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电力电子设备通用脉冲发生专用集成电路

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-10-27  来源:中国LED显示屏网
核心提示:  各种电力电子装置中都包含为电力电子器件提供控制脉冲的脉冲发生部分。传统的基于定制小规模逻辑器件实现的脉冲发生电路具有结构复杂、体积庞大、精度较低、功能单一和无法直观监视等诸多缺点。随后,微处理器为

  各种电力电子装置中都包含为电力电子器件提供控制脉冲的脉冲发生部分。传统的基于定制小规模逻辑器件实现的脉冲发生电路具有结构复杂、体积庞大、精度较低、功能单一和无法直观监视等诸多缺点。随后,微处理器为电力电子设备的脉冲发生提供了软件实现方法,但也不是一个很好的解决方式。因为微处理器一般只能以单线程方式执行程序,并不适合于完成实时性要求较高的脉冲发生任务,无法实现脉冲延时和互锁等处理功能。当所需脉冲数目较多时,仍需为微处理器设计复杂的接口电路。基于微处理器的脉冲发生程序软件的可移植性也较差。基于这些原因,电力电子控制系统希望微处理器能够专管系统的控制算法,而通过采用专用集成电路(ASIC)来实现脉冲的产生D*2.目前,以复杂可编程逻辑器件(CPLD)和现场可编程门阵列(FPGA)为主的大规模可编程逻辑器件及其开发技术有了显著的进展,这为实现适用于电力电子应用的脉冲发生ASIC提供了一种有力的手段。已有的研究成果包括基于CPLD的三相整流脉冲触发电路、需要微处理器为其准备脉冲宽度数据的脉宽调制(PWM)脉冲发生八31(:和基于FPGA的包含空间矢量脉宽调制等复杂算法逻辑的脉冲发生ASIC.在借鉴已有成果的基础上,本文设计了一款能够满足多种应用需要的、具有较强智能性的电力电子设备通用脉冲发生ASIC. 1通用脉冲发生ASIC的主体结构如所示,本文提出的通用脉冲发生ASIC的内部电路主要由相位控制、脉冲发生、脉冲调理、控制接口、存储空间管理和数据交换逻辑6部分组成。相位控制部分为脉冲发生提供步长间隔为。r的相位标度数据。脉冲发生部分由单脉冲发生模块、PWM脉冲发生模块和PWM脉冲数据计算模块组成。脉冲发生部分产生的脉冲信号在输出到芯片引脚前还要经过脉冲调理。存储空间管理部分管理着由可控的状态位和参数寄存器统一编址构成的映射空间、ASIC片内的静态随机存储空间(SRAM)和片外扩展的非易失性存储空间(NVSRAM)。控制接口部分提供了模拟信号输入、按键输人和数字接口3种控制方式,其显示功能能够实现对ASIC工作状态的监视。脉冲发生部分、控制接口部分和存储空间之间的数据访问由数据交换逻辑进行管理。

  2通用脉冲发生ASIC的功能模块1相位控制部分ASIC的相位控制部分是基于一个锁相范围为0.85kHz12kHz的40倍倍频的全数字锁相环设计的。当ASIC处于锁相同步模式时,片内锁相环将作为第2级的锁相同步系统,片外还需要一个90倍锁相电路作为第1级锁相同步系统。由两级锁相得到的3600倍的倍频同步脉冲再经过从0至3599的循环计数后,获得0. 1*的相位标度。

  如果ASIC中的锁相环路断开,锁相环的数字控制振荡器改用ASIC中的一个寄存器参数直接控制,则此时相位控制部分工作在基波频率可控的第2种模式下。相位控制的第3种工作模式是联机同步模式。在该模式下,可以选择将片外输人的一组联机同步信号直接作为相位标度的计数脉冲和同步信号。联机同步模式可以使多个ASIC同步发出脉冲,从而实现对脉冲输出路数的扩展。

