电除尘器高频电源采集系统的设计

分类号TP391单位代码10300密级学号2010206206硕士学位论文电除尘器高频电源采集系统的设计DESIGNOFHIGHFREQUENCYPOWERSUPPLYACQUISITIONSYSTEMFORELECTROSTATICPRECIPITATOR申请人姓名陈兆明指导教师张颖超教授专业名称系统分析与集成研究方向嵌入式所在学院信息与控制学院二一三年五月独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示谢意。学位论文作者签名_签字日期_关于论文使用授权的说明南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊（光盘版）杂志社、中国科学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并通过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权南京信息工程大学研究生院办理。公开保密（_年_月）保密的学位论文在解密后应遵守此协议学位论文作者签名_签字日期_2指导教师签名_签字日期_I目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111选题背景及研究意义112相关技术国内外发展现状213本文的研究内容3第二章系统设计结构521系统设计原则522系统采集方式的研究523系统总体结构724本章小结8第三章电除尘器高频电源介绍931电除尘器高频电源工作原理932控制电路功能的分配设计11321DSPFPGA控制平台11322驱动保护单元12323高压采样电路12324数字信号调理电路12325模拟信号采集电路1333数据采集分析13331采样数据研究1334本章小结18第四章系统硬件设计1941采集控制单元19411FPGA的配置电路2042典型电路设计21II421基于AD7356的模数转换电路21422模拟信号隔离24423RC滤波电路2743高频电源模拟信号采集电路设计29431母线电压采集电路29432相电流采集电路30433一次电流采集电路32434二次电压采集电路33435二次电流调理电路3444温度采集电路35441温度采集元件PT10035442模数转换芯片AD771136443温度采集电路设计3745模拟信号采集电路仿真及实验结果分析3946高频电源数字信号采集电路设计41461低频数字信号采集电路设计42462高频数字信号采集电路设计4347本章小结44第五章系统软件采集实现4551高速采集模块4652温度采集模块4753数字量采集模块49531开关状态数字量49532高速故障反馈数字信号5154数据缓存51541缓存方式的确定51542双口RAM的存储模块实现5455DSP与FPGA通信方式研究55III56本章小结56第六章基于FPGA数字滤波器研究5761FIR数字滤波器57611FIR滤波器的基本结构5762基于分布式算法的FIR滤波器58621分布式算法研究58622串行滤波器60623并行滤波器60624改进型串行滤波器6163FIR滤波器的设计61631系数的生成62632FIR滤波器实现6364本章小结66第七章总结和期望67参考文献69附录72致谢74作者简介75I摘要随着科技的日益更新，现在的产品对信息的实时性、系统的可扩展性、电路的集成度等要求也越来越高。在数据采集方面，传统的AD采样方法单片机、DSP等因为端口资源的有限和其顺序执行的工作模式已经不能够满足人们的要求。而FPGA因具有速度快、兼容性好和实时性强的特点，越来越多的被应用于数据采集及采集后的调理。本设计的总体架构是建立在FPGA的采集平台上。在设计中，充分利用FPGA的灵活性与并行性特点，与特定模数转换器、串行寄存器芯片相互配合，实现模拟、数字信号的多通道采集，提高了系统的性能。首先，本文对电除尘器高频电源及其工作原理做了详细的介绍，并着重对高频电源需要采集的数据进行了详细的分析与研究，其中包括信号采集要求和采集前后信号的特征。其次，针对设计对象，给出每一路数据的硬件调理电路设计，详细分析了电路的设计原理和实现功能，并给出设计之初的仿真波形和最后的硬件实物的实验波形。在完成后硬件设计之后，本文对硬件电路中使用的数据采集芯片进行了详细的时序分析，在FPGA中实现了软件采集编程和时序仿真，并对数据缓存和数据传输做了详细的分析、探讨。第三，为提升DSP和系统效率，在模拟信号的数字化完成后，对在FPGA中实现基于DA算法的FIR滤波器做了进一步研究，并给出了详细的实现步骤和结果。伴随着物联网技术和信息技术的发展，FPGA由于其不可替代的优势，也越来越广泛的被应用到各领域。本文设计的基于FPGA的采集系统，不仅在实时性方面有进一步的提升，而且系统的可扩展性非常强，有利于设备的进一步升级。