一種可編程交流電源數字平臺及其控制方法
2023-10-22 11:35:37 1
專利名稱：一種可編程交流電源數字平臺及其控制方法
技術領域：
本發明涉及可編程交流電源的控制、分析及顯示數字平臺，更具體地，涉及一種基於FPGA、DSP和ARM的可編程交流電源數字平臺及其控制方法。
背景技術：
可編程電源是指某些功能或者參數可以通過計算機軟體編程進行控制的電源，可以便捷的模擬各種供電狀態、供電失真，可以方便的進行電力特性測量與分析，廣泛應用在研發、生產等領域。傳統的可編程交流電源採用高速數位訊號處理器(DSP)結合外圍器件完成系統控制功能。隨著電力電子技術的發展，可編程交流電源系統的功能和結構越來越複雜，不僅要求輸出功率大、波形可以任意程控，而且要求輸出的精度高，DSP本身的資源有限，這種控制系統的無法滿足實際控制的需要。由於現場可編程門陣列(FPGA)豐富的邏輯接口資源，編程靈活，可以並行處理多路信號的特性，因此基於數位訊號處理器(DSP)及現場可編程門陣列(FPGA)的逆變器控制平臺使用越來越廣泛。比如:嚴長輝、魏學森、金曙光等人申請的專利《一種三電平逆變器的控制系統及方法》(2005.3.1，申請號200510033388.6)，所介紹的利用數位訊號處理器(DSP)及現場可編程門陣列(FPGA)實現三電平逆變器的控制，其中數位訊號處理器(DSP)用作事務的處理和保護工作，現場可編程門陣列(FPGA)用於產生逆變器控制信號。但是這種控制平臺並沒有實現閉環控制，無法實現輸出信號頻率、幅度的精準控制，也沒有逆變器異常狀態的檢測部分。後來，在陳首先發表的碩士論文《網絡化的電力電子通用數字平臺設計》(浙江大學碩士學位論文，2008.7)中所介紹的逆變器數字平臺硬體和軟體的設計，其中數位訊號處理器(DSP)實現USB、乙太網、R232通信接口，現場可編程門陣列(FPGA)產生多路PWM控制信號。由此實現DSP擅長於計算，但是其各種接口資源並不豐富，並且該平臺也沒有實現逆變電路閉環控制，不能實現高精度輸出場合要求
發明內容
本發明解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種能夠實現逆變電路閉環控制、進而實現可編程電源的高精度輸出的基於FPGA、DSP和ARM的可編程交流電源數字平臺及其控制方法。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案如下:
一種可編程交流電源數字平臺，包括依次連接的逆變器及信號採集系統、數控及顯示平臺系統、散熱裝置，其中:
逆變器及信號採集系統包括溫度檢測電路、依次連接的逆變器核心電路、LC濾波電路和數據採集模塊；
逆變器核心電路，用於完成AC-DC-AC轉換過程，包括依次連接的全橋整流電路、功率因素矯正電路(PFC)、DC TO DC功率電路和DC TO AC功率電路；溫度檢測電路用於檢測上述功率電路的溫度； 全橋整流電路，用於將市電全橋整流成直流；DC TO DC功率電路，用於將整流後的信號轉換成母線電壓；DC TO AC功率電路，用於將母線電壓轉換成交流信號；功率因素矯正電路，用於實現輸出信號的功率因素矯正；
數控及顯示平臺系統，用於逆變器驅動信號SPWM與PWM的產生、逆變器異常狀態的檢測、逆變器輸出信號的實時檢測、逆變器閉環反饋控制、系統溫度的監控、各種輸入輸出參數與波形的顯示及通信接口的擴展，包括現場可編程門陣列(FPGA)模塊、數位訊號處理器(DSP)模塊、按鍵電路、IXD顯示電路、ARM處理器模塊和通信接口電路；其中:
