CN207663274U - 脉冲电源的控制系统 - Google Patents

Abstract

一种脉冲电源的控制系统，包括现场可编程门阵列(FPGA)，包括外接至五路光纤的输入端，还包括连接三路光纤的输出端；数字信号处理技术芯片(DSP)包括分别外接至脉冲电源两个可控硅移相触发电路模块的两个数/模转换接口；静态随机存取存储器(SRAM)，通过数字线路连接于所述现场可编程门阵列和数字信号处理技术芯片之间。通过本实用新型的两个处理芯片再通过一个SRAM芯片进行数据交互，FPGA采集的数据实时写入该SRAM芯片，DSP则从该芯片读取数据进行运算和判断，并发出相应的控制指令。

Description

脉冲电源的控制系统

技术领域

本实用新型涉及电源领域，进一步的涉及一种脉冲电源的控制系统。

背景技术

采用高压脉冲电源的静电除尘是工业环保领域里最新发展起来的一种技术，是大气污染环境治理的重要手段。

现有的高压脉冲电源不能实现有效的调节控制，发出的脉冲单一，脉冲参数往往不符合除尘器的高效、节能的技术要求，不能起到很好除尘效果。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种脉冲电源的控制系统，以解决以上所述的至少一项技术问题。

(二)技术方案

本实用新型提供一种脉冲电源的控制系统，包括：

现场可编程门阵列(FPGA)，包括外接至五路光纤的输入端，所述五路光纤的输入信号包括脉冲电源的直流电流信号、直流电压信号、脉冲电压信号、脉冲电流信号以及变压器油温信号；还包括连接三路光纤的输出端，所述三路光纤的输出信号包括脉冲触发信号、直流电压控制信号和脉冲电压控制信号；

数字信号处理技术芯片(DSP)，包括分别外接至脉冲电源两个可控硅移相触发电路模块的两个数/模转换接口；

静态随机存取存储器(SRAM)，通过数字线路连接于所述现场可编程门阵列和数字信号处理技术芯片之间。

在进一步的实施方案中，所述数字信号处理技术芯片还包括RS-485 通信接口，配置为连接至一上位机。

在进一步的实施方案中，所述现场可编程门阵列还包括串行端口，以及一电可擦可编程只读存储器。

在进一步的实施方案中，所述现场可编程门阵列还配置为外接一显示单元和外接一串行通信接口。

在进一步的实施方案中，所述数字信号处理技术芯片还外接一个并行接口SRAMISSI51216和一个并行接口EEPROM 28BV64B。

在进一步的实施方案中，所述数字信号处理技术芯片还包括时钟接口，配置为外接一个实时时钟。

在进一步的实施方案中，所述数字信号处理技术芯片还包括16路数字信号输入接口，配置为输入本地/远程，启动/停止，复位，油温过高，油泵过载，保险开路，可控硅过热，风扇过载，油位过高，油位过低，系统急停，直流接触器反馈，脉冲接触器反馈，驱动板正常和系统过流故障的数字信号。

在进一步的实施方案中，所述数字信号处理技术芯片还包括8路数字信号输出接口，配置为输出直流继电器开，脉冲继电器开、运行指示灯、故障指示灯、泵接触器开、直流可控硅使能信号以及脉冲可控硅使能信号的数字信号。

在进一步的实施方案中，还包括脉冲电源的直流电压信号采样电路，其连接至外接至五路光纤的输入端。

在进一步的实施方案中，还包括脉冲电源的变压器油温信号采样电路，其连接至外接至五路光纤的输入端

(三)有益效果

(1)通过采用双处理器协同运行，DSP芯片作为主CPU对系统控制起到核心作用；而FPGA作为从CPU，负责采集数据、仪表显示、现场液晶触摸屏操作交互通信等任务。两个CPU通过一个SRAM芯片进行数据交互，FPGA采集的二次电压、二次电流、油温等数据实时写入该SRAM 芯片，DSP则从该芯片读取数据进行运算和判断，并发出相应的控制指令。若DSP发现某项数值超出设定的阈值，则向远程上位机发出故障报警信号，并对系统进行相应的跳闸等保护动作；