关键词FPGA，模数转换器，FIR滤波器，分布式算法，抗干扰IIABSTRACTWITHTHEINCREASINGLYUPDATEDTECHNOLOGY,THEREQUIREMENTSFORPRODUCTSONREALTIMEOFINFORMATION,EXTENDIBILITYOFSYSTEMANDTHEINTEGRATIONOFTHECIRCUITAREHIGHERANDHIGHERINTHEASPECTOFDATAACQUISITION,ASTHEIMPLEMENTATIONOFPORTRESOURCESARELIMITEDANDITSSEQUENCEOFWORKMODE,THETRADITIONALADSAMPLINGMETHODSCM,DSPHAVECOULDNOTMETPEOPLESREQUIREMENTSWHILEFPGAHASFASTSPEED,GOODCOMPATIBILITYANDSTRONGREALTIME,ITISINCREASINGLYUSEDFORDATACOLLECTIONANDSIMPLECALCULATIONTHEOVERALLSTRUCTUREOFTHEDESIGNISBASEDONTHECONTROLPLATFORMOFDSPANDFPGATHISDESIGNMAKESFULLUSEOFTHEFLEXIBILITYOFFPGAANDPARALLELCHARACTERISTIC,MATCHSWITHSPECIFICADSANDSERIALMEMORYCHIPS,MULTICHANNELACQUISITIONANALOG、DIGITALSIGNALS,ANDTHEPERFORMANCEOFTHESYSTEMISALSOIMPROVEDFIRST,THISPAPERMAKESADETAILEDINTRODUCTIONTOTHEHIGHFREQUENCYPOWERSUPPLYFORESPANDTHEPRINCIPLEOFWORK,ANDDATASCOLLECTEDINTHEHIGHFREQUENCYPOWERSUPPLYAREANALYZEDANDSTUDIEDINDETAILS,INCLUDINGTHEREQUIREMENTSOFACQUISITIONANDCHARACTERISTICSOFTHESIGNALSECOND,ACCORDINGTOTHEDESIGNOBJECT,CONDITIONINGCIRCUITSOFEACHPATHOFSIGNALSISDESIGNED,ANDTHECIRCUITDESIGNPRINCIPLEANDFUNCTIONAREALSOANALYZEDINDETAILS,ANDTHEEXPERIMENTALWAVEFORMSIMULATIONWAVEFORMANDTHEFINALPHYSICALDESIGNAREPRESENTEDATLASTAFTERTHEDESIGNOFHARDWAREISFINISHED,THISPAPERMAKESADETAILEDANALYSISOFTHETIMINGOFDATAACQUISITIONCHIPUSEDINHARDWARECIRCUIT,IMPLEMENTEDINFPGASOFTWAREACQUISITIONPROGRAMANDTIMINGSIMULATION,ESPECIALLYTHEDATACACHEANDDATATRANSMISSIONAREANALYZEDANDDISCUSSEDTHIRD,TOENHANCETHEEFFICIENCYOFDSPANDTHESYSTEM,AFTERANALOGSIGNALSCHANAGETODIGITALSIGNALS,ARESEARCHOFANIMPLEMENTATIONOFFIRFILTERBASEDONDAALGORITHMINFPGAISPRESENTED,ANDTHEIMPLEMENTATIONSTEPSANDDETAILEDRESULTSISGIVENWITHTHEDEVELOPMENTOFNETWORKANDINFORMATIONTECHNOLOGY,SINCEITSIRREPLACEABLEADVANTAGES,FPGAISMOREANDMOREWIDELYAPPLIEDTOVARIOUSFIELDSTHEACQUISITIONSYSTEMBASEDONFPGADESIGNEDINTHISPAPER,NOTONLYHASTHEFURTHERPROMOTIONINREALTIME,ANDTHESYSTEMSCALABILITYISVERYSTRONGITISCONDUCIVETOUPGRADEEQUIPMENTKEYWORDSFPGA，AD，FIRFILTER，DISTRIBUTEDARITHMETIC，ANTIINTERFERENC第一章绪论1第一章绪论11选题背景及研究意义随着国民经济的发展和社会的进步，在牺牲环境而发展经济的影响下，中国的环境保护变的越来越迫切，而粉尘污染更是一个非常严重的环境污染问题，特别是2013年北京等地的严重雾霾现象，更是把环境保护提到了一个新的高度。人们越来越关注对环境的保护。我国是一个燃煤大国，在我国的发电主要还是以火力发电为主，在2011年，全国火电电量为38137亿千瓦时，占全部发电量的8254。而不仅是火电厂，煤炭加工、采矿、电力、冶金、炼油、化工、造纸等工业都是粉尘污染的排放源。为减少这些工业粉尘的排放，保护环境，采用各种除尘装置是一种最为有效的手段。