現場可編程門陣列模塊，用於產生逆變器驅動信號SPWM和PWM、逆變器核心電路異常狀態的檢測和中斷、散熱裝置的調節、以及發出相應的狀態信息到ARM處理器模塊；
數位訊號處理器模塊，與數據採集模塊連接，用於收集數據採樣模塊得到的輸出信號數據，並進行計算分析，獲得輸出信號的各項參數，並將分析的結果與ARM處理器模塊傳送的設置參數對比，將反饋參數傳遞給ARM處理器模塊和現場可編程門陣列模塊；
ARM處理器模塊，用來實現人機互動功能，驅動按鍵電路和顯示電路，並擴展各種通信接口電路；將用戶設置參數傳送給現場可編程門陣列模塊和數位訊號處理器模塊，並接收數位訊號處理器模塊的分析結果和現場可編程門陣列模塊的狀態信息，然後將結果和信息保存並通過顯示電路顯示；
現場可編程門陣列模塊、數位訊號處理器模塊和ARM處理器模塊兩兩相連，組成閉環控制系統；散熱裝置、溫度檢測電路和現場可編程門陣列模塊組成閉環控制系統，逆變器核心電路中的功率因素矯正電路、DC TO DC功率電路、DC TO AC功率電路均連接於現場可編程門陣列模塊上。本發明的可編程交流電源數字平臺，將FPGA與DSP、ARM組成一個閉環控制系統，可以實現可編程電源的高精度輸出。FPGA通過溫度檢測電路實時監控系統溫度，調節散熱裝置工作狀態，以保證系統溫度處在安全範圍。同時FPGA實時對PFC、DC TO DC功率電路、DC TO AC功率電路異常狀態的檢測，及時響應各種異常中斷；另外，本發明的基於FPGA、DSP及ARM的可編程交流電源數字平臺易於升級且具有良好的可擴展性，可以作為逆變電源的通用平臺。進一步的，所述數據採集模塊包括依次連接的霍爾傳感器、信號調理電路和高速AD轉換器，霍爾傳感器包括霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器，信號調理電路用於在高速AD轉換器之前對霍爾傳感器採集的電壓、電流信號進行濾波、比例放大和限幅。進一步的，所述散熱裝置為風扇，風扇為最為簡單的散熱裝置，通過調節風扇轉速，即可調整散熱的強度。風扇由FPGA驅動，用於加快整個系統的散熱，避免系統工作過熱而引發安全問題。所述顯示電路為LCD顯示電路。進一步的，現場可編程門陣列模塊、數位訊號處理器模塊和ARM處理器模塊均通過SCI接口兩兩相連，滿足三者直接的通信要求。數位訊號處理器模塊通過SPI接口與數據採集模塊相連。進一步的，通信接口電路為RS232、USB、GPIB、Ethernet中的一種或任意幾種的組合。可以根據需要設置一種或多種接口電路類型，實現系統的通信接口的標準化，便於同上位機相連，實現數據的遠程監控。所述數位訊號處理器模塊計算分析後獲得的參數包括電壓均方根(Vrms)、電流均方根(Irms)、電壓峰值因素(CFU)、電流峰值因素(CFI)、功率因素(PF)和基波諧波參數。上述的基於FPGA、DSP和ARM的可編程交流電源數字平臺的控制方法，包括以下步驟:
51.逆變器及信號採集系統中的逆變器核心電路輸出的交流信號經過LC濾波電路濾波之後得到正弦輸出信號，正弦輸出信號經數據採集模塊採集電壓、電流參數之後，送往數控及顯示平臺系統；
52.數控及顯示平臺系統接收來自逆變器及信號採集系統傳送的信號，並進行如下處
理:
由現場可編程門陣列模塊產生逆變器驅動信號SPWM和PWM、進行逆變器核心電路異常狀態的檢測和中斷、調節散熱裝置的工作狀態、以及發出相應的狀態信息到ARM處理器模塊；
