本發(fā)明涉及高壓變頻領(lǐng)域，具體涉及一種基于CPLD的高壓變頻器功率單元控制系統(tǒng)和一種基于CPLD的高壓變頻器功率單元控制方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代工業(yè)化的快速發(fā)展，高壓變頻器的開發(fā)和制造也不斷得到改進(jìn)與提高，高壓變頻器常用于帶動(dòng)高壓大功率電機(jī)，在冶金、石化和化工行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。級(jí)聯(lián)型高壓變頻器包括多個(gè)功率單元，級(jí)聯(lián)型高壓變頻器輸出側(cè)的電壓由各功率單元的輸出電壓串聯(lián)形成，高壓變頻器在工作時(shí)，高壓變頻器的主控板與功率單元間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)功率單元的控制，同時(shí)，功率單元中的控制系統(tǒng)需要對(duì)主控板輸出的控制信號(hào)，如多路SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脈寬調(diào)制)波進(jìn)行解碼，實(shí)時(shí)生成含死區(qū)控制的H橋驅(qū)動(dòng)脈沖，控制系統(tǒng)中的反饋模塊還需采集功率單元的電壓、電流、溫度等模擬量信息，以及將各種保護(hù)信息回傳給主控板。

功率單元中復(fù)雜的功能管理對(duì)功率單元的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，控制系統(tǒng)不僅要準(zhǔn)確無誤的執(zhí)行主控板的驅(qū)動(dòng)命令，同時(shí)，控制系統(tǒng)還需要保持功率單元工作的快速性、可靠性和穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)一般采用DSP(Digital Signal Processing，數(shù)字信號(hào)處理)或MCU(Microcontroller Unit，微控制單元)配合各種外圍邏輯電路進(jìn)行功率單元功能的實(shí)現(xiàn)，不僅電路復(fù)雜、故障率高，同時(shí)也影響功率單元工作的穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于CPLD的高壓變頻器功率單元控制系統(tǒng)和一種基于CPLD的高壓變頻器功率單元控制方法，能夠有效提高對(duì)功率單元的控制效率。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，包括：

邏輯判斷處理模塊；

下行信號(hào)傳輸單元，其包括均與所述邏輯判斷處理模塊相連的接收模塊和PWM封鎖控制模塊，且所述接收模塊用于接收主控板控制信號(hào)并將控制信號(hào)發(fā)送給邏輯判斷處理模塊，所述PWM封鎖控制模塊用于產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)功率單元工作的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

上行信號(hào)傳輸單元，其包括均與所述邏輯判斷處理模塊相連的故障信息采集模塊和發(fā)送模塊，且所述故障信息采集模塊用于采集功率單元故障信息并發(fā)送給邏輯判斷處理模塊，所述發(fā)送模塊用于將故障信息發(fā)送給主控板；其中

所述邏輯判斷處理模塊用于處理驅(qū)動(dòng)信號(hào)并控制PWM封鎖控制模塊產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述邏輯判斷處理模塊還用于處理故障信息并將處理后的故障信息發(fā)送給發(fā)送模塊。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，還包括控制PWM封鎖控制模塊產(chǎn)生測(cè)試指令的數(shù)字信號(hào)處理器，所述數(shù)字信號(hào)處理器分別與邏輯判斷處理模塊和PWM封鎖控制模塊相連。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述數(shù)字信號(hào)處理器連接一數(shù)字信號(hào)處理器通訊模塊，且所述數(shù)字信號(hào)處理器通訊模塊與發(fā)送模塊相連。

本發(fā)明還提供一種基于CPLD的高壓變頻器功率單元控制方法，該方法為：上行信號(hào)傳輸單元周期性向主控板傳輸功率單元的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，下行信號(hào)傳輸單元接收主控板發(fā)送的控制信號(hào)并產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)功率單元工作的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，且下行信號(hào)傳輸單元和上行信號(hào)傳輸單元并行工作。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述上行信號(hào)傳輸單元具體的工作步驟為：

