CN201528268U - 应用在高压变频器上的脉冲发生器 - Google Patents

应用在高压变频器上的脉冲发生器 Download PDF

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刘东耀
宋青东
靳鞅
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Abstract

本实用新型公开一种应用在高压变频器上的脉冲发生器，该脉冲发生器主要是由一块数字信号处理器DSP、三块可编程控制门阵列FPGA(简称FPGA)组成，所述DSP与三块FPGA串口通讯并行连接。本实用新型的技术方案充分利用了DSP的高速的算法处理功能与高可靠稳定性和FPGA快速运算以及丰富的定时器，使本脉冲发生器具有高速、高效、稳定可靠等性能，并能实现脉宽调制信号的多路输出；且利用了FPGA相对于DSP的价格优势，在实现功能和质量保证的基础上降低了成本。

Description

应用在高压变频器上的脉冲发生器
技术领域
本实用新型涉及一种脉冲发生器，尤其是一种应用在高压变频器上的脉冲发生器。
背景技术
随着电力电子技术的发展，变频器作为电力电子技术发展的产物，在国民经济的各个领域如矿山、冶金、石化、自来水、电力等行业得到广泛的应用，并发挥着越来越重要的作用。据中国江西新闻网2007年11月12日报导，工业用电量占整个全社会用电量的60％，而大功率电机用电量更是占整个工业用电量的70％，在当前国际国内能源紧缺的情况下，降低工业电器、尤其是降低大功率电机的耗电量就成为整个社会节能的首要选择，而变频技术可实现工业电器的节能需要，该技术可广泛应用于工业电器产品中。变频技术的特点是根据产品的运行要求，将工频频率调整为连续可调的频率，适合机电产品无级平滑启动，减少机电产品的电气冲击和机械冲击。
但是变频技术作为一种新兴技术，尤其是高压变频技术，主要的元器件都是靠国外进口，价格十分昂贵，影响着高压变频器的推广和应用。变频器主要是由主电路和控制器组成，脉冲发生器则是联结主电路和控制器的重要通道，同时，变频器中脉冲发生器也是实现变频算法的必要条件之一，是变频控制必不可少的条件之一。一般情况下，单相N电平级联H桥变频器需要的开关器件的数目是2(N-1)个，三相N电平级联H桥变频器则需要6(N-1)个，而且前常用的TMS320LF2407数据信号处理器DSP(以下简称DSP)最多能产生16路PWM脉冲，也就是说，对于三相系统而言，它最多只能为三相三电平变频器提供PWM脉冲。在高压变频器的实际应用中，三电平变频器输出电压的du/dt很大，在调速系统中危害电机的绝缘，加剧轴承电流等。所以，在高压大功率应用场合三电平变频器的问题很多，已经被摒弃，而七电平、九电平等多电平高压变频器的应用逐步增多；另一方面在理论上一般来讲，电平数越多，输出电压波形越逼近正弦波，其电压谐波含量就越低。而一块DSP只能产生16路脉宽调制信号PWM脉冲(以下简称PWM脉冲)，对于要求超过16路PWM脉冲的高压变频器，如果利用2块以上DSP产生多于16路PWM脉冲，也可以满足高压变频器运行的需要，但是两块DSP运行时，运行的同时性问题如果得不到有效的解决，就会产生较大的谐波出现，对高压变频器的运行和电网都带来极为不利的影响；另外，多增加一块DSP，就会使变频器的成本增加很多，不利于变频器的推广和应用。
实用新型内容
本实用新型所要解决的问题是提供一种性能稳定可靠、多路脉宽调制信号发生器。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种应用在高压变频器上的脉冲发生器，该脉冲发生器主要由一块数字信号处理器DSP、三块可编程控制门阵列FPGA(以下简称FPGA)组成，所述DSP与三块FPGA并行利用FPGA内部双口RAM通讯连接；所述FPGA内部有数据存储区，该存储区用以存储由DSP发送出的参考电压采样数据和对功率单元的控制命令；所述FPGA根据所述DSP所发送的参考电压采样数据和控制命令，实时产生和发送脉宽调制信号PWM脉冲。
作为本实用新型的一种改进，本实用新型技术方案所使用的可编程门阵列FPGA具有脉冲扩展模块，该脉冲扩展模块可将原始脉冲扩展为多路脉冲。
作为本实用新型的另一种改进，所述的可编程门阵列FPGA具有脉冲封锁信号处理模块，该脉冲封锁信号处理模块具有：当接到功率单元故障信号或人为发出的封锁信号时，将所有的输出脉冲均封锁保持原来状态不变功能。
进一步，本实用新型技术方案所使用的可编程门阵列FPGA具有死区处理模块，该死区处理模块具有对上下桥臂开关器件的开关时间设置一段互锁时间功能。
再进一步，本实用新型技术方案所使用的可编程门阵列FPGA具有反相检查模块，该反相检查模块用于保证最后输出的同一桥臂的控制脉冲严格反相。
作为一种优选方案，本实用新型技术方案所使用的数字信号处理器DSP是TMS320LF2407型DSP。
作为另一种优选方案，本实用新型技术方案所使用的可编程控制门阵列FPGA是XC2S200-5PQ208C型FPGA。
本实用新型的有益效果在于：
1、由于本实用新型的技术方案充分利用了DSP的高速的算法处理功能与高可靠稳定性和FPGA快速运算以及丰富的定时器，使本脉冲发生器具有高速、高效、稳定可靠等性能，并能实现脉宽调制信号的多路输出，可以满足多电平高压变频器的运行要求。