由數位訊號處理器模塊收集數據採樣模塊採集的電壓、電流信號，並進行計算分析，獲得輸出信號的各項參數，並將分析的結果與ARM傳送的設置參數對比，如果功率板輸出的交流信號是用戶要求的信號，則將分析結果提交給ARM處理器模塊進行相關的顯示和通信，若輸出信號不是用戶設置信號，則對現場可編程門陣列模塊發出中斷信號，與此同時ARM處理器模塊發出告警信息；
由ARM處理器模塊將用戶設置參數傳送給現場可編程門陣列模塊和數位訊號處理器模塊，並接收數位訊號處理器模塊的分析結果和現場可編程門陣列模塊的狀態信息，然後將分析結果和狀態信息保存並通過顯示電路顯示。所述步驟S2中現場可編程門陣列模塊的具體工作方法為:
現場可編程門陣列模塊接收ARM處理器模塊傳送的用戶設置信息，通過查找表的方法讀取DDS波形發生模塊中存儲的正弦值，然後和數字三角波發生模塊產生的三角波在SPWM與PWM產生模塊中比較得出獲得A相輸出，SPWM波由自然採樣法產生，然後將A相做180°延遲獲得B相輸出；
兩路SPWM信號分別驅動DC TO AC功率電路中H橋上的兩對MOS管，輸出的信號經過LC濾波之後得到正弦交流信號；兩路PWM信號分別驅動DC TO DC功率電路中H橋上的兩對MOS管，調整市電整流後的母線電壓；
SPWM與PWM均留有死區，即採取延時導通和雙邊對稱死區設置方式，使得同一橋臂上的一對MOS管可靠關斷後，另一橋臂上的一對MOS管才開通,避免H橋上兩對MOS管同時導通而短路，並且SPWM波與PWM波驅動信號均經過光耦電氣隔離後接入H橋上的兩對MOS管，提聞系統的抗幹擾能力；
與此同時，現場可編程門陣列模塊通過高速ADC轉換器檢測DC TO DC功率電路輸出直流的電壓幅度值，可以通過調整PWM佔空比實時控制母線電壓，保持母線電壓的穩定；通過高速ADC轉換器檢測DC TO AC功率電路輸出的交流電壓、電流峰值，當電壓、電流峰值異常時，關掉SPWM、PWM驅動信號，並向ARM處理器模塊發出告警信息，以防止MOS管燒壞，保證系統安全工作；
現場可編程門陣列模塊通過溫度檢測電路檢測逆變器核心電路的溫度，當溫度過高時則調整散熱裝置的工作狀態，加快散熱；當溫度高於設定值，則向ARM處理器模塊發出高溫告警信息並關斷信號輸出保護電路。FPGA對逆變器核心電路的異常監控和中斷控制伴隨整個裝置的開機和運行兩個工作狀態。所述步驟S2中數位訊號處理器模塊的具體工作方法為:
數位訊號處理器模塊通過SPI接口與數據採集模塊相連，收集到數據採集模塊傳送的電壓、電流採樣值，保存後進行時域分析，得到電壓均方根(Vrms)、電流均方根(Irms)、電壓峰值因素(CFU)、電流峰值因素(CFI)以及功率因素(PF)參數，然後對採樣值進行加窗等算法預處理，進行頻域分析，得到基波頻率及各次諧波含量；
數位訊號處理器模塊完成信號的計算分析之後，將這些分析結果與ARM處理器模塊傳來的用戶設置參數對比，若與用戶的設置信息在誤差範圍內，則將這些數據傳給ARM處理器模塊，並由ARM處理器模塊保存並通過顯示電路顯示；若DSP分析結果與用戶設置參數相差較大，即輸出正弦信號的頻率與幅值與用戶想得到的信號超過設定的誤差範圍，則通過SCI接口向現場可編程門陣列模塊發出中斷信號並傳送異常信息，與此同時向ARM處理器模塊發出告警信息，現場可編程門陣列模塊收到信息後通過調整頻率控制字和SPWM波的調製度來調整輸出正弦波的頻率和幅度。與現有技術相比，本發明技術方案的有益效果是:本發明的可編程交流電源數字平臺及其控制方法，將FPGA與DSP、ARM組成一個閉環控制系統，可以實現可編程電源的高精度輸出。FPGA通過溫度檢測電路實時監控系統溫度，調節散熱裝置工作狀態，以保證系統溫度處在安全範圍。同時FPGA實時對PFC、DC TO DC功率電路、DC TO AC功率電路異常狀態的檢測，及時響應各種異常中斷；另外，本發明可編程交流電源數字平臺，基於FPGA、DSP及ARM來實現，易於升級且具有良好的可擴展性，可以作為逆變電源的通用平臺。