但是，这十多年来我国环保形势已发生了巨大的变化，作为大气污染治理的主战场火力发电厂装机容量至少增加了三倍，单机机组更由300、600发展到1000MW或更高；粉尘排放浓度则由200MG/M3降到50MG/M3；而电站脱硫技术迅速发展，特别是干法脱硫后需要处理的粉尘浓度则高达800MG/M32000MG/M3；这就要求除尘器的除尘效率达到在9999以上，这些都给电除尘器及其供电电源等提出了新的课题。根据工作原理的不同，可将除尘器分为以下几种洗涤除尘、机械除尘、过滤除尘和静电除尘等。而目前在中国，电除尘器数量占除尘器数量的百分之七十以上，我国明显已经是一个世界电除尘器的生产、应用大国12。但现在国内的现代代大型电厂和工厂所使用的还是工频电除尘器电源。工频电除尘器电源是线性电源，线性电源的优点是稳定性好，可靠性高，输出电压精度高，输出纹波电压小。而其不足之处主要是要求采用半控型器件、工频变压器和滤波器，重量体积都很大，并且调整管的功耗较大，使电源功率因数小且效率大大降低，一般情况不超过50。除此以外，其输出电压的脉动大，使得除尘器的输出平均电压偏低，导致除尘效率相对较低，而且使用半控型器件使得发生闪络放电或者短路等状况时不能够及时调整，延时大，系统响应较慢，因此有可能会造成设备的损坏234；但其优良的输出特性，使其在对电源性能要求较高的场合仍得到广泛的应用。从上个世纪九十年代开始，随着国外先进技术的引进，电除尘器高频电源由于所显现的绝对优势和众多优点越来越受到各企业工厂的青睐。电除尘器高频电源属南京信息工程大学硕士学位论文2于开关电源，因此其具有开关电源的优势。开关电源的优点效率高，可靠性和稳定性较好，体积小、重量轻，对供电电网电压的波动不敏感，在电网电压波动较大的情况下，仍能维持比较稳定的输出。但是，由于开关稳压电源的功率开关处于开关状态，使其存在的输出波纹电压较高、瞬变响应较差，对电网和外部电子设备有电磁干扰等缺点。电除尘器高频电源是电除尘器电源发展的趋势，正如上世纪八十和九十年代的电子计算机、通信和电力操作等领域开关电源取代了可控硅相控电源那样，二十一世纪其他工业领域特别是环保领域开关电源将逐步取代可控硅相控电源。作为电除尘器高频电源的重要核心组成部分之一的采集系统，更是直接关系到高频电源性能的好坏，是保证电除尘器高频电源的正常运行的关键之一。12相关技术国内外发展现状电除尘器高频电源的发展则要追溯到20世纪90年代初，由美国学者LIBERATIGUGLIELMO在1993年开发出高频开关保护电源，使之适用于电除尘器，并对故障跟踪的保护设计做了初步的设想。20世纪90年代末，美国的NWL公司、丹麦SMIDTH公司和瑞典的ALSTOM公司等的高频开关电源进入市场并应用于电力、化工等行业。其中，瑞典的ALSTOM公司的SIR系列高频开关电源最具有代表性，其最大规格已达到120KV/12A5。而电除尘器高频电源采集系统的发展史则直接与DSP的发展相紧密联系，从第一代的电除尘器高频电源的生产开始，其控制系统一直由DSP为主导，而随着DSP的发展，其控制、采集系统也不断的处于更新状态。相比较与国外的早起点、快速发展，国内高频直流高压开关电源研究起步较晚。虽然我国的开关电源技术的发展基本上可源于20世纪70年代末和80年代初，当时引进的开关电源技术在高等院校和一些科研所停留在试验开发和教学阶段，但是直到21世纪初，高频电源在我国引进，而且其高昂的价格，使其推广使用变得尤为艰难。2002年以后，国内的一些研究机构和企业才先后开始了高频、高压开关电源的研究，以此来实现高频电源的国有化。其中国电环境保护研究院（南京国电环保科技有限公司）、福建龙净环保公司是电除尘器高频电源的先驱者。经过几年的努力，各自取得了重大的突破，并研发出拥有各自知识产权的电除尘器高频电源。其中国电环保研究院研制的高频电源体积小、重量轻，其输出功率更是达到第一章绪论3115KW，达到了国际水准67。与此同时，国内的采集系统也全部沿袭了国外的采集技术，采用以DSP为主导的采集系统。但是由于国内的电子技术相比于国外较为落后，在系统硬件电路采集、调理等方面的成熟度更是处于弱势，因此在电除尘器高频电源主电路趋于稳定的条件下，国内高频电源的故障率一直处于居高不下的状态，一个非常重要的方面就是国内高频电源的控制系统或采集系统采用的技术更新速度慢，且其采集系统已成固化状态，方式单一，其对硬件的依赖性很大。这样在环境恶劣的情况下，就会使采集系统的工作不稳定，直接导致了整个设备的工作不稳定。13本文的研究内容基于目前国内现有的基于传统采集方式的电除尘器高频电源，本文将现已发展成熟的FPGA技术运用到高频电源上提高设备采集系统的性能。本文主要完成的工作包括采集数据分析、硬件电路设计、软件采集模块编程和数字滤波器四个部分。（1）采集数据分析是对整个高频电源监控数据的研究，在设计之初对其做详细的分析与研究，包括采集信号的种类、波形、幅值、频率等，并对数据采集的方法做了详细的解释说明。（2）硬件调理部分包括硬件电路设计和实验结果分析。针对采集信号的特殊性，有针对性的设计调理采集电路，并在最后给出硬件电路设计的仿真波形与实际实验波形的对比说明，验证硬件电路设计的正确性。（3）软件采集部分包括程序设计和仿真结果。本文对硬件模数转换器、移位寄存器等采集芯片设计出完整的接口程序，完成信号的最终数字量转换，并给出时序仿真图。（4）数字滤波部分是对在FPGA内部实现FIR滤波器的研究。