本實(shí)用新型屬于電力電子數(shù)字電源控制技術(shù)領(lǐng)域，提供一種基于TMS320F280x系列的DSP和MAX10系列的FPGA為基礎(chǔ)的兼容兩電平和三電平技術(shù)的模塊化數(shù)字電源控制平臺(tái)，適用于UPS，逆變器，變頻器，充電樁等數(shù)字電源設(shè)備。

背景技術(shù)：

目前電力電子數(shù)字電源設(shè)備的控制芯片都采用DSP(數(shù)字信號(hào)處理)來(lái)進(jìn)行算法的控制，控制對(duì)象越多，算法越復(fù)雜，處理器響應(yīng)的實(shí)時(shí)性就越滯后，從故障信號(hào)(如：過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫等)發(fā)生經(jīng)過(guò)采樣電路的濾波到DSP的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)執(zhí)行轉(zhuǎn)換經(jīng)過(guò)一段時(shí)間確認(rèn)后再停止PWM輸出這一過(guò)程在DSP內(nèi)至少耗時(shí)10ms，這一過(guò)程在個(gè)別工況下并不能快速保護(hù)機(jī)器停機(jī)造成炸機(jī)。

電力電子數(shù)字電源設(shè)備應(yīng)用廣泛，如光伏逆變器和儲(chǔ)能逆變器還有UPS等，不同的機(jī)器一般都有不同的控制方案和信號(hào)檢測(cè)電路，為此，在面對(duì)快速變化的市場(chǎng)需求時(shí)需要投入大量而重復(fù)的開(kāi)發(fā)工作，其實(shí)綜合分析后能得出，除去控制對(duì)象和控制算法的不同，其他部分如功率回路，采樣電路，通訊電路等都存在共同點(diǎn)。

再一個(gè)情況就是，同一應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)型也存在不同功率等級(jí)的需求，比如500KW的逆變器和250KW的逆變器，因?yàn)楣β实燃?jí)不一樣所以對(duì)應(yīng)于過(guò)壓過(guò)流的保護(hù)點(diǎn)也就不一樣，對(duì)于此，只是保護(hù)電路的基準(zhǔn)電壓不同，有些方案沒(méi)做兼容要改變電阻值，于是就要做兩套物料清單，有些方案是通過(guò)跳線(xiàn)改變保護(hù)電路的基準(zhǔn)電壓，這樣在生產(chǎn)裝配與運(yùn)維的過(guò)程中容易出錯(cuò)，同時(shí)這種基于比較器的保護(hù)電路易于受到電磁干擾，存在誤動(dòng)作情況。

目前兩電平技術(shù)的電力設(shè)備以其更少數(shù)量的開(kāi)關(guān)、成熟可靠的控制技術(shù)而得到廣泛應(yīng)用，但三電平技術(shù)設(shè)備具有輸出容量更大、電流諧波含量更小等優(yōu)點(diǎn)也有廣泛的應(yīng)用前景，目前的控制平臺(tái)都是兩電平和三電平各自專(zhuān)用的控制平臺(tái)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種新型通用的模塊化數(shù)字電源控制平臺(tái)，兼容兩電平和三電平控制技術(shù)，具有強(qiáng)大的通用性和豐富的擴(kuò)展性以及快速實(shí)時(shí)的響應(yīng)速度，基于此建立模塊化的通用性控制平臺(tái)，能更有效的響應(yīng)市場(chǎng)不同需求，縮短開(kāi)發(fā)周期。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

