CN201499101U

CN201499101U - 基于dsp与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统

Info

Publication number: CN201499101U
Application number: CN 200820145157
Authority: CN
Inventors: 魏克新; 孙强; 郭志强
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2018-12-30

Abstract

一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统，它包括电网和负载，其特征在于它是由隔离变压器、交流滤波器、交流电流传感器、IGBT桥式功率变换电路、直流滤波器、直流电压传感器、驱动电路、信号调理电路、DSP控制器、同步采样与滤波电路、单片机及其外围串行通信最小系统电路，以及PC数据库系统组成；本实用新型的优越性在于：系统既有良好的动态品质、稳定性和鲁棒性，又减小了装置对电网形成谐波扰动；对电网无“污染”，显著提高了输电系统的传输功率能力；节能高效；减少开关损耗；输出端电压大范围可调；抑制了电力电子技术高频化所带来的EMI问题，符合EMC设计标准，产品绿色环保；保证系统运行稳定可靠。

Description

基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统

(一)技术领域：

本实用新型涉及AC-DC电源及其故障诊断系统，尤其是一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统。

(二)背景技术：

在现代工业、交通、国防、生活等领域中，需要各种类型的电能变换装置和变换系统，将一种频率、电压、波形的电能变换成另一种频率、电压、波形的电能，而众多类型变换装置的应用也给电网造成了严重的“污染”，如常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网“污染”。它们主要存在以下缺点：(1)网侧功率因数低；(2)输入电流谐波含量高；(3)交流侧电网电压波形畸变。另外，对于变流系统的设计，用户最为关心的是保证系统能长时间可靠稳定的运行。为了保证系统的高效运行，需要外围添加一个监控系统，实时的将系统各个故障点的大量反馈信息采集并通过数据库保存起来，以便备份作为系统故障诊断时的依据。目前应用于现场的变流器，大多数都是根据用户的需要进行开发设计的，并采用相应的技术手段，程序设计工作任务相对较小，只要控制思路正确不会出现较大问题。而参数调整工作却较为复杂，系统各相关参数互相制约，调整最佳参数相对较为困难，通用性不强。

(三)实用新型内容：

本实用新型的目的在于提供一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统，它可以解决传统变流器的上述弊端，使系统具有单位功率因数、谐波含量低、能够消除交流侧电网电压畸变且达到系统故障诊断的特点。变流系统的数据经由计算机串口采集，通过VC界面实时直观的显示电流/电压值，并对故障信号自动检测和报警，与人性化设计相结合，提高了自动化程度，并且数据被实时的存入数据库中，作为历史记录可以进行相关的分析计算、故障诊断，从而准确的反映出系统的工作状态。

本实用新型的技术方案：一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统，它包括电网和负载，其特征在于它是由隔离变压器、交流滤波器、交流电流传感器、IGBT桥式功率变换电路、直流滤波器、直流电压传感器、驱动电路、信号调理电路、DSP控制器、同步采样与滤波电路、单片机及其外围串行通信最小系统电路，以及PC数据库系统组成；所说的隔离变压器输入端连接三相电网电压的输出端，其输出端连接交流滤波器的输入端和信号调理电路的输入端；所说的交流滤波器的输出端连接IGBT桥式功率变换电路的输入端和交流电流传感器的输入端；所说的交流电流传感器的输出端与直流电压传感器的输出端均连接到信号调理电路的输入端；所说的DSP控制器的输出端连接到驱动电路的输入端，其输入端连接到信号调理电路的输出端；所说的IGBT桥式功率变换电路的输出端连接直流滤波器的输入端；所说的直流滤波器的输出端连接直流电压传感器的输入端和负载的输入端；所说的同步采样与滤波电路的输入端连接信号调理电路的输出端，其输出端连接单片机及其外围串行通信最小系统电路的输入端；所说的单片机及其外围串行通信最小系统电路的输出端连接PC串口的输入端，反馈信息经PC串口连接并传输至PC数据库系统。

上述所说的隔离变压器采用三角形/星形的绕组形式。

上述所说的交流滤波器包括电抗器。

上述所说的交流电流传感器和直流电压传感器均采用霍尔元件。

上述所说的IGBT桥式功率变换电路包括6个IGBT和6个二极管，各元器件间为常规连接，即每两个IGBT一组串接在一起，每个IGBT上反并联上一个二极管，组成三相桥。