步驟S1.1：上行信號(hào)傳輸單元上電復(fù)位并初始化；

步驟S1.2：?jiǎn)?dòng)邏輯判斷處理模塊中周期定時(shí)器，并給周期定時(shí)器設(shè)定周期間隔時(shí)間；

步驟S1.3：當(dāng)達(dá)到周期定時(shí)器的周期間隔時(shí)間，采集功率單元的運(yùn)行狀態(tài)信息，并讀取功率單元的故障信息；

步驟S1.4：將采集運(yùn)行狀態(tài)信息和故障信息組裝成數(shù)據(jù)幀后發(fā)送給主控板。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述功率單元的運(yùn)行狀態(tài)信息包括電壓、電流和溫度，所述功率單元的故障信息包括IGBT故障、IGBT短路、IGBT溫度保護(hù)、輸入欠壓、輸入過壓和電容過壓信息。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述功率單元的運(yùn)行狀態(tài)信息由數(shù)字信號(hào)處理器采集，所述功率單元的故障信息由故障信息采集模塊讀取。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述下行信號(hào)傳輸單元具體的工作步驟為：

步驟S2.1：下行信號(hào)傳輸單元上電復(fù)位并初始化；

步驟S2.2：檢測(cè)接收模塊是否接收到數(shù)據(jù)幀，若接收到數(shù)據(jù)幀，則對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)解碼；

步驟S3.3:若校驗(yàn)解碼錯(cuò)誤，則下行信號(hào)傳輸單元重新初始化，并由上行信號(hào)傳輸單元發(fā)送反饋信號(hào)至主控板，由主控板重新發(fā)送數(shù)據(jù)幀；若校驗(yàn)解碼正確，則將校驗(yàn)解碼后的數(shù)據(jù)幀發(fā)送至邏輯判斷處理模塊；

步驟S3.4：邏輯判斷處理模塊向PWM封鎖控制模塊發(fā)出脈沖開關(guān)命令，PWM封鎖控制模塊產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)功率單元工作的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述數(shù)據(jù)幀包括起始位、數(shù)據(jù)位和停止位，且接收模塊在接收數(shù)據(jù)幀的同時(shí)，接收模塊便對(duì)已接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解碼。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述邏輯判斷處理模塊還用于向PWM封鎖控制模塊發(fā)送在功率單元的H橋中添加死區(qū)的命令。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一種基于CPLD的高壓變頻器功率單元控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)通過邏輯判斷處理模塊進(jìn)行主控制，數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行輔助控制，既滿足了信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求，又滿足了復(fù)雜的算法計(jì)算要求，線路簡(jiǎn)單，且整個(gè)信號(hào)通信的編碼解碼誤碼率低，穩(wěn)定性強(qiáng)，極大地提高了生產(chǎn)的穩(wěn)定性；(2)定期對(duì)功率單元進(jìn)行測(cè)試，提高功率單元運(yùn)行的穩(wěn)定性。

本發(fā)明的一種基于CPLD的高壓變頻器功率單元控制方法的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)上行信號(hào)傳輸單元和下行信號(hào)傳輸單元并行工作，互不干擾，提高對(duì)功率單元的控制效率；(2)當(dāng)出現(xiàn)校驗(yàn)解碼錯(cuò)誤時(shí)，上行信號(hào)傳輸單元會(huì)立即復(fù)位并初始化，并由上行信號(hào)傳輸單元發(fā)送反饋信號(hào)至主控板，由主控板重新發(fā)送數(shù)據(jù)幀，提高功率單元工作的穩(wěn)定性；(3)發(fā)送模塊對(duì)于要發(fā)送的數(shù)據(jù)采用優(yōu)先級(jí)的策略，對(duì)于故障信息，在周期定時(shí)器每個(gè)周期間隔時(shí)間內(nèi)均會(huì)發(fā)送給主控板，對(duì)于功率單元的運(yùn)行狀態(tài)信息，可以采用分時(shí)段發(fā)送給主控板的模式，避免發(fā)送模塊與主控板之間的信道堵塞。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種基于CPLD的高壓變頻器功率單元控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