本文详细分析了DA算法的原理，并根据原理在FPGA中实现了FIR滤波器。具体各章节大致内容如下所述第一章是对本课题研究的背景和研究意义做出简单介绍，并给出目前国内外电除尘器高频电源技术的发展历史和现状。第二章是对本文设计的总体概述，根据工业设计要求，给出本设计的设计原则。同时，对传统的数据采集方式和基于FPGA的采集方式作出详细的比较说明，并确定了本设计中采用的数据采集方式基于FPGA的并行采集模式。第三章是本文设计的基础。首先对高频电源做了简单的介绍后，着重对电除尘南京信息工程大学硕士学位论文4器高频电源的工作原理做了细致的分析，并确定电除尘器高频电源采集的数据参数。电除尘器高频电源是一种自主进行故障判断的设备。而其自主判断的前提就必须对其运行过程中的各种技术参数进行实时监控，因此一套可靠、安全的采集系统是保证电除尘器高频电源正常运行的重要前提。第四章是电除尘器高频电源的采集系统的硬件设计。在进行硬件设计前，必须考虑到设计对象的工作环境。因为电除尘器高频电源是安装在室外，而且在全国各地都有应用。所以设计前，对其工作的环境需进行最大限度的设定，因为硬件的设计的成功与否与各种器件的选型有直接的关系。因此，需对硬件选型十分慎重。另外，由于开关电源自身有一个很大的缺点就是开关高频噪声较为严重，因此在电路设计中适时的增加滤波电路和隔离的应用。为验证硬件电路设计的正确性，最后给出各电路在不同调理部分的波形，并与输入波形做对比。第五章主要是FPGA的模块化程序设计。在本章中，针对硬件电路中采集信号采集模数转换芯片，各自独立设计一系列的采集程序，并着重对数据缓存技术做了深入的分析。最后给出软件仿真波形，以验证程序模块设计的正确性。第六章是基于分布式算法的FIR滤波器在FPGA中的研究和应用。数字滤波等信号处理一般都由DSP处理来完成。而随着FPGA技术的不断发展，基于FPGA的数字处理算法也不断的产生。本章就对应用DA算法在FPGA中实现复杂的数字滤波功能的技术做了分析探讨，此方式不仅提高处理速度，同时对DSP的效率的提高也有一定的帮助。第七章是本文的总结和展望。第二章系统设计结构5第二章系统设计结构上一章在介绍高频电源的相关国内外情况后，在本章将对高频电源数据采集系统做出总体设计，并对采集系统的核心采集方式做出选择。21系统设计原则根据高频电源的使用情况与基本的设计原则在具体实际中的考虑，本文按照以下原则进行总体设计（1）可靠性。就工程设备而言，其最重要的因素是设备能够可靠、稳定地运行。电除尘器高频电源的工作环境的劣，经常是处于高温或低温、高湿度和干扰严重的环境中，因此保证其可靠地运行更为重要。因此，采集系统必须尽可能实现可靠、稳定的采集与传输。（2）可扩展性。由于我国高频电源技术的落后和现今技术的迅速发展，因此在设计系统时很重要的一点就是考虑到以后的更新换代问题。更新换代并不是另起炉灶，而是在现有的基础上的进一步发展与改进。因此为减少不必要的成本，在当时的设计中留有一定的余地进行扩展也是一项重要措施。（3）硬件成本。商业成本也是制约先进技术广泛应用的一个非常因素，其对硬件技术更为重要。电除尘器高频电源是一个商品，因此其利润才是最为重要的关键。因此在进行硬件设计时，器件选型是一项重要的工作。在满足需求的基础上，尽量选用应用广泛的器件。（4）易维护性。在工作环境和硬件使用寿命的制约下，设备出现故障是无可避免的问题。但由于高频电源的全国分布和技术人员数量的限制，因此，设备的易维护性问题必然也是系统设计考虑的一个不可或缺的因素。系统中硬件结构尽可能的采用模块化设计，各部分彼此不受影响，这样在使用中对故障的排查也起到一定的简易作用，方便系统的后期维护和升级8。22系统采集方式的研究目前，作为世界通用的三大主流控制器ARM、DSP和FPGA在不同领域、不同应用场合都发挥重要的作用。这三种微控制器都可以用来做数据采集，下面就三者的主要优势做简要分析（1）ARM的最大特点是其强大的的事务管理功能，主要用来做应用界面设计以及应用程序等，其优势主要体现在控制方面；（2）南京信息工程大学硕士学位论文6DSP，即数字信号处。顾名思义，其最大的优势就是强大的数字处理能力和较高的运行速度，所以经常用来计算，比如进行加密解密、调制解调等；（3）FPGA，可编程门阵列，其编程语言也不同于ARM和DSP，有两种可用VHDL和VERILOGHDL本设计采用VERILOGHDL语言，灵活性强，由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作，因此可以充分地进行设计开发和验证。当电路有少量改动时，更能显示出FPGA的优势，其现场编程能力可以延长产品在市场上的寿命，而这种能力可以用来进行系统升级或除错。传统数据的采集方式是通过DSP或单片机实现，模拟信号数据采集是在模拟信号调理完成以后，直接输入到DSP或单片机的AD引脚，通过软件配置来采集。而由于FPGA在最近十几年的强势崛起，其灵活的可配置性和并行的工作模式，使其短时间内在数据采集方向的应用得到迅速发展。下面对传统的数据采集方式和基于FPGA的数据采集方式作出如下对比。（1）A/D转换的控制传统采集模式通过软件控制数据采集的A/D转换。缺点频繁中断系统的运行，减弱系统数据运算能力，采集速度受限。