圖1為本發明的可編程交流電源數字平臺結構示意圖。圖2為現場可編程門陣列模塊內部邏輯功能框圖。圖3為數位訊號處理器模塊內部邏輯功能框圖。
具體實施例方式下面結合附圖詳細描述本發明的實施例，附圖中自始至終相同或相類似的標號標示相同或相類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。為了便於解釋和說明，各個部分和結構的大小，並不代表實際尺寸，有誇大的，有縮小的，附圖表示的僅是示意圖，而非實物圖。為了清楚具體地說明，有些公知功能和結構是省略的，對這些結構的說明也省略了。在本發明中，除非另有規定或者限定，需要說明的是，術語「連接」和「相連」等應做廣義理解，例如，可以是機械連接或者電連接或者氣路連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接連接，也可以是通過中間媒介間接相連，對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。實施例1
如圖1所示為本發明的基於FPGA、DSP和ARM的可編程交流電源數字平臺的結構示意圖，包括依次連接的逆變器及信號採集系統101、數控及顯示平臺系統103、風扇102，其中: 逆變器及信號採集系統101包括:溫度檢測電路1012以及依次連接的逆變器核心電路1011、LC濾波電路1013和數據採集模塊1014。逆變器核心電路1011，用於完成AC-DC-AC轉換過程，包括依次連接的全橋整流電路10111、PFC功率因素矯正電路10112、DC TO DC功率電路10113和DC TO AC功率電路10114。其中，全橋整流電路10111，用於將市電全橋整流成直流；DC TO DC功率電路，用於將整流後的信號轉換成母線電壓；DC TO AC功率電路10114，用於將母線電壓轉換成交流信號；PFC功率因素矯正電路10112，用於實現輸出信號的功率因素矯正。溫度檢測電路1012用於檢測上述功率電路的溫度。逆變器核心電路1011與LC濾波電路1013相連，逆變器輸出交流信號經過LC濾波電路1013濾波之後得到正弦輸出信號，正弦輸出信號經數據採集模塊1014採集電壓、電流參數之後，送往數控及顯示平臺系統103分析及顯示。數據採集模塊1014包括依次連接的霍爾傳感器、信號調理電路和高速AD轉換器，霍爾傳感器包括霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器，信號調理電路用於在高速AD轉換器之前對霍爾傳感器採集的電壓、電流信號進行濾波、比例放大和限幅。數控及顯示平臺系統103，用於逆變器驅動信號SPWM與PWM的產生、逆變器異常狀態的檢測、逆變器輸出信號的實時檢測、逆變器閉環反饋控制、系統溫度的監控、各種輸入輸出參數與波形的顯示及通信接口的擴展，包括現場可編程門陣列(FPGA)模塊1031、數位訊號處理器(DSP)模塊1032、按鍵電路1033、LCD顯示電路1034、ARM處理器模塊1035、通信接口電路1036。其中:
