CN211375356U - 一种基于fpga的智能电源监控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于FPGA的智能电源监控装置，包括电压保护模块、电压测量模块、电压‑频率转换电路、频率输出电路和电压调节模块，电源的电压输出端分别与电压保护模块、开关和电压调节模块相连接，开关、电压测量模块、电压‑频率转换电路、频率输出电路依次连接，频率输出电路的输出信号端与电压调节模块相连，电压保护模块和电压调节模块的输出端分别与负载相连。本实用新型的有益效果是：本实用新型简化了电路结构，电容、电阻等元件均为常用元件，替换简单，维修成本低。

Description

一种基于FPGA的智能电源监控装置

技术领域

本实用新型涉及电池技术领域，更具体地说涉及一种基于FPGA的智能电源监控装置。

背景技术

为了保证变电站内继电保护及其自动化装置、通信装置、后台、事故照明、应急电源及断路器分、合闸操作能获得持续稳定可靠的直流电源，直流系统的定期维护和检修非常重要。蓄电池组作为直流系统的心脏，日常维护尤其重要，一旦蓄电池组出现故障，会导致电力设备火烧连营甚至造成人身伤亡等事故，造成国家财产及电网公司遭受重大损失，因此蓄电池进行科学运维非常重要。为了保证运行的可靠性和稳定性，根据国网和省公司直流系统运维检修相关规程要求，变电站内蓄电池组需定期检测，包括每月对蓄电池电压测量和定期蓄电池组核容试验，该两项工作均包含蓄电池电压测量，现有蓄电池电压测量的过程包括两个阶段，第一个阶段是在变电站蓄电池室的室(柜)内，一位工作人员利用万用表接触蓄电池两极读取电压数，一位工作人员记录数据；第二个阶段是回到班组将蓄电池电压数据手工回填至电脑。由于蓄电池组电压数据庞大，对于一个220千伏变电站两组蓄电池核容试验来说，往往需要测量二十组电压值，而每组一般有103只蓄电池电压数据，需测量的电压数据就达2060个之多，此过程相当的繁琐，耗时，也易发生测量记录数据错误。同时，若电压输出过大会对负载造成损坏。

发明内容

本实用新型克服了现有技术中的不足，提供了一种基于FPGA的智能电源监控装置。

本实用新型的目的通过下述技术方案予以实现。

一种基于FPGA的智能电源监控装置，包括电压保护模块、电压测量模块、电压-频率转换电路、频率输出电路和电压调节模块，电源的电压输出端分别与所述电压保护模块、所述开关和所述电压调节模块相连接，所述开关、所述电压测量模块、所述电压-频率转换电路、所述频率输出电路依次连接，所述频率输出电路的输出信号端与所述电压调节模块相连，所述电压保护模块和所述电压调节模块的输出端分别与负载相连；

所述电压保护模块包括控制器、光电耦合器件和保护单元，所述电池的输出端依次通过所述光电耦合器件、所述保护单元与所述控制器的电压检测端口电连接，所述开关还与所述控制器电连接，用于在所述控制器的控制下导通或关断，以使电池的输出端与开关实现导通或断开；

所述电压-频率转换电路包括第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及控制芯片和增益调整电阻；所述第一电阻与第一电容并联，所述第一电容的两端与控制芯片的不同引脚连接；所述第二电容的一端与第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与输入电源的正极连接，所述第二电容的另一端连接信号输入端；

所述电压调节模块包括PID调节模块、DPWM产生模块和开关电源功率级电路，所述PID调节模块根据PID控制原理对所述频率输出电路输出值进行偏差调节，使输出电压值与预定值一致；所述DPWM产生模块根据所述PID调节模块的输出信号控制开关的通断，所述DPWM产生模块输出指令调节所述开关电源功率级电路中开关器件的导通器件，使开关电源功率级电路保持恒定的输出。

进一步，所述光电耦合器件包括控制端、信号输入端及信号输出端，所述光电耦合器件的信号输入端与所述电池的输出端电连接，所述光电耦合器件的信号输出端与所述保护单元电连接，所述光电耦合器件的控制端与所述控制器的IO端口电连接，所述光电耦合器件用于在所述控制器的IO端口控制下关断或导通。