參見圖1所示，本發(fā)明提供一種基于CPLD(Complex Programmable Logic Device，復(fù)雜可編程邏輯器件)的高壓變頻器功率單元控制系統(tǒng)，用于與高壓變頻器主控板間進(jìn)行通訊，從而控制功率單元，本發(fā)明的控制系統(tǒng)包括邏輯判斷處理模塊、下行信號(hào)傳輸單元和上行信號(hào)傳輸單元，下行信號(hào)傳輸單元包括均與邏輯判斷處理模塊相連的接收模塊和PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)封鎖控制模塊，且接收模塊用于接收主控板控制信號(hào)并將控制信號(hào)發(fā)送給邏輯判斷處理模塊，PWM封鎖控制模塊用于產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)功率單元工作的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，上行信號(hào)傳輸單元包括均與邏輯判斷處理模塊相連的故障信息采集模塊和發(fā)送模塊，且故障信息采集模塊用于采集功率單元故障信息并發(fā)送給邏輯判斷處理模塊，發(fā)送模塊用于將故障信息發(fā)送給主控板，邏輯判斷處理模塊用于處理驅(qū)動(dòng)信號(hào)并控制PWM封鎖控制模塊產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，邏輯判斷處理模塊還用于處理故障信息并將處理后的故障信息發(fā)送給發(fā)送模塊。

本系統(tǒng)還包括用于控制PWM封鎖控制模塊產(chǎn)生測(cè)試指令的數(shù)字信號(hào)處理器，數(shù)字信號(hào)處理器分別與邏輯判斷處理模塊和PWM封鎖控制模塊相連，數(shù)字信號(hào)處理器連接一數(shù)字信號(hào)處理器通訊模塊，且數(shù)字信號(hào)處理器通訊模塊與發(fā)送模塊相連。

邏輯判斷處理模塊、發(fā)送模塊、故障信息采集模塊、接收模塊、PWM封鎖控制模塊和數(shù)字信號(hào)處理器通訊模塊均是基于CPLD制成。下行信號(hào)傳輸單元的工作流程為：接收模塊接收主控板發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀，并解碼后傳遞給邏輯判斷處理模塊，邏輯判斷處理模塊提取出數(shù)據(jù)幀中的脈沖開關(guān)命令，并將脈沖開關(guān)命令發(fā)送至PWM封鎖控制模塊，由PWM封鎖控制模塊產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)功率單元工作的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，具體產(chǎn)生的是驅(qū)動(dòng)功率單元H橋工作的四路單極性倍頻PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

上行信號(hào)傳輸單元的工作流程為：故障信息采集模塊周期性的采集功率單元的故障信息，然后將故障信息發(fā)送至邏輯判斷處理模塊，由邏輯判斷處理模塊進(jìn)行綜合處理后，將故障信息發(fā)送至發(fā)送模塊，最后由發(fā)送模塊發(fā)送給主控板。同時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理器通訊模塊實(shí)時(shí)讀取的數(shù)字信號(hào)處理器測(cè)得的功率單元的運(yùn)行狀態(tài)信息，如電壓、電流和溫度，也會(huì)發(fā)送至發(fā)送模塊，由發(fā)送模塊發(fā)送給主控板。

為保證功率單元運(yùn)行的穩(wěn)定性，在功率單元運(yùn)行的空閑時(shí)間，由邏輯判斷處理模塊向數(shù)字信號(hào)處理器發(fā)送測(cè)試命令，然后數(shù)字信號(hào)處理器向PWM封鎖控制模塊發(fā)出測(cè)試指令，PWM封鎖控制模塊根據(jù)測(cè)試指令驅(qū)動(dòng)功率單元的H橋進(jìn)行IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)的測(cè)試或自檢。

