窗口电压检测芯片进行过欠压保护电路设计，对DSP系统进行保护和复位操作；所述DSP最小系统单元包括晶振电路、复位电路、电源电路、引导模式设置电路和JTAG接口电路；所述DSP芯片的型号为TMS320F28377d；DSP系统还包含多种数据通信协议，多种数据通信协议包括I2C，SCI，SPI，CAN，USB；所述DSP系统自带ADC采样模块，用于实现16位精度的差分输入信号采样和12位精度的单端输入信号采样。
在上述方案的基础上，所述FLASH芯片采用SST39VF822芯片，RAM芯片采用IS61LV25616AL-10TLI芯片。
在上述方案的基础上，所述FPGA最小系统包括电源电路、时钟电路、JTAG电路、编程配置电路和输入输出电路，所述电源电路用于为FPGA芯片供电、内核供电，为FPGA内核提供参考电平；所述时钟电路包括由外部有源晶振电路提供的50MHz时钟信号输入和DSP芯片输出的同步时钟信号输入；所述JTAG电路用于在线烧录程序和调试芯片；所述编程配置电路采用四路串行配置芯片EPCQ64，编程模式选择为主动串行模式，用于FPGA芯片上电启动时固化程序电路；所述输入输出电路包括数字输入和数字输出，能够进行自由设计。
为了实现电容剩余寿命的在线监测，需要求解电容等效电容值和串联电阻值，为此需要测量流经电容的电流值。为了在不新增电流传感器的情况下获得流经电容的电流值，本发明提出了一种用于寿命预测的PWM变流器支撑电容电流采样与重构方法。
一种用于寿命预测的PWM变流器支撑电容电流采样与重构方法，采用上述PWM变流器直流支撑电容剩余寿命在线监测系统，包括以下步骤：
步骤S1、初始化DSP芯片、FPGA芯片和AD7656芯片；
步骤S2、配置DSP芯片的开关PWM功能，对开关PWM频率和开关PWM脉冲产生方式进行配置，所述开关PWM功能由开关PWM模块产生，所述开关PWM频率的配置根据PWM变流器的开关频率进行设定，开关PWM频率等于PWM变流器的开关频率，PWM变流器的开关频率是一个定值，所述开关PWM脉冲产生方式的配置为：载波计数为上下计数，载波为三角载波，输出的开关PWM脉冲在上升沿等于载波时置高，在下降沿等于载波时置低；
步骤S3、配置DSP芯片的中断功能，所述中断功能由中断PWM模块产生，中断PWM模块在载波计数值为零时产生一次中断，中断PWM模块的频率为开关PWM频率的4倍，中断PWM模块的载波计数方式为上下计数，与开关PWM模块同时由零开始向上计数；
步骤S4、配置FPGA芯片的功能：片选AD7656芯片，控制AD7656芯片进行采样；
步骤S5、开启DSP中断，每间隔一次中断进行一次采样，每次采样的位置为开关PWM模块在载波计数值等于零或峰值的时刻，每次采样的具体操作为：DSP芯片发送采样控制信号至FPGA芯片，FPGA芯片收到采样控制信号后片选AD7656芯片，AD7656芯片读取电流传感器采集到的采样信号iin，并进行AD转换，AD7656芯片在AD转换完成后通知FPGA芯片，FPGA芯片在收到AD转换完成后的信号后通知DSP芯片读取转换后的数据；
步骤S6、DSP芯片根据采样信号iin，计算得到直流支撑电容的电流值ic1，ic1＝iin。
在上述方案的基础上，所述电流传感器安装在PWM变流器的直流侧。
本发明的有益效果：所述方法避免了实际计算时的复杂性，同时消除了死区时间对采样点选择的影响。由于电容电流的采样值仅来自于一个传感器，所以该电流采样与重构方法较常规方案具备更小的误差。另外由于DSP中断产生方式的特殊性，该采样方案便于实际系统的数字实现。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为适用于单相半桥PWM变流器的电流采样与重构方案的示意图。其中，图1(a)为单相半桥PWM变流器拓扑结构，用于说明传感器的位置和电流的正方向；图1(b)为采样时刻选择示意图，包括开关PWM模块和中断PWM模块的设置说明。