基于DSP與FPGA的模塊化數(shù)字電源控制平臺(tái)，主控模塊、采樣模塊、輸入輸出接口模塊分別通過(guò)相同的與接口板匹配的端子插在接口擴(kuò)展板上、建立各個(gè)模塊的電氣連接；接口擴(kuò)展板按需求為額外的采樣模塊和輸入輸出接口模塊預(yù)留插槽。主控模塊采用DSP與FPGA組合，DSP為系統(tǒng)提供各種通訊接口，包括RS485、RS232或CAN中的一種或幾種；主控模塊含實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元和超級(jí)電容，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)下電后時(shí)鐘不間斷計(jì)時(shí)；主控模塊含并行接口的鐵電存儲(chǔ)芯片，DSP通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)；主控模塊含顯示模塊，可實(shí)現(xiàn)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的人機(jī)交互功能；主控模塊FPGA自帶ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，采樣率最大可達(dá)1M；主控模塊DSP運(yùn)行控制算法，發(fā)出的PWM經(jīng)過(guò)FPGA輸出控制開(kāi)關(guān)管，控制開(kāi)關(guān)管為IGBT或MOS管；主控模塊DSP的ADC實(shí)時(shí)采樣電壓、電流和溫度反饋信號(hào)，檢測(cè)到的值大于軟件設(shè)定的保護(hù)值時(shí)并持續(xù)一段故障確認(rèn)時(shí)間，停止PWM輸出；主控模塊FPGA內(nèi)編程設(shè)定的硬件保護(hù)門(mén)限值根據(jù)機(jī)型不同而不同，按需求設(shè)定；主控模塊FPGA內(nèi)部ADC采樣的電壓、電流和溫度信息大于編程設(shè)定的硬件保護(hù)門(mén)限值時(shí)，經(jīng)過(guò)一段濾波時(shí)間確認(rèn)后，封鎖DSP發(fā)出的PWM輸出；輸入輸出接口模塊上所有輸入口都經(jīng)光耦隔離，光耦的驅(qū)動(dòng)由隔離電源供電；所有輸出口的驅(qū)動(dòng)都由繼電器隔離；輸入輸出接口模塊由板上CPLD控制，板上復(fù)位電路在模塊上下電瞬間確保輸出口為低電平；輸入輸出模塊上有撥碼開(kāi)關(guān)，通過(guò)不同的撥碼狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)總線(xiàn)上不同片選信號(hào)的響應(yīng)。

本實(shí)用新型還具有以下附加技術(shù)特征：

作為本實(shí)用新型方案進(jìn)一步具體優(yōu)化的，接口板為各功能模塊提供統(tǒng)一的擴(kuò)展總線(xiàn)接口；擴(kuò)展總線(xiàn)接口含數(shù)據(jù)總線(xiàn)、地址總線(xiàn)、讀寫(xiě)控制線(xiàn)、片選控制信號(hào)線(xiàn)、通用輸入輸出信號(hào)線(xiàn)、ADC采樣信號(hào)線(xiàn)、電源線(xiàn)和地電位，為電源板向其他功能模塊板提供供電路徑。

作為本實(shí)用新型方案進(jìn)一步具體優(yōu)化的，采樣模塊采集系統(tǒng)的電壓、電流和溫度反饋量；采樣模塊以差分電路采樣系統(tǒng)的高壓電壓；采樣模塊提供霍爾型電流傳感器標(biāo)準(zhǔn)接口的電流采樣電路；采樣模塊提供互感器型電流傳感器標(biāo)準(zhǔn)接口的電流采樣電路；采樣模塊提供溫度傳感器PT1000接口的溫度采樣電路；所有采樣信號(hào)都經(jīng)運(yùn)算放大器組合電路調(diào)理采樣信號(hào)。

作為本實(shí)用新型方案進(jìn)一步具體優(yōu)化的，主控模塊DSP通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)讀寫(xiě)FPGA；采樣模塊輸出的電壓、電流、溫度采樣信號(hào)送到主控模塊，由DSP與FPGA分別進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換。

作為本實(shí)用新型方案進(jìn)一步具體優(yōu)化的，經(jīng)調(diào)理的采樣信號(hào)由模擬開(kāi)關(guān)分組切換，實(shí)現(xiàn)主控模塊的ADC通道分時(shí)復(fù)用；模擬開(kāi)關(guān)的使能信號(hào)CS_EN1、CS_EN2由主控模塊控制，使能信號(hào)低電平有效，使能信號(hào)高電平則對(duì)應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)輸出為三態(tài)。

作為本實(shí)用新型方案進(jìn)一步具體優(yōu)化的，多塊輸入輸出接口模塊由主控模塊經(jīng)接口擴(kuò)展總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)、片選信號(hào)線(xiàn)、讀寫(xiě)功能控制線(xiàn)實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)。

本實(shí)用新型和現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于：

本實(shí)用新型采用DSP與FPGA組合的模塊化控制平臺(tái)，由DSP與FPGA對(duì)反饋信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣，保護(hù)電路的響應(yīng)不需經(jīng)過(guò)DSP處理而直接由FPGA內(nèi)部并行的邏輯電路執(zhí)行硬件保護(hù)電路動(dòng)作，響應(yīng)更迅速。

本實(shí)用新型采用DSP與FPGA組合的模塊化控制平臺(tái)，保護(hù)電路的門(mén)限值在FPGA內(nèi)部編程設(shè)定，在不改變外部采樣電路和保護(hù)電路的前提下，能適應(yīng)不同功率等級(jí)機(jī)型的需求，同時(shí)也優(yōu)化了電路系統(tǒng)，原來(lái)暴露在外部而繁瑣的保護(hù)電路所實(shí)現(xiàn)的功能整合到FPGA內(nèi)部，不僅使得硬件電路更為緊湊，也具有更好的EMC特性。