上述所说的直流滤波器采用电解电容结构。

上述所说的驱动电路包括R20、R21、R22、R23、R24、运算放大器LM311，各元器件间为常规连接，即R20一端连接到运算放大器LM311的反向输入端，另一端连接到参考电压；R23的一端连接到LM311的反向输入端，另一端接地；R21一端接DSP信号，另一端接LM311的正向输入端；LM311的输出端接入R22和R24，R22的另一端接LM311的正电源输入端，R24的另一端接地，R24的调压端接IGBT。

上述所说的信号调理电路是由R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、以及运算放大器CA3140组成。其中，R10、R11并接于运算放大器的反相端，再与R13串接；R15、R16串联构成同相比例运算放大电路；R12、R14串接于运算放大器的同相端。

上述所说的DSP控制器是由DSP控制器及其外围电路组成；包括TI的TMS320F2812控制芯片，晶体振荡器以及阻容元件。

上述所说的同步采样与滤波电路是由数/模转换电路和脉冲信号时钟发生器组成；所说的数/模转换电路是由A/D转换芯片MAX156，起稳压作用的电容C1、C3、C5，以及起滤除高次谐波作用的C0、C2、C4组成；其中，C0和C1并联后一端接地，另一端连接转换芯片的VDD端口，C2和C3并联后一端接地，另一端同时连接转换芯片的REFOUT端口和REFIN端口，C4和C5并联后一端接地，另一端连接转换芯片的VSS端口；所说的脉冲信号时钟发生器是由多谐振荡器及其外围电路组成；其中，为转换器MAX156A/D提供时钟脉冲信号的多谐振荡器为定时器NE555；所说的外围电路包括电阻R3、R5、电容C6、C20，其中R3一端连接+VCC，另一端连接R5，R5再连接C20。

上述所说的单片机及其外围串行通信最小系统电路是由PC的串行接口、电平转换电路以及单片机最小系统组成；所说的PC的串行接口的外围引脚电路连接关系为：PC串行接口的引脚5接地；用来发送信号的引脚3接串口电平转换芯片MAX232的引脚11，用来接收信号的引脚2接电平转换芯片MAX232的引脚12；所说的用于实现PC的RS232电平到单片机的TTL电平转换的电平转换电路是由用于实现PC机与单片机之间通信的电平转换芯片MAX232、C8、C9、C10、C11组成；其中，C8的正端接电平转换芯片MAX232的引脚15，负端接引脚6；C9的正端接电平转换芯片MAX232的引脚1，负端接引脚3；C10的正端接电平转换芯片MAX232的引脚4，负端接引脚5；C11的正端接电平转换芯片MAX232的引脚2，负端接引脚16；电平转换芯片MAX232通过引脚11接收PC的RS232信号，然后转换为TTL信号后通过引脚14传送给单片机；单片机TTL信号经电平转换芯片MAX232的引脚13送入MAX232，转换为RS232电平后通过引脚12输送到PC；电平转换芯片MAX232；所说的单片机最小系统是由电容C7、C12、C13、晶振Y7与电阻R1组成；其中，单片机的引脚31、引脚40接+5V电压；单片机的引脚9通过电容C7接+5V电压，然后再通过电阻R1接地；单片机的20引脚接地；单片机的引脚18、19外接晶振，并通过C12、C13滤波；用来收发信号的单片机的串行通信端口RXD、TXD，即引脚10、11分别接电平转换芯片MAX232的引脚14、13；单片机采集到的信号通过串行通信的方式和PC机交互。

本实用新型的工作原理为：系统工作时从电网输出端采样输出电压经信号调理电路和A/D转换电路进入DSP控制器，与给定的电压信号比较产生一个误差信号进入PI调节，并与采样的交流电压信号相乘得到参考电流的指令信号，然后将此参考电流与实际电流的采样信号比较，若实际电流大于给定值，则通过改变变流器的开关状态使之减小，反之增大。这样，实际电流围绕给定电流波形做锯齿状变化，并将偏差控制在一定范围，通过改进的正弦滞环宽度控制方法计算出一系列高频的脉冲信号经过驱动电路触发IGBT，控制各管的关断与开通，实现网侧正弦输入电流和单位功率因数。整个系统的控制采用电压外环和电流内环相结合的双闭环控制方式，电压外环保证稳定的直流输出电压，电流内环实现高功率因数控制，并提高系统的动态性能。