图2为适用于三相半桥PWM变流器的电流采样与重构方案的示意图。其中，图2(a)为三相半桥PWM变流器拓扑结构，用于说明传感器的位置和电流的正方向；图2(b)为采样时刻选择示意图，包括开关PWM模块和中断PWM模块的设置说明。
图3为DSP系统中电流采样与重构方法流程图。
图4为PWM变流器直流支撑电容剩余寿命在线监测系统框图。
具体实施方式
以下结合附图1-4对本发明作进一步详细说明。
本发明提出了一种利用PWM变流器系统中已有的电流传感器对流经直流侧支撑电容器中的电流进行采样与重构的方法，该方法适用于单相和三相PWM变流器，通过采样的电流值可以进一步计算得到电容器一阶串联阻容等效电路的等效参数，从而实现电容剩余寿命预测的目标。
对于图1(a)所示的单相PWM变流器，其电流重构算法及采样方案如图1(b)所示。
图1(a)所示的单相PWM变流器具备如下特点：
(1)变流器的能量可以双向流动，即，既可以工作在整流模式，也可以工作在逆变模式；
(2)变流器包含两个桥臂，每只桥臂由上下两只IGBT构成，每只IGBT都集成反并联二极管；
(3)变流器在直流侧安装有电压传感器和电流传感器，
(4)变流器调制策略采用单相定开关频率有载波PWM调制策略，如单相SVPWM、单相SPWM；
图1(b)所示的电流采样与重构方案基于图4所示的PWM变流器直流支撑电容剩余寿命在线监测系统，该系统由DSP+FPGA框架构成，配置了AD7656芯片，具备高精度采样功能，基于该系统框架，电流采样与重构方案的具体实现步骤如下：
具体方案：
(1)PWM变流器的电路拓扑中安装有电流传感器，一般用于监测和控制PWM变流器，本发明采用现有电路中存在的传感器实现电流采样与重构方法，无需增加额外的电流传感器，电流传感器安装在PWM变流器的直流侧，位置如图1(a)所示，装在iin的位置上，PWM变流器的交流侧无需安装传感器，其中C代表直流支撑电容，iin、ic1,分别代表采样信号，流进电容的电流值，箭头代表电流正方向，A，B分别代表桥臂编号；
(2)如图1(b)所示，PWM变流器采用单相有载波PWM调制策略，其中大三角形为开关载波，其频率代表开关频率；小三角形为DSP中断载波，中断产生位置为计数值为零的时刻；COMPA和COMPB分别为A桥臂和B桥臂的PWM调制波，a+和b+分别为A桥臂和B桥臂的开关脉冲；0代表每相桥臂上管截止，1代表每相桥臂上管导通，Deadtime代表死区，switchingfrequency代表PWM载波频率，Interruption frequency代表DSP中断频率，Sampling point代表采样点的位置。
(3)如(2)所述，设置开关PWM模块频率和中断PWM模块频率。此时，选定图示圆圈位置为采样点位置，所示采样点位置恰巧位于输出电压零矢量的位置，即两个桥臂的上管或下管全部关断；
(4)如(3)所述，按照该采样点位置对iin进行采样，此时可以得到流经电容的电流ic1＝iin；
(5)按照如上流程，可以在不加装传感器，且电路正常工作的情况下，采样得到电容电流。
对于图2(a)所示的三相PWM变流器，其电流重构算法及采样方案如图2(b)所示。
图2(a)所示的三相PWM变流器具备如下特点：
(1)变流器的能量可以双向流动，即，既可以工作在整流模式，也可以工作在逆变模式；
(2)变流器包含三个桥臂，每只桥臂由上下两只IGBT构成，每只IGBT都集成反并联二极管；
(3)变流器在直流侧安装有电压传感器和电流传感器；
(4)变流器调制策略采用三相定开关频率有载波PWM调制策略，如三相SVPWM、三相SPWM；
图2(b)所示的电流采样与重构方案基于图4所示的PWM变流器直流支撑电容剩余寿命在线监测系统，该系统由DSP+FPGA框架构成，配置了AD7656芯片，具备高精度采样功能，基于该系统框架，电流采样与重构方案的具体实现步骤如下：
具体方案：
(1)电流传感器安装位置如图2(a)所示，装在iin位置，PWM变流器的交流侧无需安装传感器；C代表直流支撑电容，iin、ic1,分别代表电流传感器采样信号，流进电容的电流信号，箭头代表电流正方向。A,B,C分别代表桥臂编号。