本發(fā)明的控制系統(tǒng)，通過邏輯判斷處理模塊進(jìn)行主控制，數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行輔助控制，既滿足了信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求，又滿足了復(fù)雜的算法計(jì)算要求，線路簡(jiǎn)單，且整個(gè)信號(hào)通信的編碼解碼誤碼率低，穩(wěn)定性強(qiáng)，極大地提高了生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

本發(fā)明還公開了一種基于上述控制系統(tǒng)的基于CPLD的高壓變頻器功率單元控制方法，該方法為：上行信號(hào)傳輸單元周期性向主控板傳輸功率單元的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，下行信號(hào)傳輸單元接收主控板發(fā)送的控制信號(hào)并產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)功率單元的H橋工作的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，且下行信號(hào)傳輸單元和上行信號(hào)傳輸單元并行工作，即下行信號(hào)傳輸單元和上行信號(hào)傳輸單元同時(shí)工作。具體的：

上行信號(hào)傳輸單元具體的工作步驟為：

步驟S1.1：上行信號(hào)傳輸單元上電復(fù)位并初始化；

步驟S1.2：?jiǎn)?dòng)邏輯判斷處理模塊中周期定時(shí)器，并給周期定時(shí)器設(shè)定周期間隔時(shí)間；

步驟S1.3：當(dāng)達(dá)到周期定時(shí)器的周期間隔時(shí)間時(shí)，采集功率單元的運(yùn)行狀態(tài)信息，并讀取功率單元的故障信息，即每達(dá)到周期定時(shí)器的一個(gè)周期間隔時(shí)間，均會(huì)采集功率單元的運(yùn)行狀態(tài)信息和讀取功率單元的故障信息。功率單元的運(yùn)行狀態(tài)信息包括電壓、電流和溫度，功率單元的故障信息包括IGBT故障、IGBT短路、IGBT溫度保護(hù)、輸入欠壓、輸入過壓和電容過壓信息，功率單元的運(yùn)行狀態(tài)信息由數(shù)字信號(hào)處理器讀取，功率單元的故障信息由故障信息采集模塊讀取；

步驟S1.4：將采集運(yùn)行狀態(tài)信息和故障信息組裝后發(fā)送給主控板。發(fā)送模塊對(duì)于要發(fā)送的數(shù)據(jù)采用優(yōu)先級(jí)的策略，對(duì)于故障信息，在周期定時(shí)器每個(gè)周期間隔時(shí)間內(nèi)均會(huì)發(fā)送給主控板，對(duì)于功率單元的運(yùn)行狀態(tài)信息，由于數(shù)值變化較為緩慢，因此可以采用分時(shí)段發(fā)送給主控板的模式。

當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)信息和故障信息發(fā)送完畢后，此時(shí)上行信號(hào)傳輸單元處于等待狀態(tài)，直至下一個(gè)間隔周期的周期間隔時(shí)間的到來，然后繼續(xù)采集功率單元的運(yùn)行狀態(tài)信息和讀取功率單元的故障信息。

下行信號(hào)傳輸單元具體的工作步驟為：

步驟S2.1：下行信號(hào)傳輸單元上電復(fù)位并初始化，為了區(qū)分下行信號(hào)傳輸單元上電后的狀態(tài)和正在通信中的狀態(tài)，使的當(dāng)出現(xiàn)通信中斷時(shí)能夠正確辨別下行信號(hào)傳輸單元的狀態(tài)，當(dāng)下行信號(hào)傳輸單元上電后，設(shè)有標(biāo)志，以便于區(qū)分；