FPGA采集模式FPGA的数据采集是FPGA搭配一个高速模数转换器实现采集，因此整个数据的采集和A/D转换都是由硬件完成，可以最大限度的提高系统的数据采样和处理能力。（2）工作模式传统采集模式传统采集方式所用的DSP或单片机的工作模式是串行的，虽然其通过快速中断模式可以实现较高速的数据采集，但其指令更适合实现算法而不是逻辑控制，其外部接口的通用性较差。而且串行的工作模式注定在同一时间只能采集一种信号，这就必然限制了其采集速度和质量。FPGA采集模式FPGA是门级可编程器件，其最大的特点是工作模式为并行模式。因此，适于大数据量的高速采集和传输控制，可以集成外围控制、译码和接口电路。（3）采集频率传统采集模式DSP或单片机的编程控制是有指令集完成，指令集的执行必遵循指令周期。因此DSP/单片机的采集频率很大程序受到时钟的束缚，因此大多的DSP最大的采集速度为几十兆或上百兆。FPGA采集模式FPGA由于内部延时小，全部控制逻辑由硬件完成，因此其第二章系统设计结构7时钟频率很高，中高档的FPGA的时钟频率可达上GHZ。（4）可扩展性传统采集模式DSP或单片机的数据采集是将模拟信号直接输入到AD寄存器的引脚中，因此模拟信号的输入受到CPU的供电电压的限制。且当采集的对象处于干扰严重或高压环境下，对模拟信号的隔离也需做特别处理。FPGA采集模式FPGA的I/O数量较多，每一个I/O口的功能都大致相同，因此其可移植性更强。而且由于FPGA的数据采集是配合一款AD来实现的，因此进入FPGA的信号是数字信号，对数字信号的隔离可有多种选择，如光电隔离、磁隔离等。综合以上原因，在本系统中采用基于FPGA的采集模式来搭建采集平台。23系统总体结构由上文可知，电除尘器高频电源的数据采集系统就是建立在FPGA的采集平台上。电除尘高频电源信号采集器件硬件采集电路FPGA采集程序模块典型电路/独立采集电路实验结果MODELSIM与VECTORWAVEFORM仿真模块化设计DSP信号处理上位机显示图21系统结构图注虚线部分为本文研究内容由上图可以看出，本文的主要研究对象为硬件电路设计和FPGA采集模块的实南京信息工程大学硕士学位论文8现。硬件电路设计硬件电路，即数据采集的调理电路，是保证采集信号可靠、准确的关键部分，调理电路包括尖峰信号的抑制、RC滤波、隔离等电路。因为从干扰严重或室外环境下采集的模拟信号和数字信号都不可避免的受到了或多或少的干扰，导致信号的不准确，掺杂其中的尖峰信号会对后级元器件造成损坏，从而造成设备的故障，且维护困难。因此在信号采集之后、AD转换之前对信号进行一定的调理是非常重要的，而对信号的调理电路也成为采集电路不可或缺的一部分。在本设计中，针对采集的信号的不同，设计不同的调理电路，其中功能相同的电路，做成典型模块，使设计简易化。在完成各部分的电路设计后，最后给出实际电路的测试波形，以验证电路的正确性。FPGA软件设计在此设计中FPGA实现的五种功能数据的采集、高低限判断、数字滤波器、数据存储和数据传输。由于FPGA的并行模式特点，因此对数据的采集采用模块化设计，并行对每一路AD采集、滤波、高低限判断、存储。由于高低限的判断相对容易实现，因此在后文的设计中就省略了此处的描述。AD采集就是针对不同的模数转换芯片设计不同的采集接口程序。而数据存储涉及到FPGA内部的RAM使用，数据的传输是FPGA与DSP之间数据单向流动。因为本文的研究重点是数据采集，所以只考虑FPGA中数据向DSP的传输。而DSP对FPGA的参数设置、控制信号传输数据量很少，通过SPI即可实现。24本章小结本章针对电除尘器高频电源在实际中的工作环境，提出在设计中依据设计原则，以此来考虑设计中需要特别注意的细节。并着重对传统采样方式DSP或单片机的采样方式和基于FPGA的高速采样方式做了详细的对比说明。最后总结出，基于FPGA的高速、并行采样方式更能够满足电除尘器高频电源的要求，并且对设备的性能也有一定的提升作用。最后，对基于FPGA的设计架构进行了简单的规划、并对其中的每个采集、调理环节做了进一步的说明。第三章电除尘器高频电源介绍9第三章电除尘器高频电源介绍31电除尘器高频电源工作原理电除尘器实质上是由两个极性相反的电极构成。其中负极，又称为电晕极或放电极，是一个曲率半径很大的线状电极；正极，又称为集尘极，是一块板状电极。通过在正极与负极之间施加高压直流电，使其中维持一个足以使气体电离的静电场，见图31，气体电离后所生成的电子，阴离子和阳离子，吸附在通过电场的粉尘上，而使粉尘获得荷电，荷电粉尘在电场力的作用下，便向电极性相反的电极运动而沉积在电极上，从而达到粉尘和气体分离的目的9。图31静电除尘原理图电除尘器高频电源最大的用途就是给电除尘器供电，而电除尘器的除尘效果的好坏完全由高频电源决定。当前，国内外普遍的静电除尘器高频电源有两种类型，一种为硬开关型高频电源，第二种为谐振型高频电源。较早出现的是硬开关型高频电源，但其硬开、硬关的特点直接限制了频率的提升和自身的发展。因为硬开关直接在大电流、大电压下关断和开通，导致开关损耗过大，从而使整个高频电源的效率降低，并且直接对电路温升设计和EMC设计造成了很大的难题。而对静电除尘器来说，频率的升高则表示输出电压的纹波更低；当最高电压相同时，输出电压的纹波越低，电场中粉尘颗粒的驱动速度越大，更有利于除尘的效果；而且更大的输出功率就表示着越高的电晕功率，这对电除尘器的南京信息工程大学硕士学位论文10除尘效率也是至关重要的。