(2)如图2(b)所示，PWM变流器采用三相SVPWM调制策略，其中大三角形为开关载波，其频率代表开关频率；小三角形为控制系统中断载波，中断产生位置为计数值为零的时刻；COMPA、COMPB和COMPC分别为A桥臂、B桥臂和C桥臂的调制波，a+、b+和c+分别为A桥臂、B桥臂和C桥臂的开关脉冲；0代表每相桥臂上管截止，1代表每相桥臂上管导通，Deadtime代表死区，switching frequency代表PWM载波频率，Interruption frequency代表DSP中断频率，Sampling point代表采样点的位置。
(3)如(2)所述，设置开关频率和中断频率。此时，选定图示圆圈位置为采样点位置，所示采样点位置恰巧位于输出电压零矢量的位置，即三个桥臂的上管或下管全部关断；
(4)如(3)所述，按照该采样点位置对iin进行采样，此时可以得到流经电容的电流ic1＝iin；
(5)按照如上流程，可以在不加装传感器，且电路正常工作的情况下，采样得到电容电流。
应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：对于任何电路拓扑，都可以利用零矢量的位置进行采样，可以保证在不更改传感器的位置，不新增传感器的情况下采样重构得到电容电流。这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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 (7)

1.一种PWM变流器直流支撑电容剩余寿命在线监测系统，其特征在于，采用DSP+FPGA架构，包括：核心板、底板、AD7656采样模块；所述核心板包括DSP系统和FPGA最小系统；所述DSP系统包括：DSP最小系统和外挂储存单元；所述外挂储存单元包括：FLASH芯片和RAM芯片，所述AD7656采样模块包括3块AD7656芯片和低通滤波器，DSP芯片的数据地址总线、PWM输出信号线、BOOT引导信号线、通用输入输出信号线均与FPGA芯片连接；DSP芯片的EM1CS2管脚与FLASH芯片连接，用于片选FLASH芯片；DSP芯片的EM1CS3管脚与RAM芯片连接，用于片选RAM芯片；DSP芯片的EM1OE管脚和EM1WE管脚分别与FLASH芯片的读、写管脚连接；DSP芯片的EM1OE管脚和EM1WE管脚分别与RAM芯片的读、写管脚连接；DSP芯片的19位地址总线和16位数据总线分别与FLASH芯片的地址管脚、数据管脚连接；DSP芯片的19位地址总线和16位数据总线分别与RAM芯片的地址管脚、数据管脚连接；
FPGA芯片的12个GPIO管脚分别与3块AD7656芯片的片选管脚CS、复位信号管脚RESET、反馈信号管脚BUSY、启动转换信号管脚CONVST连接，3块AD7656芯片的数据管脚均与DSP芯片的16位数据总线连接；所述AD7656芯片的6路采样输入管脚均与一个低通滤波器的输出端连接，一个低通滤波器的输入端与电压传感器连接，另一个低通滤波器的输入端与电流传感器连接；
所述底板与核心板连接，为核心板的控制芯片提供电源；所述核心板的扩展接口包括：多种协议串行通信接口，ADC采样输入接口，数据地址总线接口，PWM输出接口和多个数字输入输出接口；
所述在线监测系统还包括：W5300通信模块和上位机，所述W5300通信模块包括WIZnetW5300芯片和以太网变压器，DSP芯片的EM1CS4管脚与WIZnet W5300芯片的管脚CS连接，DSP芯片的EM1OE管脚和EM1WE管脚分别与WIZnet W5300芯片的读、写管脚连接，DSP芯片的8位地址总线与WIZnet W5300芯片的地址线输入管脚连接，DSP芯片的16位数据总线与WIZnetW5300芯片的数据输入管脚连接，所述W5300通信模块通过以太网变压器HR911103A与上位机进行连接通信；