系统故障点信号经过信号调理后送后A/D转换器，模拟信号转换为数字信号，然后通过单片机的P2口送入单片机。单片机接收到故障信号后，请求向PC机发送数据，在得到PC许可后，通过串行通信的方式，经过MAX232电平转换电路，单片机的TTL电平转换为PC串口能够接收的RS232电平，把故障信号送入PC。在PC机上，通过VC++编写的应用程序，把接收到的故障信号输出显示，并存入数据库系统保存。

本实用新型的优越性在于：1、能量双向流动，系统既有良好的动态品质、稳定性和鲁棒性，又减小了装置对电网形成谐波扰动；2、谐波畸变低，对电网无“污染”，显著提高了输电系统的传输功率能力，具有较大的技术和经济意义；3、达到单位功率因数，节能高效；4、功率器件的开关频率在一定范围内近乎恒定，解决了此类变流系统滤波设计困难的问题，并降低了因开关频率变化范围过大而引起的较严重的开关应力，减少开关损耗；5、系统功率较大，输出端电压大范围可调；6、抑制了电力电子技术高频化所带来的EMI问题，符合EMC设计标准，产品绿色环保；7、加入串行通信，实时监控，并保存系统各个故障点数据，当过流/过压时自动反馈错误信息，产生报警信号，并强制关断IGBT功率开关器件，保证系统运行稳定可靠。

(四)附图说明：

图1为本实用新型所涉一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统的系统整体连接框图；

图2为本实用新型所涉一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统的三相变流器电路拓扑结构图；

图3为本实用新型所涉一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统的DSP实现的系统控制工作原理框图；

图4为本实用新型所涉一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统中的驱动信号电路的电路连接图；

图5为本实用新型所涉一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统中的信号调理电路的电路连接图；

图6为本实用新型所涉一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统中的同步采样与滤波电路中的A/D转换器MAX156外围电路连接原理图；

图7为本实用新型所涉一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统的脉冲信号时钟发生器电路连接图；

图8为本实用新型所涉一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统中的单片机及其外围串行通信最小系统电路的电路连接图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统(见附图1-3)，它包括电网和负载，其特征在于它是由隔离变压器、交流滤波器、交流电流传感器、IGBT桥式功率变换电路、直流滤波器、直流电压传感器、驱动电路、信号调理电路、DSP控制器、同步采样与滤波电路、单片机及其外围串行通信最小系统电路，以及PC数据库系统组成；所说的隔离变压器输入端连接三相电网电压的输出端，其输出端连接交流滤波器的输入端和信号调理电路的输入端；所说的交流滤波器的输出端连接IGBT桥式功率变换电路的输入端和交流电流传感器的输入端；所说的交流电流传感器的输出端与直流电压传感器的输出端均连接到信号调理电路的输入端；所说的DSP控制器的输出端连接到驱动电路的输入端，其输入端连接到信号调理电路的输出端；所说的IGBT桥式功率变换电路的输出端连接直流滤波器的输入端；所说的直流滤波器的输出端连接直流电压传感器的输入端和负载的输入端；所说的同步采样与滤波电路的输入端连接信号调理电路的输出端，其输出端连接单片机及其外围串行通信最小系统电路的输入端；所说的单片机及其外围串行通信最小系统电路的输出端连接PC串口的输入端，反馈信息经PC串口连接并传输至PC数据库系统。

上述所说的隔离变压器采用三角形/星形的绕组形式。

上述所说的交流滤波器包括电抗器。

上述所说的直流滤波器采用电解电容结构。

上述所说的驱动电路(见附图4)包括R20、R21、R22、R23、R24、运算放大器LM311，各元器件间为常规连接，即R20一端连接到运算放大器LM311的反向输入端，另一端连接到参考电压；R23的一端连接到LM311的反向输入端，另一端接地；R21一端接DSP信号，另一端接LM311的正向输入端；LM311的输出端接入R22和R24，R22的另一端接LM311的正电源输入端，R24的另一端接地，R24的调压端接IGBT。