步驟S2.1：檢測(cè)接收模塊是否接收到數(shù)據(jù)幀，若接收到數(shù)據(jù)幀，則對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)解碼。數(shù)據(jù)幀包括起始位、數(shù)據(jù)位和停止位，且接收模塊在接收數(shù)據(jù)幀的同時(shí)，接收模塊便對(duì)已接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解碼，具體的，先接收數(shù)據(jù)幀的起始位，然后對(duì)起始位進(jìn)行校驗(yàn)解碼，若校驗(yàn)解碼正確，則開始接收數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)位，并對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行校驗(yàn)解碼，數(shù)據(jù)位的解碼按照正反方式進(jìn)行，增加相應(yīng)的校驗(yàn)，保證接收到的數(shù)據(jù)幀可靠正確，然后開始接收停止位，并進(jìn)行校驗(yàn)解碼。接收模塊邊接收數(shù)據(jù)幀，邊對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)解碼，采用同步工作的方式，高效而快速，對(duì)于級(jí)聯(lián)型H橋高壓變頻器中多達(dá)30個(gè)的功率單元，這種同步工作方式可以極大地縮減各個(gè)功率單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)間的相位差。

步驟S3.3:若校驗(yàn)解碼錯(cuò)誤，則下行信號(hào)傳輸單元重新初始化，并由上行信號(hào)傳輸單元發(fā)送反饋信號(hào)至主控板，由主控板重新發(fā)送數(shù)據(jù)幀，即在對(duì)數(shù)據(jù)幀的起始位、數(shù)據(jù)位和停止位的校驗(yàn)解碼過程中，只要任一部分的校驗(yàn)解碼錯(cuò)誤，上行信號(hào)傳輸單元便會(huì)復(fù)位；若校驗(yàn)解碼正確，即數(shù)據(jù)幀的起始位、數(shù)據(jù)位和停止位全部校驗(yàn)解碼正確，則將校驗(yàn)解碼后的數(shù)據(jù)幀發(fā)送至邏輯判斷處理模塊；

步驟S3.4：邏輯判斷處理模塊向PWM封鎖控制模塊發(fā)出脈沖開關(guān)命令，PWM封鎖控制模塊產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)功率單元H橋工作的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，邏輯判斷處理模塊還用于向PWM封鎖控制模塊發(fā)送在功率單元的H橋中添加死區(qū)的命令。具體的，PWM封鎖控制模塊在接受到脈沖開關(guān)命令后，開始對(duì)脈沖開關(guān)命令進(jìn)行識(shí)別處理，同時(shí)根據(jù)H橋的移相調(diào)制原理，為了防止上下IGBT直通，判斷處理模塊向PWM封鎖控制模塊發(fā)送在H橋中添加死區(qū)的命令，死區(qū)時(shí)間可以靈活添加，并且死區(qū)時(shí)間可以是參數(shù)的形式，具體的死區(qū)時(shí)間由主控板控制，例如，H橋的開關(guān)頻率在200Hz-600Hz之間，則死區(qū)時(shí)間設(shè)置為3us。添加完死區(qū)后的PWM共四路，然后統(tǒng)一綜合經(jīng)過一個(gè)封鎖控制邏輯電路，該電路的設(shè)計(jì)可以根據(jù)外部IGBT的過流保護(hù)等信號(hào)快速封鎖PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保護(hù)IGBT。

本控制方法中對(duì)于采集的功率單元的運(yùn)行狀態(tài)信息和故障信息，均進(jìn)行滑動(dòng)濾波處理，采用分時(shí)復(fù)用地址模式，有效地節(jié)約硬件資源。同時(shí)，當(dāng)需要對(duì)功率單元進(jìn)行測(cè)試時(shí)，啟動(dòng)邏輯判斷處理模塊的內(nèi)部工作模式，在數(shù)字信號(hào)處理器輔助下，數(shù)字信號(hào)處理器發(fā)出相應(yīng)的命令，即向PWM封鎖控制模塊發(fā)出測(cè)試指令，PWM封鎖控制模塊產(chǎn)生特殊的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖，對(duì)功率單元進(jìn)行測(cè)試。

本發(fā)明不局限于上述實(shí)施方式，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。