現場可編程門陣列模塊1031，用於產生逆變器驅動信號SPWM和PWM、逆變器核心電路1011異常狀態的檢測和中斷、風扇102的調速、以及發出相應的狀態信息到ARM處理器模塊。數位訊號處理器模塊1032，採用TI公司的TMS320F28335晶片，作為本系統的核心運算處理晶片，DSP模塊通過SPI接口與數據採集模塊1014相連，用於收集數據採樣模塊得到的輸出信號數據，並進行計算分析，獲得輸出信號的電壓均方根(Vrms)、電流均方根(Irms)、電壓峰值因素(CFU)、電流峰值因素(CFI)、功率因素(PF)和基波諧波等參數，並將分析的結果與ARM傳送的設置參數對比，將反饋參數傳遞給ARM處理器模塊和FPGA。ARM處理器模塊1035，可選用三星公司的S3C2440晶片。用來實現人機互動功能，驅動按鍵電路1033和顯示電路1034，並擴展各種通信接口電路1036 ;將用戶設置參數(包括要輸出信號的幅值和頻率等)傳送給FPGA和DSP模塊，並接收DSP模塊的分析結果和FPGA模塊的狀態信息，然後將結果和信息保存並通過LCD顯示電路1034顯示。現場可編程門陣列模塊1031、數位訊號處理器模塊1032和ARM處理器模塊1035均通過SCI接口兩兩相連，組成閉環控制系統；數位訊號處理器模塊1032與數據採集模塊1014連接；風扇102、溫度檢測電路1012以及逆變器核心電路1011中的功率因素矯正電路10112,DC TO DC功率電路10113、DC TO AC功率電路10114均連接於現場可編程門陣列模塊1031上。ARM擴展的通信接口電路1036包括:RS232、USB、GPIB和Ethernet中的一種或幾種，可以實現系統的通信接口的標準化，便於同上位機相連，實現數據的遠程監控。 上述的基於FPGA、DSP和ARM的可編程交流電源數字平臺的控制方法，包括以下步驟:
51.逆變器及信號採集系統中的逆變器核心電路1011輸出的交流信號經過LC濾波電路濾波之後得到正弦輸出信號，正弦輸出信號經數據採集模塊採集電壓、電流參數之後，送往數控及顯示平臺系統103 ；
52.數控及顯示平臺系統接收來自逆變器及信號採集系統傳送的信號，並進行如下處
理:
a.由現場可編程門陣列模塊1031產生逆變器驅動信號SPWM和PWM、進行逆變器核心電路1011異常狀態的檢測和中斷、調節散熱裝置的工作狀態、以及發出相應的狀態信息到ARM處理器模塊；
b.由數位訊號處理器模塊收集數據採樣模塊採集的電壓、電流信號，並進行計算分析，獲得輸出信號的各項參數，並將分析的結果與ARM傳送的設置參數對比，如果功率板輸出的交流信號是用戶要求的信號，則將分析結果提交給ARM處理器模塊進行相關的顯示和通信，若輸出信號不是用戶設置信號，則對現場可編程門陣列模塊發出中斷信號，與此同時ARM處理器模塊發出告警信息；
c.由ARM處理器模塊1035將用戶設置參數傳送給現場可編程門陣列模塊和數位訊號處理器模塊，並接收DSP模塊的分析結果FPGA模塊的狀態信息，然後將分析結果和狀態信息保存並通過IXD顯示電路1034顯示。步驟S2中現場可編程門陣列模塊1031的具體實現方法如圖2所示:
現場可編程門陣列模塊1031接收ARM處理器模塊1035傳送的用戶設置信息，通過查找表的方法讀取DDS波形發生模塊中存儲的正弦值，然後和數字三角波發生模塊產生的三角波在SPWM與PWM產生模塊中比較得出獲得A相輸出(其中SP麗波由自然採樣法產生)，然後將A相做180°延遲獲得B相輸出。兩路SPWM信號分別驅動DC TO AC功率電路10114中的H橋上的兩對MOS管，輸出的信號經過LC濾波之後得到正弦交流信號；兩路PWM信號分別驅動DC TO DC功率電路10113中H橋上的兩對MOS管，調整市電整流後的母線電壓。SPWM與PWM均留有死區，即採取延時導通和雙邊對稱死區設置方式，使得同一橋臂上的一對MOS管可靠關斷後，另一橋臂上的一對MOS管才開通，避免H橋上的兩對MOS管同時導通而短路，並且SPWM波與PWM波驅動信號均經過光耦電氣隔離後接入H橋上的兩對MOS管，提聞系統的抗幹擾能力。