上述所说的信号调理电路(见附图5)是由R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、以及运算放大器CA3140组成。其中，R10、R11并接于运算放大器的反相端，再与R13串接；R15、R16串联构成同相比例运算放大电路；R12、R14串接于运算放大器的同相端。

上述所说的同步采样与滤波电路是由数/模转换电路(见附图6)和脉冲信号时钟发生器(见附图7)组成；所说的数/模转换电路是由A/D转换芯片MAX156，起稳压作用的电容C1、C3、C5，以及起滤除高次谐波作用的C0、C2、C4组成；其中，C0和C1并联后一端接地，另一端连接转换芯片的VDD端口，C2和C3并联后一端接地，另一端同时连接转换芯片的REFOUT端口和REFIN端口，C4和C5并联后一端接地，另一端连接转换芯片的VSS端口；所说的脉冲信号时钟发生器是由多谐振荡器及其外围电路组成；其中，为转换器MAX156A/D提供时钟脉冲信号的多谐振荡器为定时器NE555；所说的外围电路包括电阻R3、R5、电容C6、C20，其中R3一端连接+VCC，另一端连接R5，R5再连接C20。

上述所说的单片机及其外围串行通信最小系统电路(见附图8)是由PC的串行接口、电平转换电路以及单片机最小系统组成；所说的PC的串行接口的外围引脚电路连接关系为：PC串行接口的引脚5接地；用来发送信号的引脚3接串口电平转换芯片MAX232的引脚11，用来接收信号的引脚2接电平转换芯片MAX232的引脚12；所说的用于实现PC的RS232电平到单片机的TTL电平转换的电平转换电路是由用于实现PC机与单片机之间通信的电平转换芯片MAX232、C8、C9、C10、C11组成；其中，C8的正端接电平转换芯片MAX232的引脚15，负端接引脚6；C9的正端接电平转换芯片MAX232的引脚1，负端接引脚3；C10的正端接电平转换芯片MAX232的引脚4，负端接引脚5；C11的正端接电平转换芯片MAX232的引脚2，负端接引脚16；电平转换芯片MAX232通过引脚11接收PC的RS232信号，然后转换为TTL信号后通过引脚14传送给单片机；单片机TTL信号经电平转换芯片MAX232的引脚13送入MAX232，转换为RS232电平后通过引脚12输送到PC；电平转换芯片MAX232；所说的单片机最小系统是由电容C7、C12、C13、晶振Y7与电阻R1组成；其中，单片机的引脚31、引脚40接+5V电压；单片机的引脚9通过电容C7接+5V电压，然后再通过电阻R1接地；单片机的20引脚接地；单片机的引脚18、19外接晶振，并通过C12、C13滤波；用来收发信号的单片机的串行通信端口RXD、TXD，即引脚10、11分别接电平转换芯片MAX232的引脚14、13；单片机采集到的信号通过串行通信的方式和PC机交互。

Claims

1.一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统，它包括电网和负载，其特征在于它是由隔离变压器、交流滤波器、交流电流传感器、IGBT桥式功率变换电路、直流滤波器、直流电压传感器、驱动电路、信号调理电路、DSP控制器、同步采样与滤波电路、单片机及其外围串行通信最小系统电路，以及PC数据库系统组成；所说的隔离变压器输入端连接三相电网电压的输出端，其输出端连接交流滤波器的输入端和信号调理电路的输入端；所说的交流滤波器的输出端连接IGBT桥式功率变换电路的输入端和交流电流传感器的输入端；所说的交流电流传感器的输出端与直流电压传感器的输出端均连接到信号调理电路的输入端；所说的DSP控制器的输出端连接到驱动电路的输入端，其输入端连接到信号调理电路的输出端；所说的IGBT桥式功率变换电路的输出端连接直流滤波器的输入端；所说的直流滤波器的输出端连接直流电压传感器的输入端和负载的输入端；所说的同步采样与滤波电路的输入端连接信号调理电路的输出端，其输出端连接单片机及其外围串行通信最小系统电路的输入端；所说的单片机及其外围串行通信最小系统电路的输出端连接PC串口的输入端，反馈信息经PC串口连接并传输至PC数据库系统。

2.根据权利要求1所说的一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统，其特征在于所说的隔离变压器采用三角形/星形的绕组形式。