2、本实用新型技术方案利用了FPGA相对于DSP的价格优势，在实现功能和质量保证的基础上降低了成本。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步详细说明。
图1是高压变频器中的脉冲发生器原理框图。
图2是高压变频器中的脉冲发生器辅助电路结构图。
具体实施方式
图1是高压变频器中的脉冲发生器原理框图。图1中的脉冲发生器主要有一块数字信号处理器DSP和三块可编程门阵列FPGA组成，所述的一块数字信号处理器DSP和三块可编程门阵列FPGA之间并行利用FPGA内部双口RAM通讯连接。所述FPGA内部有数据存储区，该存储区用以存储由DSP发送出的参考电压采样数据和对功率单元的控制命令；所述FPGA根据所述DSP所发送的参考电压采样数据和控制命令，实时产生和发送脉宽调制信号PWM脉冲。
图2是高压变频器中的脉冲发生器辅助电路结构图。图1中的脉冲发生器实时产生和发送脉宽调制信号PWM脉冲后，根据高压变频器所需要的电平数，确定所需要的n路脉冲数，根据所需要的n路脉冲数，在脉冲扩展模块中生成相应的M*N路脉冲数；该M*N路脉冲进入脉冲封锁信号处理模块，该脉冲封锁信号处理模块具有的功能是：当接到功率单元故障信号或人为发出的封锁信号时，将所有的输出脉冲均封锁保持原来状态不变；经过脉冲封锁信号处理模块的M*N路脉冲进入死区处理模块，该死区模块的设置是考虑到电力电子装置中主电路的开关器件如IGBT的价格十分昂贵，必须采取一些保护措施来避免开关器件的损坏，变频电路中的上下桥臂的PWM控制信号是互补输出的，为了防止上下桥臂开关器件的直通，即在上桥臂开关没有完全关断，下桥臂开关就进入了导通状态的情况发生，必须在对上下桥臂开关器件的开关时间内设置一段互锁时间，通常称之为“死区时间”，由此防止开关器件的损坏；经过死区处理模块的M*N路脉冲进入反相检查模块，该反相检查模块用于保证最后输出的同一桥臂的控制脉冲严格反相；M*N路脉冲经过反相检查之后进入光纤驱动电路。
为了充分发挥一块DSP和三块FPGA组合成的脉冲发生的充分优势，本实用新型所选用的DSP是TMS320LF2407型DSP，所选用的FPGA是XC2S200-5PQ208C型FPGA，这样以来，就可以使DSP和FPGA的性能充分结合互补，利用其各自的优点就可以组成PWM发生电路，这样可以确保本脉冲发生器具有高速、稳定的可靠性并可实现多路信号输出。该脉冲发生器的工作原理是：在变频脉冲发生器中当DSP发出控制信号时FPGA基准计数器为一加减计数器，其计数总值为一个载波周期TC，而比较寄存器中为脉宽值，当基准计数器计数的值与比较寄存器相等时，比较器输出产生电平翻转，每当基准计数器计数到零时，产生一个使能信号把影子寄存器中的脉宽值送入比较寄存器。由比较器输出的原始PWM波经死区发生器后产生上下桥臂互补的两路PWM波。
上述实施例是本实用新型的优选实施例，本实用新型技术方案不限于上述描述，凡是基于本实用新型技术方案原理的等效变换，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用在高压变频器上的脉冲发生器，其特征在于：该脉冲发生器主要由一块数字信号处理器DSP、三块可编程控制门阵列FPGA组成，所述DSP与三块FPGA并行利用FPGA内部双口RAM通讯连接；
所述FPGA内部有数据存储区，该存储区用以存储由DSP发送出的参考电压采样数据和对功率单元的控制命令；
所述FPGA根据所述DSP所发送的参考电压采样数据和控制命令，实时产生和发送脉宽调制信号PWM脉冲。
2.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于：所述的可编程门阵列FPGA具有脉冲扩展模块，该脉冲扩展模块可将原始脉冲扩展为多路脉冲。
3.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于：所述的可编程门阵列FPGA具有脉冲封锁信号处理模块，该脉冲封锁信号处理模块具有：当接到功率单元故障信号或人为发出的封锁信号时，将所有的输出脉冲均封锁保持原来状态不变功能。
4.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于：所述的可编程门阵列FPGA具有死区处理模块，该死区处理模块具有对上下桥臂开关器件的开关时间设置一段互锁时间功能。
5.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于：所述的可编程门阵列FPGA具有反相检查模块，该反相检查模块用于保证最后输出的同一桥臂的控制脉冲严格反相。
6.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于：所述数字信号处理器DSP是TMS320LF2407型DSP。
7.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于：所述可编程控制门阵列FPGA是XC2S200-5PQ208C型FPGA。
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