與此同時，現場可編程門陣列模塊1031通過高速ADC轉換器檢測DC TO DC功率電路10113輸出直流的電壓幅度值，可以通過調整PWM佔空比實時控制母線電壓，保持母線電壓的穩定。通過高速ADC轉換器檢測DC TO AC功率電路10114輸出的交流電壓、電流峰值，當電壓、電流峰值異常時，馬上關掉SPWM、PWM驅動信號，並向ARM處理器模塊1035發出告警信息，以防止MOS管燒壞，保證系統安全工作。在本發明的運行過程中，現場可編程門陣列模塊1031通過溫度檢測電路1012檢測逆變器核心電路1011中的功率電路的溫度，當溫度過高時則調整風扇轉速，加快散熱。而當溫度高於設定值，則向ARM處理器模塊1035發出高溫告警信息並關斷信號輸出保護電路。FPGA對逆變器核心電路1011的異常監控和中斷控制伴隨整個裝置的開機和運行兩個工作狀態。
步驟S2中數位訊號處理器模塊1032的具體實現方法如圖3所示:
數位訊號處理器模塊1032收集到數據採集模塊1014傳送的電壓、電流採樣值，保存後進行時域分析，得到電壓均方根(Vrms)、電流均方根(Irms)、電壓峰值因素(CFU)、電流峰值因素(CFI)以及功率因素(PF)參數，然後對採樣值進行算法預處理，進行頻域分析，得到基波頻率及各次諧波含量。數位訊號處理器模塊1032完成信號的計算分析之後，將這些分析結果與ARM處理器模塊1035傳來的用戶設置參數對比，若與用戶的設置信息在誤差範圍內，則將這些數據傳給ARM處理器模塊1035，並由ARM處理器模塊1035保存並通過IXD顯示電路1034顯示；若DSP分析結果與用戶設置參數相差較大，即輸出正弦信號的頻率與幅值與用戶想得到的信號超過設定的誤差範圍，則通過SCI接口向現場可編程門陣列模塊1031發出中斷信號並傳送異常信息，與此同時向ARM處理器模塊1035發出告警信息，現場可編程門陣列模塊收到信息後通過調整頻率控制字和SPWM波的調製度來調整輸出正弦波的頻率和幅度。上述實施例是本發明的較佳實施方案，應該理解的是，上述實施例並不用於限制本發明，本領域的普通技術人員在不脫離本發明的原理的宗旨的情況下，對上述實施例所做的變化、修改、替換和變形，均應落入本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種可編程交流電源數字平臺，其特徵在於，包括依次連接的逆變器及信號採集系統、數控及顯示平臺系統、散熱裝置，其中: 逆變器及信號採集系統包括溫度檢測電路、依次連接的逆變器核心電路、LC濾波電路和數據採集模塊； 逆變器核心電路，用於完成AC-DC-AC轉換過程，包括依次連接的全橋整流電路、功率因素矯正電路、DC TO DC功率電路和DC TO AC功率電路；溫度檢測電路用於檢測上述功率電路的溫度； 全橋整流電路，用於將市電全橋整流成直流；DC TO DC功率電路，用於將整流後的信號轉換成母線電壓；DC TO AC功率電路，用於將母線電壓轉換成交流信號；功率因素矯正電路，用於實現輸出信號的功率因素矯正； 數控及顯示平臺系統，用於逆變器驅動信號SPWM與PWM的產生、逆變器異常狀態的檢測、逆變器輸出信號的實時檢測、逆變器閉環反饋控制、系統溫度的監控、各種輸入輸出參數與波形的顯示及通信接口的擴展，包括現場可編程門陣列模塊、數位訊號處理器模塊、按鍵電路、IXD顯示電路、ARM處理器模塊和通信接口電路；其中: 