3.根据权利要求1所说的一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统，其特征在于所说的交流滤波器包括电抗器；所说的直流滤波器采用电解电容结构。

4.根据权利要求1所说的一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统，其特征在于所说的交流电流传感器和直流电压传感器均采用霍尔元件。

5.根据权利要求1所说的一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统，其特征在于所说的IGBT桥式功率变换电路包括6个IGBT和6个二极管，各元器件间为常规连接，即每两个IGBT一组串接在一起，每个IGBT上反并联上一个二极管，组成三相桥。

6.根据权利要求1所说的一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统，其特征在于所说的驱动电路包括R20、R21、R22、R23、R24、运算放大器LM311，各元器件间为常规连接，即R20一端连接到运算放大器LM311的反向输入端，另一端连接到参考电压；R23的一端连接到LM311的反向输入端，另一端接地；R21一端接DSP信号，另一端接LM311的正向输入端；LM311的输出端接入R22和R24，R22的另一端接LM311的正电源输入端，R24的另一端接地，R24的调压端接IGBT。

7.根据权利要求1所说的一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统，其特征在于所说的信号调理电路是由R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、以及运算放大器CA3140组成；其中，R10、R11并接于运算放大器的反相端，再与R13串接；R15、R16串联构成同相比例运算放大电路；R12、R14串接于运算放大器的同相端。

8.根据权利要求1所说的一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统，其特征在于所说的DSP控制器是由DSP控制器及其外围电路组成；包括TI的TMS320F2812控制芯片，晶体振荡器以及阻容元件。

9.根据权利要求1所说的一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统，其特征在于所说的同步采样与滤波电路是由数/模转换电路和脉冲信号时钟发生器组成；所说的数/模转换电路是由A/D转换芯片MAX156，起稳压作用的电容C1、C3、C5，以及起滤除高次谐波作用的C0、C2、C4组成；其中，C0和C1并联后一端接地，另一端连接转换芯片的VDD端口，C2和C3并联后一端接地，另一端同时连接转换芯片的REFOUT端口和REFIN端口，C4和C5并联后一端接地，另一端连接转换芯片的VSS端口；所说的脉冲信号时钟发生器是由多谐振荡器及其外围电路组成；其中，为转换器MAX156A/D提供时钟脉冲信号的多谐振荡器为定时器NE555；所说的外围电路包括电阻R3、R5、电容C6、C20，其中R3一端连接+VCC，另一端连接R5，R5再连接C20。

10.根据权利要求1所说的一种基于DSP与单片机三相可逆变流器及其故障诊断系统，其特征在于所说的单片机及其外围串行通信最小系统电路是由PC的串行接口、电平转换电路以及单片机最小系统组成；所说的PC的串行接口的外围引脚电路连接关系为：PC串行接口的引脚5接地；用来发送信号的引脚3接串口电平转换芯片MAX232的引脚11，用来接收信号的引脚2接电平转换芯片MAX232的引脚12；所说的用于实现PC的RS232电平到单片机的TTL电平转换的电平转换电路是由用于实现PC机与单片机之间通信的电平转换芯片MAX232、C8、C9、C10、C11组成；其中，C8的正端接电平转换芯片MAX232的引脚15，负端接引脚6；C9的正端接电平转换芯片MAX232的引脚1，负端接引脚3；C10的正端接电平转换芯片MAX232的引脚4，负端接引脚5；C11的正端接电平转换芯片MAX232的引脚2，负端接引脚16；电平转换芯片MAX232通过引脚11接收PC的RS232信号，然后转换为TTL信号后通过引脚14传送给单片机；单片机TTL信号经电平转换芯片MAX232的引脚13送入MAX232，转换为RS232电平后通过引脚12输送到PC；电平转换芯片MAX232；所说的单片机最小系统是由电容C7、C12、C13、晶振Y7与电阻R1组成；其中，单片机的引脚31、引脚40接+5V电压；单片机的引脚9通过电容C7接+5V电压，然后再通过电阻R1接地；单片机的20引脚接地；单片机的引脚18、19外接晶振，并通过C12、C13滤波；用来收发信号的单片机的串行通信端口RXD、TXD，即引脚10、11分别接电平转换芯片MAX232的引脚14、13；单片机采集到的信号通过串行通信的方式和PC机交互。