谐振式的高频电源是在硬开关型高频电源的基础上改进而来，为改进硬开关型的硬开关特点，在其主电路中加入了谐振环节。利用软开关技术（ZVS零电压开通，ZCS零电流关断）减小了开关管的损耗，提高了工作频率，并且对电路运行时的电磁干扰也有了很大的改善2。电除尘器高频电源是利用高频开关技术而形成的逆变式电源，采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其供电电流是由一系列窄脉冲构成，可以给电除尘器提供具有从接近纯直流到脉动幅度很大的各种电压波形。高频电源控制方式灵活多样，可根据电除尘器运行工况选择最合适的电压波形，减少电除尘能耗，提高除尘效率。本文所涉及的高频电源是由南京国电环保科技有限公司自主研发生产的HF02型电除尘器高频电源，所以其设计的特点也主要是依照发电厂的电除尘器而特定的，因此可能具有一定的局限性。本高频电源采用DSPFPGA作为控制核心，实现了对电源的全数字化控制，电源采用串联谐振主回路，大大减小了逆变电路的开关损耗，提高了电源的输出功率和转换效率。以高速、大功率开关器件IGBT作为逆变功率器件，将电除尘器电源的工作频率提高至20KHZ，降低变压器损耗。电源结构框图如下图所示。EMI滤波器三相整流输入滤波全桥逆变谐振网络高压变压器输出整流桥除尘器负载辅助电源温度检测电路信号采样、隔离、调理电路驱动保护电路DSP/FPGA控制平台控制电路三相输入图32高频电源系统结构原理图电除尘器高频电源根据强弱电的划分，可分为主电路和控制电路两部分。主电路即属于强电的电力转换部分，由EMI滤波器、三相整流桥、输入滤波、全桥逆变和高频整流等模块组成；本电源设备输入为三相380V/50HZ交流电源，经第三章电除尘器高频电源介绍11三相整流器和滤波后得到约530V左右的直流电压，再经IGBT模块高频逆变，变压整流后为电除尘器提供上限为72KV电压的直流电源。控制电路属于弱电部分，其中包括各种数字、模拟量的采样电路，故障保护电路，温度检测电路，PWM信号驱动电路，串口通信和CPU控制系统等处理单元。32控制电路功能的分配设计由高频电源的系统原理初步设计图可知，控制电路主要由辅助电源、温度检测电路、信号采样、隔离、调理电路、驱动保护电路和CPU控制系统组成，其中CPU控制系统是DSP与FPGA的“强强联合”使用。控制电路中的信号种类繁多、复杂，包括模拟信号、数字信号、高频信号、低频信号、采集信号、通讯信号等，通过合理有效的应用分配，从而能驱动设备的正常运行。控制电路对高频电源的各种故障信号（包括过流、过压、欠压、过热等现象）进行监视，当出现故障时可以及时作出相应的故障处理；控制电路还负责与上位机进行通讯，可由上位机发出的控制指令来对高频电源进行控制。由于所要采集的信号数量级相差很大，有的电压高达几百伏，而有的电流则小至几十毫安，控制电路采集的电流电压信号是直接从高压回路中通过采样或分压的方式采集，直接送入控制电路可能会导致微处理器及外围电路损坏，因此需采用前端信号调理电路对采集信号进行预处理，并且需要对各部分的电路进行隔离以降低干扰。因此，在设计整个系统时，将控制电路根据相近的功能作用，分配成以下几个模块。321DSPFPGA控制平台由上文可知，整个电除尘器高频电源的控制系统是建立在以DSP为数字处理器和FPGA高速采集模块的平台上的。以DSP强势的数字处理能力配合FPGA的高速时钟频率和并行触发模式，实现最优的实时监控和最优设计。它所实现的作用是将在整个高频电源各部位采集得来的各项数据指标经过再次调理输出到IFIX监控上位机以实时反映设备在运行中的状态，并且是上位机对整个系统控制的唯一监控传输站。所以控制模块中不仅有核心芯片DSP和PWM信号发生的FPGA芯片，还包括简单的隔离调理和保护电路，和与上位机实现通讯传输的RS232和RS485通讯接口。322驱动保护单元驱动电路的作用是将单片机输出的脉冲进行功率放大，以驱动IGBT。驱动电南京信息工程大学硕士学位论文12路是电除尘器高频电源能否正常工作的重要传输调理电路。由于高频电源采用的是脉冲宽度调制技术，所以重要的PWM信号是驱动整个设备工作的关键。电源的PWM信号由DSP发出，进入可编程逻辑门器件FPGA后，经过一段调理隔离电路，到达驱动保护电路，信号在经驱动保护电路放大驱动四个IGBT。本电源采用的驱动保护电路是瑞士CONCEPT公司生产的一款2SC315AI驱动芯片为主要单元，所以驱动电路是直接固定在IGBT上，驱动IGBT的导通和关断。323高压采样电路在所有的数据采集电路中，高电压、大电流永远是危险的存在，不仅因为其高压、大电流的性质容易造成器件损坏，更因为在高压、大电流中总是容易存在各种干扰信号，对其他弱电信号产生很大的影响。在本电源采集的信号中，输出的二次高压（最高可达70KV以上）和二次电流（高达14A）是比较特殊的一组，所以需要必要的手段对其进行降压和减流，达到一般的弱电等级信号，在进行调理和采集。324数字信号调理电路在电除尘器高频电源设备中主要有两种信号的作用数字信号、模拟信号。所以针对这两种信号的不同特点，可以将这两种信号隔离集中在两种模块数字信号调理模块和模拟信号采集模块。其中数字调理模块包括数字驱动模块和数字采集模块。