現場可編程門陣列模塊，用於產生逆變器驅動信號SPWM和PWM、逆變器核心電路異常狀態的檢測和中斷、散熱裝置的調節、以及發出相應的狀態信息到ARM處理器模塊； 數位訊號處理器模塊，與數據採集模塊連接，用於收集數據採樣模塊得到的輸出信號數據，並進行計算分析，獲得輸出信號的各項參數，並將分析的結果與ARM處理器模塊傳送的設置參數對比，將反饋參數傳遞給ARM處理器模塊和現場可編程門陣列模塊； ARM處理器模塊，用來實現人機互動功能，驅動按鍵電路和顯示電路，並擴展各種通信接口電路；將用戶設置參數傳送給現場可編程門陣列模塊和數位訊號處理器模塊，並接收數位訊號處理器模塊的分析結果和現場可編程門陣列模塊的狀態信息，然後將結果和信息保存並通過顯示電路顯示； 現場可編程門陣列模塊、數位訊號處理器模塊和ARM處理器模塊兩兩相連，組成閉環控制系統；散熱裝置、溫度檢測電路和現場可編程門陣列模塊組成閉環控制系統，逆變器核心電路中的功率因素矯正電路、DC TO DC功率電路、DC TO AC功率電路均連接於現場可編程門陣列模塊上。
2.根據權利要求1所述的可編程交流電源數字平臺，其特徵在於，所述數據採集模塊包括依次連接的霍爾傳感器、信號調理電路和高速AD轉換器，霍爾傳感器包括霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器，信號調理電路用於在高速AD轉換器之前對霍爾傳感器採集的電壓、電流信號進行濾波、比例放大和限幅。
3.根據權利要求1所述的可編程交流電源數字平臺，其特徵在於，所述散熱裝置為風扇。
4.根據權利要求1所述的可編程交流電源數字平臺，其特徵在於，所述顯示電路為LCD顯示電路。
5.根據權利要求1所述的可編程交流電源數字平臺，其特徵在於，現場可編程門陣列模塊、數位訊號處理器模塊和ARM處理器模塊均通過SCI接口兩兩相連；數位訊號處理器模塊通過SPI接口與數據採集模塊相連。
6.根據權利要求1所述的可編程交流電源數字平臺，其特徵在於，通信接口電路為RS232、USB、GPIB、Ethernet中的一種或任意幾種的組合。
7.根據權利要求1所述的可編程交流電源數字平臺，其特徵在於，所述數位訊號處理器模塊計算分析後獲得的參數包括電壓均方根、電流均方根、電壓峰值因素、電流峰值因素、功率因素和基波諧波參數。
8.—種權利要求1所述的可編程交流電源數字平臺的控制方法，其特徵在於，包括以下步驟: 51.逆變器及信號採集系統中的逆變器核心電路輸出的交流信號經過LC濾波電路濾波之後得到正弦輸出信號，正弦輸出信號經數據採集模塊採集電壓、電流參數之後，送往數控及顯示平臺系統； 52.數控及顯示平臺系統接收來自逆變器及信號採集系統傳送的信號，並進行如下處理: 由現場可編程門陣列模塊產生逆變器驅動信號SPWM和PWM、進行逆變器核心電路異常狀態的檢測和中斷、調節散熱裝置的工作狀態、以及發出相應的狀態信息到ARM處理器模塊； 由數位訊號處理器模塊收集數據採樣模塊採集的電壓、電流信號，並進行計算分析，獲得輸出信號的各項參數，並將分析的結果與ARM處理器模塊傳送的設置參數對比，如果功率板輸出的交流信號是用戶要求的信號，則將分析結果提交給ARM處理器模塊進行相關的顯示和通信，若輸出信號不是用戶設置信號，則對現場可編程門陣列模塊發出中斷信號，與此同時ARM處理器模塊發出告警信息； 由ARM處理器模塊將用戶設置參數傳送給現場可編程門陣列模塊和數位訊號處理器模塊，並接收數位訊號處理器模塊的分析結果和現場可編程門陣列模塊的狀態信息，然後將分析結果和狀態信息保存並通過顯示電路顯示。