所述在线监测系统采用可扩展接插件设计，所述可扩展接插件设计允许用户针对核心板的功能和目标功能自由设计底板。
2.如权利要求1所述的PWM变流器直流支撑电容剩余寿命在线监测系统，其特征在于，所述上位机的通信界面包括示波器部分、电容等效电路、电容寿命和电容状态；所述示波器部分包括示波器控制箱，波形显示框和示波器设置部分，用于观测采样得到的电容电压和电容电流波形；所述电容等效电路采用一阶串联阻容等效电路，选择不同的算法计算实际电容值。
3.如权利要求1所述的PWM变流器直流支撑电容剩余寿命在线监测系统，其特征在于，所述DSP系统采用窗口电压检测芯片进行过欠压保护电路设计，对DSP系统进行保护和复位操作；所述DSP最小系统包括晶振电路、复位电路、电源电路、引导模式设置电路和JTAG接口电路；所述DSP芯片的型号为TMS320F28377d；DSP系统还包含多种数据通信协议，多种数据通信协议包括I2C，SCI，SPI，CAN，USB；所述DSP系统自带ADC采样模块，用于实现16位精度的差分输入信号采样和12位精度的单端输入信号采样。
4.如权利要求1所述的PWM变流器直流支撑电容剩余寿命在线监测系统，其特征在于，所述FLASH芯片采用SST39VF822芯片，RAM芯片采用IS61LV25616AL-10TLI芯片。
5.如权利要求1所述的PWM变流器直流支撑电容剩余寿命在线监测系统，其特征在于，所述FPGA最小系统包括电源电路、时钟电路、JTAG电路、编程配置电路和输入输出电路，所述电源电路用于为FPGA芯片供电；所述时钟电路包括由外部有源晶振电路提供的50MHz时钟信号输入和DSP芯片输出的同步时钟信号输入；所述JTAG电路用于在线烧录程序和调试芯片；所述编程配置电路采用四路串行配置芯片EPCQ64，编程模式选择为主动串行模式，用于FPGA芯片上电启动时固化程序电路；所述输入输出电路包括数字输入和数字输出，能够进行自由设计。
6.一种用于寿命预测的PWM变流器支撑电容电流采样与重构方法，采用权利要求1-5任一权利要求所述的PWM变流器直流支撑电容剩余寿命在线监测系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、初始化DSP芯片、FPGA芯片和AD7656芯片；
步骤S2、配置DSP芯片的开关PWM功能，对开关PWM频率和开关PWM脉冲产生方式进行配置，所述开关PWM功能由开关PWM模块产生，所述开关PWM频率的配置根据PWM变流器的开关频率进行设定，开关PWM频率等于PWM变流器的开关频率，PWM变流器的开关频率是一个定值，所述开关PWM脉冲产生方式的配置为：载波计数为上下计数，载波为三角载波，输出的开关PWM脉冲在上升沿等于载波时置高，在下降沿等于载波时置低；
步骤S3、配置DSP芯片的中断功能，所述中断功能由中断PWM模块产生，中断PWM模块在载波计数值为零时产生一次中断，中断PWM模块的频率为开关PWM频率的4倍，中断PWM模块的载波计数方式为上下计数，与开关PWM模块同时由零开始向上计数；
步骤S4、配置FPGA芯片的功能：片选AD7656芯片，控制AD7656芯片进行采样；
步骤S5、开启DSP芯片的中断，每间隔一次中断进行一次采样，每次采样的位置为开关PWM模块在载波计数值等于零或峰值的时刻，每次采样的具体操作为：DSP芯片发送采样控制信号至FPGA芯片，FPGA芯片收到采样控制信号后片选AD7656芯片，AD7656芯片读取电流传感器采集到的采样信号iin，并进行AD转换，AD7656芯片在AD转换完成后通知FPGA芯片，FPGA芯片在收到AD转换完成后的信号后通知DSP芯片读取转换后的数据；
步骤S6、DSP芯片根据采样信号iin，计算得到直流支撑电容的电流值ic1，ic1＝iin。
7.如权利要求6所述的用于寿命预测的PWM变流器支撑电容电流采样与重构方法，其特征在于，所述电流传感器安装在PWM变流器的直流侧。
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