进一步，所述保护单元包括保护二极管及电阻，所述电阻分别与所述控制器的电压检测端口电、所述保护二极管的阴极连接，所述保护二极管的阳极接地。

进一步，所述保护二极管为瞬态抑制二极管。

进一步，所述光电耦合器件为PHOTOMOS器件。

进一步，所述电压-频率转换电路还包括阻抗匹配电阻，所述第一电容的一端经过所述阻抗匹配电阻与控制芯片的引脚连接。

进一步，所述电压-频率转换电路还包括第三电容和第三电阻，所述第三电容的一端与第二电容连接，所述第三电容的另一端与第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端为信号的输入端。

进一步，所述PID调节模块和所述DPWM产生模块均基于FPGA实现。

进一步，所述开关电源功率级电路功率开关管型号为N沟道POWERMOSFETIRF7832PbF，驱动电路芯片型号为IR2110S系列。

本实用新型的有益效果为：

通过两个开关来实现电压保护电路和电压检测模块的互相切换，当控制电压保护电路的开关连通时，电池的输出端通过电压保护电路与其他电元器件相连接，实现电路通路；当电压过高时，开关连通，电压调节模块使输出电压保持在合理范围内且恒定输出；

所述电压-频率转换电路相连用于接收调理后的电压信号对其进行模数转换；

频率输出电路将一部分干扰信号滤除，然后输出滤除后的频率信号传递给电压调节模块的PID调节模块；

本实用新型简化了电路结构，电容、电阻等元件均为常用元件，替换简单，维修成本低。

附图说明

图1是本实用新型方框结构图；

图2是电池电压检测电路的电路连接示意图；

图3是电压-频率转换电路的示意图；

图4是电压-频率转换电路的控制芯片的示意图；

图5是频率输出电路示意图；

图6是电压调节模块；

图中：

110、控制器；U1、光电耦合器件；150、保护单元；R-第四电阻；

TVS-瞬态抑制二极管；120、电源；L-电感；C-电容；130、二极管；

C3、第一电容；C4、第二电容；R11、第一电阻；R15、第二电阻；

IC2、控制芯片；R13、电阻；R14、电阻；R16、电阻；C5、第三电容；

D1、第一二极管；IC1、耦合器；R2、限流电阻；170、负载；

1、电源；2、开关；3、电压保护模块；4、电压测量模块；5、电压-频率转换电路；

6、频率输出电路；7、电压调节模块。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。

如图1-6所示一种基于FPGA的智能电源监控装置，包括电压保护模块3、电压测量模块4、电压-频率转换电路5、频率输出电路6和电压调节模块7，电源的电压输出端分别与所述电压保护模块3、开关2和电压调节模块7相连接，开关2、电压测量模块4、电压-频率转换电路5、频率输出电路6依次连接，频率输出电路6的输出信号端与电压调节模块7相连，电压保护模块3和电压调节模块7的输出端分别与负载170相连；

工作时，开关的初始状态为打开，电压保护模块3与负载170相连接的一路电路连通，当电压过高的时候电压保护模块3断开通路，同时电压保护模块3中的控制器发出信号使开关闭合，电压测量模块4用于检测电源的电压并显示，然后将电压信号传输给电压-频率转换电路5，电压-频率转换电路5将电压信号转换为频率信号，通过频率输出电路6将一部分干扰信号滤除，然后输出滤除后的频率信号传递给电压调节模块7的PID调节模块，PID调节模块对频率信号输出值进行偏差调节，使电压调节模块7输出的电压值与预定值一致，然后实现与负载的供电。以上涉及的开关2可以为数字开关、电磁开关等任一受控制实现打开/闭合的现有技术中的开关形式即可。

电压保护模块3包括控制器110、光电耦合器件U1和保护单元150，所述电池120的输出端依次通过所述光电耦合器件U1、保护单元150与控制器110的电压检测端口电连接，开关2还与控制器110电连接，控制器110的控制所述开关的导通或关断，以使电池120的输出端与开关2实现导通或断开；所述光电耦合器件U1为PHOTOMOS器件。该控制器110不涉及技术改进，能够实现控制开关打开/闭合即可。