(2)通过控制系统，电源的脉冲触发信号由DSP发出指令，传递数据给FPGA，通过FPGA光纤接口OPC1输出信号，再通过电源电路，让系统产生一个最高可达80kV的高压脉冲信号，该脉冲信号与系统直流信号叠加复合，共同给除尘器负载供电。

附图说明

图1为本实用新型实施例脉冲电源的控制系统主控板组成单元示意图。

图2为本实用新型实施例送入FPGA的五路光纤信号之一的直流电压 Vdc信号采样电路图。

图3为本实用新型实施例送入FPGA的五路光纤信号之一的变压器油温信号采集电路。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的元件。下述参照附图对本实用新型实施方式的说明旨在对本实用新型的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本实用新型的一种限制。

本控制系统控制的脉冲电源的脉冲触发信号是由DSP发出指令，传递数据给FPGA，通过FPGA光纤接口OPC1输出信号，再通过触发板进行调制后输出脉冲重复率不超过200pps的一个PWM开关信号，该PWM信号控制IGBT栅极驱动电源，从而控制系统中IGBT模块的通断，让系统产生一个最高可达80kV的高压脉冲信号，该脉冲信号与系统直流信号叠加复合，共同给除尘器负载供电。

数字信号处理技术芯片(DSP)可以采用德州仪器生产的 TMS320F2812芯片，该芯片功能非常丰富，集成了事件管理器，A/D转换模块，SCI通信模块，SPI外设接口，eCAN总线通信模块，看门狗电路，通用数字I/O口等多种功能模块，其丰富的功能、超高的运算速度决定着本电源控制系统拥有非常好的实时响应速度。

为本实用新型实施例脉冲电源的控制系统主控板组成单元示意图。

如图1所示，DSP外接一个并行接口SRAM ISSI51216和一个并行接口EEPROM28BV64B，分别存储DSP的软件程序和系统中各个控制变量的默认值、初始值等。

DSP外接一个RS-485通信接口，此串口可用于连接上位机，对电源系统中的电压，电流，脉冲频率等运行参数进行设定和显示，并对电源系统所有开关及运行状态进行设置，此串口通信是整个电源系统与上位机的交互接口。

DSP还外接一个实时时钟，用于系统时间的记录和同步。实际应用当中，一台除尘器需要多台脉冲电源协同工作，实时时钟可以同步各台电源的时间，确保振打时序和振打逻辑按照设定值，运行在最优状态，以提高除尘效率。

DSP外接16路数字信号输入，其功能分别为本地/远程，启动/停止，复位，油温过高，油泵过载，保险开路，可控硅过热，风扇过载，油位过高，油位过低，系统急停，直流接触器反馈，脉冲接触器反馈，驱动板正常，系统过流故障，以及一个备用接口。

DSP外接8路数字信号输出，其功能分别为：直流继电器开，脉冲继电器开，运行指示灯，故障指示灯，泵接触器开，直流可控硅使能信号，脉冲可控硅使能信号，以及一个备用端口。

DSP外接两个可控硅调压模块，DSP的两路D/A端口连接D/A转换芯片，输出两个模拟信号为0～10V的直流信号，用这两个模拟信号分别用来控制直流和脉冲可控硅移相触发电路模块，可控硅移相触发电路模块可以控制可控硅的导通角，从而控制控制系统的运行电压。

DSP外接一个SRAM与FPGA进行数据交互，FPGA将采集的二次电压、二次电流、油温等脉冲频率信号通过SRAM传递给DSP进行实时运算处理，控制直流电压和脉冲电压的高低，以及脉冲重复频率。

若运行中出现某变量超出设定阈值，DSP通过上位机进行故障显示和报警，并通过数字量输出DO1或DO2关闭直流或者交流接触器的输出，使系统停止三相电源的供电，从而停止输出电压电流到除尘器负载，保护高压脉冲电源和除尘器本体不受损坏。