9.根據權利要求8所述的控制方法，其特徵在於，所述步驟S2中現場可編程門陣列模塊的具體工作方法為: 現場可編程門陣列模塊接收ARM處理器模塊傳送的用戶設置信息，通過查找表的方法讀取DDS波形發生模塊中存儲的正弦值，然後和數字三角波發生模塊產生的三角波在SPWM與PWM產生模塊中比較得出獲得A相輸出，SPWM波由自然採樣法產生，然後將A相做180°延遲獲得B相輸出； 兩路SPWM信號分別驅動DC TO AC功率電路中H橋上的兩對MOS管，輸出的信號經過LC濾波之後得到正弦交流信號；兩路PWM信號分別驅動DC TO DC功率電路中H橋上的兩對MOS管，調整市電整流後的母線電壓； SPWM與PWM均留有死區，即採取延時導通和雙邊對稱死區設置方式，使得同一橋臂上的一對MOS管可靠關斷後，另一橋臂上的一對MOS管才開通，避免H橋兩對MOS管同時導通而短路，並且SPWM波與PWM波驅動信號均經過光耦電氣隔離後接入H橋上的兩對MOS管； 與此同時，現場可編程門陣列模塊通過高速ADC轉換器檢測DC TO DC功率電路輸出直流的電壓幅度值，可以通過調整PWM佔空比實時控制母線電壓，保持母線電壓的穩定；通過高速ADC轉換器檢測DC TO AC功率電路輸出的交流電壓、電流峰值，當電壓、電流峰值異常時，關掉SPWM、PWM驅動信號，並向ARM處理器模塊發出告警信息； 現場可編程門陣列模塊通過溫度檢測電路檢測功率電路的溫度，當溫度過高時則調整散熱裝置的工作狀態，加快散熱；當溫度高於設定值，則向ARM處理器模塊發出高溫告警信息並關斷信號輸出保護電路。
10.根據權利要求8所述的控制方法，其特徵在於，所述步驟S2中數位訊號處理器模塊的具體工作方法為: 數位訊號處理器模塊通過SPI接口與數據採集模塊相連，收集到數據採集模塊傳送的電壓、電流採樣值，保存後進行時域分析，得到電壓均方根、電流均方根、電壓峰值因素、電流峰值因素以及功率因素參數，然後對採樣值進行算法預處理，進行頻域分析，得到基波頻率及各次諧波含量； 數位訊號處理器模塊完成信號的計算分析之後，將這些分析結果與ARM處理器模塊傳來的用戶設置參數對比，若與用戶的設置信息在誤差範圍內，則將這些數據傳給ARM處理器模塊，並由ARM處理器模塊保存並通過顯示電路顯示；若DSP分析結果與用戶設置參數相差較大，即輸出正弦信號的頻率與幅值與用戶想得到的信號超過設定的誤差範圍，則向現場可編程門陣列模塊發出中斷信號並傳送異常信息，與此同時向ARM處理器模塊發出告警信息，現場可編程門陣列模塊收到信息後通過調整頻率控制字和SPWM波的調製度來調整輸出正弦波的頻 率和幅度。
全文摘要
本發明涉及可編程交流電源的控制、分析及顯示數字平臺，更具體地，涉及一種基於FPGA、DSP和ARM的可編程交流電源數字平臺及其控制方法。本發明的可編程交流電源數字平臺，包括逆變器及信號採集電路、散熱裝置、數控及顯示平臺。其中逆變器及信號採集電路包括逆變器核心電路、溫度檢測電路、LC濾波電路、數據採集模塊。數控及顯示平臺包括現場可編程門陣列(FPGA)模塊、數位訊號處理器(DSP)模塊、按鍵電路、LCD顯示電路、ARM處理器模塊、通信擴展電路。本發明的可編程交流電源數字平臺，FPGA與DSP、ARM組成一個閉環控制系統，實現可編程電源的高精度輸出。
文檔編號G05B19/042GK103207578SQ20131004302
公開日2013年7月17日 申請日期2013年2月4日 優先權日2013年2月4日
發明者蔡念, 黃威威, 王家燃, 王晗, 陸滿, 梁恆軍, 林俊明, 蘇界偉, 黃海波, 孫盛, 詹志鵬, 吳志雄, 朱增頂, 黃裕樑, 林文賢, 梁均雄, 林旭昇, 陳旭韓 申請人:廣東工業大學