本實(shí)用新型提供的基于DSP與FPGA的模塊化數(shù)字電源控制平臺(tái)其主控模塊能兼容兩電平和三電平技術(shù)，PWM輸出口多達(dá)12路，滿(mǎn)足兩電平PWM驅(qū)動(dòng)口需求的前提下也滿(mǎn)足三電平PWM驅(qū)動(dòng)口數(shù)量需求。其信號(hào)采樣模塊的信號(hào)采樣通道支持多路高壓電壓采樣和多路霍爾型電流傳感器接口電路和多路互感器型電流傳感器接口電路，以及溫度傳感器PT1000接口,本套控制平臺(tái)支持多塊信號(hào)采樣模塊插入來(lái)擴(kuò)展采樣通道。輸入輸出接口模塊的控制采用總線(xiàn)接口來(lái)擴(kuò)展，DSP與FPGA可通過(guò)接口擴(kuò)展總線(xiàn)控制多塊輸入輸出接口板上的CPLD，基于此可擴(kuò)展多塊輸入輸出接口板。模塊化的功能劃分和統(tǒng)一的總線(xiàn)式接口增強(qiáng)了該控制平臺(tái)的復(fù)用性，為開(kāi)發(fā)者提高效率，降低維護(hù)成本。

本實(shí)用新型的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本實(shí)用新型的實(shí)踐了解到。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是模塊化數(shù)字電源控制平臺(tái)功能簡(jiǎn)圖；

圖2擴(kuò)展總線(xiàn)接口示意圖；

圖3是FPGA內(nèi)部組合邏輯電路示意框圖；

圖4是采樣模塊擴(kuò)展示意圖；

圖5是輸入輸出接口模塊擴(kuò)展示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本公開(kāi)的示例性實(shí)施例。雖然附圖中顯示了本公開(kāi)的示例性實(shí)施例，然而應(yīng)當(dāng)理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本公開(kāi)而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施例所限制。相反，提供這些實(shí)施例是為了能夠更透徹地理解本公開(kāi)，并且能夠?qū)⒈竟_(kāi)的范圍完整的傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。

在本實(shí)用新型的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實(shí)用新型，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。

基于DSP與FPGA的模塊化數(shù)字電源控制平臺(tái)的功能連接，如圖1所示，主控模塊、采樣模塊、輸入輸出接口模塊分別通過(guò)相同的與接口板匹配的端子插在接口擴(kuò)展板上建立各個(gè)模塊的電氣連接。接口擴(kuò)展板按需求為額外的采樣模塊和輸入輸出接口模塊預(yù)留插槽，實(shí)現(xiàn)多塊采樣模塊和輸入輸出接口模塊的擴(kuò)展。

如圖1所示，主控模塊采用DSP與FPGA組合，DSP豐富的外設(shè)為系統(tǒng)提供各種通訊接口如：RS485,RS232,CAN等。主控模塊含實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元和超級(jí)電容，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)下電后時(shí)鐘計(jì)時(shí)的不間斷功能。主控模塊含并行接口的鐵電存儲(chǔ)芯片，DSP通過(guò)數(shù)組總線(xiàn)和地址總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)突發(fā)故障停機(jī)瞬間記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)的故障錄波功能。主控模塊含顯示模塊，可實(shí)現(xiàn)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的人機(jī)交互功能。

主控模塊FPGA自帶ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，采樣率最大可達(dá)1M。主控模塊DSP運(yùn)行控制算法，發(fā)出的PWM經(jīng)過(guò)FPGA輸出控制開(kāi)關(guān)管，如IGBT,MOS管等電力電子開(kāi)關(guān)器件。主控模塊DSP的ADC實(shí)時(shí)采樣電壓、電流、溫度等反饋信號(hào)，檢測(cè)到的值大于軟件設(shè)定的保護(hù)值時(shí)并持續(xù)一段故障確認(rèn)時(shí)間，停止PWM輸出。這是軟件保護(hù)動(dòng)作。主控模塊軟件保護(hù)是系統(tǒng)第一級(jí)保護(hù)動(dòng)作，硬件保護(hù)是系統(tǒng)第二級(jí)保護(hù)動(dòng)作，硬件保護(hù)動(dòng)作比軟件保護(hù)動(dòng)作更為迅速，硬件保護(hù)門(mén)限比軟件保護(hù)門(mén)限高一級(jí)。故障發(fā)生觸發(fā)到硬件保護(hù)點(diǎn)門(mén)限時(shí)，硬件保護(hù)電路直接封鎖PWM輸出。主控模塊FPGA內(nèi)編程設(shè)定的硬件保護(hù)門(mén)限值根據(jù)機(jī)型不同而不同，可按需求設(shè)定。