现场可编程门阵列(FPGA)外接五路光纤输入，此五路光纤均可接受0～500kHz的频率信号，其功能是采集系统中直流电压信号，直流电流信号，脉冲电压信号，脉冲电流信号，变压器油温信号。所采样的信号先经过采样板进行信号调理，包括电容滤波、电压钳位保护、放大整形后，经压频转换芯片将电压信号转换成频率信号，频率信号经过光纤发射器芯片HFBR1414后外接光纤。经过光纤传输、光纤接收器芯片HFBR2414接收后输入至FPGA的引脚，由FPGA进行接收处理，并将数值通过SRAM 传递给DSP。

FPGA外接三路光纤输出，其中第一路OPC1为脉冲触发信号，此脉冲触发信号为接收来自DSP发出的脉冲重复频率数值，经SRAM传递给 FPGA，FPGA输出用于触发IGBT的PWM信号，该信号重复频率、脉冲宽度均可调节。光纤OPC2为直流电压控制信号，接光纤驱动的可控硅移相触发电路模块，控制直流电压可控硅导通角度。光纤OPC3为脉冲电压控制信号，接光纤驱动的可控硅移相触发电路模块，控制脉冲电压可控硅导通角度。OPC2和OPC3光纤输出与DSP直接控制的两路0-10V模拟电压输出，共同实现了直流电压控制和脉冲电压控制的冗余系统。

FPGA外接一个串行EEPROM W25Q64F，其作用为存储FPGA的软件程序。

FPGA外接显示单元，包括5路4-20mA输出，3路0-10V输出，其中5路4-20mA用来驱动4-20mA的二次仪表，包括直流电压、直流电流、脉冲电压、脉冲电流以及变压器油温等显示仪表，分别对应5路光纤采集信号。3路0-10V用来驱动0-5V的二次仪表，分别对应直流电压、脉冲电压和直流电流。本系统对直流电压、脉冲电压和直流电流三路信号的显示仪表做了冗余备份，既可以采用电流驱动式仪表，也可以采用电压驱动式仪表。

FPGA外接一个采用IL422芯片的串行通信接口，此接口与系统触摸屏进行通信，触摸屏与上位机作用相同，能实现系统的直流电压、脉冲电压、脉冲运行频率等参数的设定和显示，系统出现故障时会在触摸屏上显示故障名称，方便维护人员现场操作。

FPGA还外接另一个485/232协议的串口，为系统备用通讯接口。

本系统中采集高压复合脉冲电源的电压、电流及油温等信号的任务由 FPGA完成，连接到FPGA芯片的OPC单元五路光纤输入信号分别为直流电压、直流电流、脉冲电压、脉冲电流以及变压器油温。该单元采集信号的精度，直接决定电源系统的控制精度，是本电源控制系统的核心电路。

本电源的脉冲触发信号是由DSP发出指令，传递数据给FPGA，通过 FPGA光纤接口OPC1输出信号，再通过触发板进行调制后输出脉冲重复率不超过200pps的一个PWM开关信号，该PWM信号控制IGBT栅极驱动电源，从而控制系统中IGBT模块的通断，让系统产生一个最高可达 80kV的高压脉冲信号。该脉冲信号与系统直流信号叠加复合，共同给除尘器负载供电。

图2为送入FPGA的五路光纤信号之一的直流电压Vdc信号采样电路，系统直流电压经采样板上的电阻R1分压后接入采样电路。R1上并联电容 C1进行滤波，TVS管KE1用于瞬态过压抑制，经过滤波电容C2、C3进一步整形滤波。钳位二极管D1、D2用于限制进入射随器Q1的信号幅值不超过正负电源电平。整形滤波后的信号经输入电阻R2输入至射随器Q1，信号被整形、等幅值输出并增加信号驱动能力。输出信号再经过双路放大器Q2A调整放大倍数和信号极性。调理后的信号经电位器VR1输入至压频转换芯片IC1。输入到压频转换芯片的信号还经过R7连接电位器VR2， VR2两端分别接正负15伏电源，用于调节零点。压频转换芯片IC1将输入的电压信号转化为频率输出信号。调节VR1和VR2改变输出频率的增益范围和零点。转化后的频率信号经光纤传输至主板。