所述保护单元150包括保护二极管及第四电阻R，所述第四电阻R与所述控制器110的电压检测端口电连接，所述保护二极管的阴极与第四电阻R电连接，所述保护二极管的阳极接地。保护单元150可以在电源的电压VCC出现异常高时，因超过电压检测端口的采集电压范围而损坏，起到保护电压检测端口的作用；所述保护二极管为瞬态抑制二极管TVS，当电压过大时，瞬态抑制二极管TVS可以被击穿，从而使电压保护模块与负载相连接的一路电路不通。

如图3-4电压-频率转换电路5包括第一电容C3、第二电容C4、第一电阻R11、第二电阻R15以及电压频率转换芯片IC2；第一电阻R11与第一电容C3并联，第一电容C3的一端经R12与控制芯片的引脚4连接，增益电阻可以为一个电阻也可以为两个电阻，当为两个电阻时如图3所示，电阻R13和电阻R14，该通过两个电阻，可以提高电路的匹配精度；电阻R13和电阻R14串联后与控制芯片的引脚2连接；第一电容C3的一端与控制芯片的引脚1连接。

电压-频率转换电路5还包括阻抗匹配电阻，第一电容C3的一端经过所述阻抗匹配电阻与电压频率转换芯片IC2的引脚连接。

电压-频率转换电路5还包括第三电容C5和第三电阻，第三电容C5的一端与第二电容C4连接，第三电容C5的另一端与第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端为信号的输入端。

第二电容C4的一端与第二电阻R15的一端连接，第二电阻R15的另一端与输入电源的正极连接；第三电容C5和电阻R16形成滤波电路，其中第三电容C5的一端与控制芯片的引脚6连接，第三电容C5的另一端与电第二电容C4连接，电阻R16连接信号的输入端。

具体实现时，差分电路采集到的电池电压模拟量bat_72v_adc进过一阶滤波输入到电压频率转换芯片IC2的6脚，进入控制芯片内部，控制芯片包括输入比较器、R-S触发器、定时比较器、电子开关、基准电路、复位晶体管、输出驱动电路等组成。当IC2引脚6输入一个正电压时，输入比较输出一个高电平，使R-S触发器置位，集电极开漏输出晶体管打开，对外输出如果有上拉，则输出端Fout输出低电平，同时VCC也通过第二电阻R15对第二电容C4进行充电，当第二电容C4电压上升到一定值时，定时比较器输出高电平将R-S触发器复位，同时复位晶体管打开，将第二电容C4迅速放电，电子开关将控制芯片IC的1脚位第一电容C3对电阻R11放电，当第一电容C3放电到电压等于输入电压时，输入比较器再次输出高电平，置位R-S触发器，如此反复构成自激震荡，从而输入电压模拟量bat_72v_adc被转换成与之成线性关系的频率Fout数字量，该数字量可以不易受外界干扰进行传输，输出端加一快速光耦器件可以实现低成本隔离传输方案。

如图5所示，频率输出电路包括耦合器IC1、第一二极管D1和限流电阻R2，耦合器IC1包括发光二极管和光敏三极管，所述发光二极管和光敏三极管耦合；第一二极管D1的负极与耦合器IC1的发光二极管正极连接，第一二极管D1的正极与耦合器IC1的发光二极管的负极连接，光耦器IC1光敏三极管的集电极与限流电阻R2的一端连接，限流电阻R2的另一端与输入电源连接，光敏三极管的射极接地。

如图6电压调节模块7包括PID调节模块、DPWM产生模块和开关电源功率级电路，所述PID调节模块根据PID控制原理对所述频率输出电路输出值进行偏差调节，使输出电压值与预定值一致；所述DPWM产生模块根据所述PID调节模块的输出信号控制开关的通断，所述DPWM产生模块输出指令调节所述开关电源功率级电路中开关器件的导通器件，使开关电源功率级电路保持恒定的输出；所述开关电源功率级电路由驱动电路，功率开关管、电感L、电容C和二极管130组成。所述开关电源功率级电路中驱动电路的芯片型号为IR2110S系列，功率开关管型号为N沟道POWERMOSFETIRF7832PbF，根据DPWM发生器发出的信号利用驱动电路驱动功率开关管的通断，使得开关电源功率级电路的输出电压与预定值一致。