如圖1所示，輸入輸出接口模塊上所有輸入口都經(jīng)光耦隔離，光耦的驅(qū)動(dòng)由隔離電源供電。所有輸出口的驅(qū)動(dòng)都由繼電器隔離。保證可靠的安規(guī)特性。輸入輸出接口模塊由板上CPLD控制，板上復(fù)位電路在模塊上下電器件確保輸出口為低電平，實(shí)現(xiàn)安全的上下電邏輯。輸入輸出模塊上有撥碼開(kāi)關(guān)，通過(guò)不同的撥碼狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)總線(xiàn)上不同片選信號(hào)的響應(yīng)。輸入輸出模塊的擴(kuò)展功能也得以因此實(shí)現(xiàn)。

如圖2所示，擴(kuò)展接口板為各功能模塊提供統(tǒng)一的擴(kuò)展總線(xiàn)接口，擴(kuò)展總線(xiàn)接口含數(shù)據(jù)總線(xiàn)、地址總線(xiàn)、讀寫(xiě)控制線(xiàn)、片選控制信號(hào)線(xiàn)、通用輸入輸出信號(hào)線(xiàn)、ADC采樣信號(hào)線(xiàn)、電源線(xiàn)和地電位等。為電源板向其他功能模塊板提供供電路徑。

采樣模塊主要采集系統(tǒng)的電壓、電流、溫度等反饋量。采樣模塊以差分電路采樣系統(tǒng)的高壓電壓。采樣模塊提供霍爾型電流傳感器標(biāo)準(zhǔn)接口的電流采樣電路。采樣模塊提供互感器型電流傳感器標(biāo)準(zhǔn)接口的電流采樣電路。采樣模塊提供溫度傳感器PT1000接口的溫度采樣電路。所有采樣信號(hào)都經(jīng)運(yùn)算放大器組合電路調(diào)理采樣信號(hào)。

如圖3示，主控模塊DSP通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)讀寫(xiě)FPGA。采樣模塊輸出的電壓、電流、溫度等采樣信號(hào)送到主控模塊，由DSP與FPGA分別進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換。主控模塊FPGA內(nèi)可編程的組合邏輯功能實(shí)現(xiàn)比DSP封波更為快速實(shí)時(shí)的故障封波功能。FPGA以1M赫茲的轉(zhuǎn)換速度采樣電壓、電流、溫度信號(hào)，當(dāng)故障發(fā)生，如FPGA采樣到的電壓、電流、溫度等信號(hào)持續(xù)超過(guò)FPGA內(nèi)預(yù)先設(shè)定的保護(hù)值，并經(jīng)過(guò)濾波時(shí)間后，F(xiàn)PGA封鎖PWM的輸出。這是硬件保護(hù)動(dòng)作。

如圖4所示，經(jīng)調(diào)理的采樣信號(hào)由模擬開(kāi)關(guān)分組切換，實(shí)現(xiàn)主控模塊的ADC通道分時(shí)復(fù)用。模擬開(kāi)關(guān)的使能信號(hào)CS_EN1,CS_EN2由主控模塊控制，使能信號(hào)低電平有效，使能信號(hào)高電平則對(duì)應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)輸出為三態(tài)，同一模擬開(kāi)關(guān)上分組的采樣信號(hào)的選通由模擬開(kāi)關(guān)的通道選擇信號(hào)的高低電平的狀態(tài)切換。所以多塊采樣模塊的輸出由模擬開(kāi)關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展口總線(xiàn)上ADC通道的分時(shí)復(fù)用。采樣模塊的擴(kuò)展功能也因此得以實(shí)現(xiàn)。

因單塊采樣模塊內(nèi)采樣信號(hào)總計(jì)達(dá)22路之多，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)分組切換實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)展口總線(xiàn)上ADC通道的分時(shí)復(fù)用。其中ADCS1切換控制信號(hào)由主控模塊控制，當(dāng)使能信號(hào)有效時(shí)，ADCS1為低電平時(shí)，采樣信號(hào)A組選通，當(dāng)ADCS1為高電平時(shí)，采樣信號(hào)B組選通。

如圖5所示，多塊輸入輸出接口模塊由主控模塊經(jīng)接口擴(kuò)展總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)、片選信號(hào)線(xiàn)、讀寫(xiě)功能控制線(xiàn)等實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)。

盡管已經(jīng)示出和描述了本實(shí)用新型的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本實(shí)用新型的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本實(shí)用新型的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。