数字信号调理电路主要实现对数字信号的调理，主要以下功能（1）继电器输出控制将由DSP控制起发送控制信号，在FPGA中译码，输出驱动信号，驱动各路中间继电器启动设备（如风机、主回路接触器、预充电回路接触器等）。信号经高速光耦芯片隔离，并采用继电器专用驱动芯片ULN2003A。（2）状态开关量采集电路如风机运行信号、振打接触器信号、加热回路接触器信号等，对接触器触点提供24V回路信号。采集的状态信号进入数字采集电路，由专用采集芯片采集，产生的数据送入FPGA中，最后由FPGA一同发送至DSP控制器。（3）IGBT驱动信号及故障反馈电路这两种信号不同于以上两种信号，属于高频信号。DSP板产生IGBT的两路驱动信号，进入FPGA后经高速光电隔离后，由驱动芯片提供较强驱动能力的发生信号。为了提高信号的抗干扰能力，将接口电压升抬至15V输出。IGBT故障信号主要是IGBT在故障时发出的报警信第三章电除尘器高频电源介绍13号。325模拟信号调理电路模拟信号调理电路的主要功能是对主电路的电压、电流、温度等信号进行采集、调理。由FPGA对多路模拟信号并行采集，并将采集的信号进行预处理后送入DSP，在DSP内运算处理；CPU对高频电源的各种故障信号（包括过流、过压、欠压、过热等现象）进行监视，当出现故障时可以及时作出相应的故障处理。33数据采集分析数据采集系统分数字信号采集和模拟信号采集，数字信号只是单纯的不同频率的“高”“低”电平信号的输入，调理电路简单，采集也相对比较简单，容易实现。而模拟信号一直以来都是科研难题，特别是高压、高频等性质的模拟信号，对其调理的方式要求也很严格。首先根据电除尘器高频电源的工作原理和结构来决定数据采集的指标以便对高频电源的运行状态进行实时监控和故障诊断。331采样数据研究从分析整个电除尘器高频电源的工作原理可知，具体转换流程见图33，整个设备的电源电压共有三次变化，电源频率也有两次变化。电压等级分为4种输入工业三相交流电电压380V、整流桥整流后的直流电压580V、逆变电路逆变后的电压和经过变压器后的电压。而除了电压的变化之外，电流信号、各种温度监测信号和开关状态信号也随着电源在不同的运行状态而不同。因此，对各种信号量的监测是保证设备正常运行的重要手段。三相桥式整流全桥逆变电路高频变压器高压硅堆整流除尘器小磁环HVHV0201TA1三相滤波器TPF00R00S00T001R001S001TQF0快熔013S013T013RKM0BKM0014R014S014T202015R015S015TGND0RS1图33电除尘器高频电源主回路原理图在本电源系统中，需要采集的模拟量共有11个（包括6路温度）分别为（1）母线电压南京信息工程大学硕士学位论文14母线电压，即三相整流桥的输出电压，用于充电启动时打开主接触器的判断条件，运行时要监视该电压。母线电压的采样，是通过并联在三相整流桥输出的三个电阻200K、200K、2K分压而得，采集的信号是小电阻2K两侧的压差，属于差分信号。因此母线电压的采样信号为，设计电路时的VVIN63240531峰值电压VINP728632，频率为150HZ。母线电压仿真波形如下图所示。图34母线电压仿真波形采集到的母线电压信号输入到DSP芯片中，在DSP芯片中，有特殊的控制程序对信号进行“识别”，然后根据比例进行放大后，输出到IFIX上位机中监控进行，以下信号也都相同的识别过程。（2）相电流电流检测方式可分为四种电阻转换电压、分流器检测、霍尔元件LEM和互感器方式。电阻转换电压方式功率消耗较大，容易受到干扰信号影响，而且由于电阻本身的误差，因此很难做到高精度，所以比较适用于小功率的检测。而分流器检测方法由于分流器的体积过大一直不能广泛应用。第三种是用霍尔元件LEM检测，虽然精度高，但由于霍尔元件是有源器件，另需额外的电源对其供电，因此对电路的复杂度有了有一定的要求；更重要的是霍尔元件的成本太高限制了其的广泛应用。最后一种是电流互感器，其特性、成本、精度都介于霍尔元件和电阻方式之间1。因此本系统采用交流电流互感器。相电流是三相线路供电电压中一相的电流值。相电流的采样是通过在供电的三相线中固定一个电流互感器，继而互感器直接串接上一个固定电阻值，所以相电流采样到模拟调理板上的信号是一个电压信号（最大2V左右），频率50HZ。下图就第三章电除尘器高频电源介绍15是相电流的波形。图35相电流仿真波形（3）一次电流一次电流是进入变压器初级线圈连线的电流值。其采样方式与相电流相同，主要通过在连线上加装电流互感器，测量电流信号。因为谐振频率较高约10KHZ，互感器铁芯选用高频特性较好的铁氧体铁芯。线圈匝比为1200，采样电阻值为3个05电阻并联，可满足全程采样要求。电路中设计了一次电流的积分电路，对每个波段的一次电流值进行积分。设计过流保护电路及电流正、反向过零检测三路比较电路，过流保护电压值为1V对应1200A电流。图36一次电流仿真波形图（4）高压变压器二次电流二次电流是变压器输电压加在负载上产生的电流。二次电流的采样与一次电流的采样不同。二次电流是直流信号，而相电流、一次电流都是交流信号。而由于电流互感器只能测量交流信号，对直流信号会有“磁叠加”现象，使被测信号零点出现偏移。因此在本设计中，二次电流采用了精密电阻转电压方式，直接在模拟电场中，通过采集电场中其中一个电阻两端的电压所得的电压信号来表示二次电流的大小。