光电耦合器件包括控制端、信号输入端及信号输出端，光电耦合器件的信号输入端与所述电池的输出端电连接，所述光电耦合器件的信号输出端与所述保护单元电连接，所述光电耦合器件的控制端与所述控制器的IO端口电连接，所述光电耦合器件用于在所述控制器的IO端口控制下关断或导通。

所述PID调节模块和所述DPWM产生模块均基于FPGA实现。

该电压调节模块7为现有技术，能够实现PID调节即可，不涉及为实现控制调节功能上所做的改进，频率输出电路为电压调节模块输送滤除后的频率。

以上模块中涉及的电容、电阻等元件均为常用元件，其替换简单，维修成本低。

以上对本实用新型的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种基于FPGA的智能电源监控装置，其特征在于：包括电压保护模块、电压测量模块、电压-频率转换电路、频率输出电路和电压调节模块，电源的电压输出端分别与所述电压保护模块、开关和所述电压调节模块相连接，所述开关、所述电压测量模块、所述电压-频率转换电路、所述频率输出电路依次连接，所述频率输出电路的输出信号端与所述电压调节模块相连，所述电压保护模块和所述电压调节模块的输出端分别与负载相连；

所述电压保护模块包括控制器、光电耦合器件和保护单元，电池的输出端依次通过所述光电耦合器件、所述保护单元与所述控制器的电压检测端口电连接，所述开关还与所述控制器电连接，用于在所述控制器的控制下导通或关断，以使电池的输出端与开关实现导通或断开；

所述电压-频率转换电路包括第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及控制芯片和增益调整电阻；所述第一电阻与第一电容并联，所述第一电容的两端与控制芯片的不同引脚连接；所述第二电容的一端与第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与输入电源的正极连接，所述第二电容的另一端连接信号输入端；

所述电压调节模块包括PID调节模块、DPWM产生模块和开关电源功率级电路，所述PID调节模块根据PID控制原理对所述频率输出电路输出值进行偏差调节，使输出电压值与预定值一致；所述DPWM产生模块根据所述PID调节模块的输出信号控制开关的通断，所述DPWM产生模块输出指令调节所述开关电源功率级电路中开关器件的导通器件，使开关电源功率级电路保持恒定的输出。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的智能电源监控装置，其特征在于：所述光电耦合器件包括控制端、信号输入端及信号输出端，所述光电耦合器件的信号输入端与所述电池的输出端电连接，所述光电耦合器件的信号输出端与所述保护单元电连接，所述光电耦合器件的控制端与所述控制器的IO端口电连接，所述光电耦合器件用于在所述控制器的IO端口控制下关断或导通。

3.根据权利要求2所述的基于FPGA的智能电源监控装置，其特征在于：所述保护单元包括保护二极管及电阻，所述电阻分别与所述控制器的电压检测端口电、所述保护二极管的阴极连接，所述保护二极管的阳极接地。

4.根据权利要求3所述的基于FPGA的智能电源监控装置，其特征在于：所述保护二极管为瞬态抑制二极管。

5.根据权利要求4所述的基于FPGA的智能电源监控装置，其特征在于：所述光电耦合器件为PHOTOMOS器件。

6.根据权利要求1所述的基于FPGA的智能电源监控装置，其特征在于：所述电压-频率转换电路还包括阻抗匹配电阻，所述第一电容的一端经过所述阻抗匹配电阻与控制芯片的引脚连接。

7.根据权利要求1所述的基于FPGA的智能电源监控装置，其特征在于：所述电压-频率转换电路还包括第三电容和第三电阻，所述第三电容的一端与第二电容连接，所述第三电容的另一端与第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端为信号的输入端。

8.根据权利要求1所述的基于FPGA的智能电源监控装置，其特征在于：所述PID调节模块和所述DPWM产生模块均基于FPGA实现。

9.根据权利要求1所述的基于FPGA的智能电源监控装置，其特征在于：所述开关电源功率级电路功率开关管型号为N沟道POWERMOSFETIRF7832PbF，驱动电路芯片型号为IR2110S系列。

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