直流基压全量程范围0-60kV的电压经过30MΩ电阻和R1分压后，得到采样电阻上0-4V直流电压，经过整形放大后送入IC1后输出的频率范围调节为10-200kHz，其中VR1调节频率输出的范围，VR2则用于调节信号零输入时频率的初始值。

图3为送入FPGA的五路光纤信号之一的变压器油温信号采集电路。图中传感器PT100一端接入采样板Temp(+)。C1T为滤波电容，TVS管KE1T用于防止瞬态电压对系统的损坏。电阻R2T、电容C2T构成RC滤波电路，电阻R6T、电容C3T构成另一组RC滤波电路，滤波电路用于消除信号杂波，优化信号质量。R3T、R4T为平衡输入电阻。电阻R9T、 R10T和电容C6T构成反馈网络，与电阻R8T、R11T共同决定电路的增益系数。放大器Q1T的输出端，接VR1T和R12T，送入压频转换芯片IC1T。上拉电阻R12T接电位器VR2T，VR2两端分别接正负15伏电源，用于调节系统零点。压频转换芯片IC1T由7脚输出正比于输入电压的频率信号，经光纤传递给主板。VR1T可在一定范围内调节输出频率增益范围。温度采集传感器采用的是三线制PT-100，其温度为0℃时电阻为100Ω，温度为100℃时为138.5Ω，调节电路的放大倍数使得0～100℃对应着10-200kHz 的输出频率。其中VR1T用于调节频率输出的增益范围，VR2T则用于调节输出频率的起始值。

PT-100采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。测量热电阻的电路一般是不平衡电桥，热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将一根导线接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及信号地上，这样消除了导线自身电阻带来的测量误差。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉冲电源的控制系统，其特征在于包括：

现场可编程门阵列(FPGA)，包括外接至五路光纤的输入端，所述五路光纤的输入信号包括脉冲电源的直流电流信号、直流电压信号、脉冲电压信号、脉冲电流信号以及变压器油温信号；还包括连接三路光纤的输出端，所述三路光纤的输出信号包括脉冲触发信号、直流电压控制信号和脉冲电压控制信号；

数字信号处理技术芯片(DSP)，包括分别外接至脉冲电源两个可控硅移相触发电路模块的两个数/模转换接口；

静态随机存取存储器(SRAM)，通过数字线路连接于所述现场可编程门阵列和数字信号处理技术芯片之间。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述数字信号处理技术芯片还包括RS-485通信接口，配置为连接至一上位机。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述现场可编程门阵列还包括串行端口，以及一电可擦可编程只读存储器。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述现场可编程门阵列还配置为外接一显示单元和外接一串行通信接口。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述数字信号处理技术芯片还外接一个并行接口SRAM ISSI51216和一个并行接口EEPROM 28BV64B。

6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述数字信号处理技术芯片还包括时钟接口，配置为外接一个实时时钟。

7.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述数字信号处理技术芯片还包括16路数字信号输入接口，配置为输入本地/远程，启动/停止，复位，油温过高，油泵过载，保险开路，可控硅过热，风扇过载，油位过高，油位过低，系统急停，直流接触器反馈，脉冲接触器反馈，驱动板正常和系统过流故障的数字信号。

8.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述数字信号处理技术芯片还包括8路数字信号输出接口，配置为输出直流继电器开，脉冲继电器开、运行指示灯、故障指示灯、泵接触器开、直流可控硅使能信号以及脉冲可控硅使能信号的数字信号。

9.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，还包括脉冲电源的直流电压信号采样电路，其连接至外接至五路光纤的输入端。

10.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，还包括脉冲电源的变压器油温信号采样电路，其连接至外接至五路光纤的输入端。