然后所得电压信号从二次电流电压采样板上经滤波后送入采集系统，在DSP程序中含有对二次电流的积分模块，对每个波段的二次电流值进行积分。（5）负载电压（二次电压）二次电压，即电除尘器高频电源的输出电压。二次电压（电除尘器高频电源的南京信息工程大学硕士学位论文16输出电压）采集方式也是通过在高压采集板上的分压电阻取得低压小信号。下图为二次电压和二次电流的采集示意图。分压电阻二次电流采样电阻二次电压采样电阻高压变压器电除尘负高压端子出口采样板图37二次电压、电流采样二次电流采样电阻要求采样范围二次电流为频率为20KHZ、峰值范围04A、有效值012A的直流脉冲信号。低电感值为减小电阻电感采用金属膜电阻，其电感小于绕线电阻。电阻功率随着电阻功率和阻值增加电感也会增加，因此须对阻值与电感综合考虑。本设计中采样电阻实际工作功率，WRIP3602512有效值实际选用3W2电阻。采样精度采用1精密电阻，为提高可靠性，采用双路05并联为025。二次电压采样电阻与变压器内分压电阻串联，对变压器高压出线包负端采样。分压电阻为150M，采样电阻为5K、1精度。采样范围二次电压的最大输出为72000V，频率最大为20KHZ。因此二次电压的采样值值。而二次电流的最大有效值为12A，峰值是最大有V42采样效值的4倍，因此二次电流的采样值最大为。V21电流采样第三章电除尘器高频电源介绍17图38二次电流、二次电压仿真波形图（6）变压器油箱的油温变压器是高频电源的核心部件，工业中变压器最常用的是油浸式变压器，其工作状态受油的质量、温度影响很大，因此必须对变压器的油温进行监测，保证变压器的正常运行。对油温的监测是通过PT100热电阻来测量。将PT100探头伸入顶部油面下约150MM左右，用于监控变压器内的运行状况，当整流变压器油温超过摄氏75时，1S内能发出预报警信号；超过摄氏85时，1S内能切断主回路并发出报警信号。变压器内整流桥、铁芯及线损均为发热源。（7）4路IGBT模块的温度IGBT在运行过程中会有导通功耗与开关损耗，表现为发热，需用散热器把热量传导到外部。在IGBT模块内部芯片的最大可允许结温是150，一般不要超过125。本次设计从引用IGBT模块内部的NTC测温探头，直接测量IGBT的结温，使保护更有效。当该温度超过摄氏100时，1S内能发出预报警；超过摄氏120时，1S内能切断主回路并发出报警信号。为保证可靠性，每个IGBT模块一个温度探头。（8）环境温度采用铠装探头PT100安装于引风机入口孔处，采集环境温度，参与运行时温升计算。而本电源需要采集的数字量针对不同电厂的需求而不同，因为在部分电厂需要对高压电源部分和低压振打部分进行整合，而低压振打部分的采集信号都为数字信号。因此，高频电源的数字信号采集的数量会有所不同。在本设计中，研究对高频电源的数字信号的采集，暂且不论低压振打部分，但在电路设计时应该考虑在内。电除尘器高频电源的数字信号主要是有两种，一种是各个开关器件的状态信号，4路，其频率不高，一般最快也是几秒一次。第二种是4个IGBT的故障反馈信号，南京信息工程大学硕士学位论文18也是4路，其频率为20KHZ。（1）主接触器状态。主接触器位于三相电的入口处，通过对主接触器的开通、关断来控制设备的起停。主接触器采用的是24V驱动信号，在其开通状态量显示24V数字信号。（2）风机状态。风机是对变压器邮箱的散热通道进行吹风、散热的设备，其驱动信号也是24V的数字信号，因此其状态信号也是24V数字量。（3）控制系统电源供给状态。控制系统的交流电由继电器控制，继电器采用24V的驱动信号。（4）外设电源开关状态。为方便维护人员或电厂工作人员的不时之需，在高频电源电器柜中引出220V交流电端口，其驱动方式与控制系统电源相同。（5）因为是对IGBT的工作状态进行监测，而IGBT发生故障时能够越快采取动作，产生的损害也就越小，因此，IGBT故障的反馈信号也做到20KHZ。综上所述，数字信号的采集一共有8路，分为高频、低频不同信号。34本章小结本章主要介绍了电除尘器高频电源的控制系统。根据功能的不同，对控制系统的进行了简单的划分，并简要的说明了每个模块主要的作用。然后在确定了电除尘器高频电源的各个采集指标后，对每个采集的数据进行了详细的说明，包括频率、幅值、波形等属性，是后文中硬件电路设计和软件采集的前提和基础。第四章系统硬件设计19第四章系统硬件设计电除尘器高频电源的控制电路部分是以DSP处理器与FPGA数据采集核心板为平台。DSP作为主处理器对数据和信息进行收发和上位机通讯，而FPGA则是负责对电除尘器高频电源数据的高速采集和预处理，并将预处理后的数据进行数据缓存和DSP传输。由于电除尘器高频电源的工作环境特殊室外、噪声强、温度高，因此受到的干扰非常大，不仅信号采集回路受到影响，其电源供电也同样受到非常大的影响。因此在进行供电电源设计时，特别进行了设计。防雷击、去共模、除差模和滤波是电源设计的主要目的。由于高频电源的各种特殊性，所以在进行具体的采集系统设计时，需要针对不同性质、不同环境下的信号进行有针对性的设计，但大致的整个调理流程基本一致，如图41所示。输入信号穿心电容/抑制器滤波电路放大电路隔离电路AD模块FPGA图41采样信号的调理流程一般的穿心电容是一种三端电容，可以直接安装在