  2.2脉冲发生部分脉冲发生部分是本文ASIC的核心。脉冲发生部分中的单脉冲发生模块在每一个输出通道上都可以产生起始相位和脉冲宽度可调的单脉冲触发信号。如果使能该模块中的强制触发逻辑,那么用户在启动某一通道的单脉冲输出后,必须先提供一个强制触发信号,使逻辑电路产生一个强制脉冲后,才能继续按照设定的起始相位正常产生单脉冲。这个强制触发功能可以应用于容性设备的无压差投人。

  脉冲发生部分中的PWM脉冲发生模块基于脉冲数据产生PWM脉冲。如所示,电路结构中包含两组相同的脉冲发生组件PWM1和PWM2.两个组件都可以利用各自的总线管理模块从存储空间中顺序读取脉冲数据。然后将该数据中相位部分和系统的相位标度进行比较,当相同时则依据脉冲数据中的电平部分修改脉冲输出,生成PWM脉冲序列。两组脉冲发生组件既可独立工作,也可在交替工作控制逻辑的管理下交替工作。在交替模式下,PWM1和PWM2组件将依照切换命令轮流驱动相同的一组脉冲输出通道,从而实现PWM脉冲数据的乒乓缓存方式。这种工作方式可以使脉冲数据的计算更新过程与脉冲的生成过程以任意速度匹配,从而保证PWM脉冲能够安全地动态改变。

  ASIC还集成了一个PWM脉冲数据计算模块。该模块被选择后,依据调制三角波和波比较原理计算出符合脉冲发生组件格式要求的脉冲数据。这些数据将交替更新PWM1和PWM2各自对应的数据存储段。一个基波周期的脉冲数据计算完后,计算模块发出切换命令,交替工作控制逻辑等待正在工作的PWM脉冲发生组件完成其对应数据段最后一个脉冲数据对输出的驱动后,随即切换另一个脉冲发生组件启动工作。于是,新启动的脉冲发生组件依据刚更新的一组数据输出PWM脉冲。

  PWM脉冲数据计算模块所需的波由存储的波形数据产生,其幅值A*f固定,基波频率凡通过ASIC的相位控制部分调节。逻辑算法产生的调制三角波的幅值是可变的,调制频率能够依据F.以分段同步方式自动调整。调制三角波的最大幅值Aa具有两种产生形式,可以用下式表示:一个二进制控制位。

  从而改变PWM的调制比M=,此时ASIC工作在普通调制比受控模式;当vf-mode为1时,如果将控制参数Y设定后,Aa将自动随基波频率F.反比例变化。理论分析可知,当M<1时,这种脉冲发生方式能够使正弦电压PWM脉冲的基波分量V与\>成正比,从而为电机控制等应用提供V/F恒定的正弦电压PWM脉冲。

  2.3脉冲调理部分脉冲调理部分的处理包括篼频调制、最小脉宽调整、脉冲互锁和输出使能或封锁。这些功能都可以被使能或屏蔽,调制频率、最小脉宽和互锁时间等参数能够调节。

  2.4控制接口部分控制接口部分包括单参数修改模块和数字控制接口模块两部分。单参数修改模块的结构如所示。它通过按键信号选择被修改参数的地址,然后利用按键操作或利用经过模数转换后的输人数据来修改ASIC中的控制寄存器和存储数据。模数(A/D)转换输入接口与12位串行A/D芯片MAX187相匹配。控制接口电路中的显示模块能够驱动22个发光二极管(LED)和6个数码管,用于监视被修改地址、寄存器参数和ASIC工作状态。

  数字控制接口模块提供一个8位或16位的并行数据访问总线。利用总线中的忙或空闲指示信号BUSY/READY,能够使该接口的访问时序方便地与不同速度的微处理器配合。在数字控制接口中,还具有一个复用中断信号,用以将ASIC工作状态的变化通知外接微处理器。

  2.5存储空间管理部分;存储空间包括3部分:由各功能模块中的状态控制位和可调参数寄存器构成的映射空间、高速的片内SRAM、外扩的8kBNVSRAM.NVSRAM的一部分空间用于存储ASIC运行时的状态控制参数。ASIC上电初始化时,存储空间管理模块从NVSRAM中读出被保存的状态控制参数,将其重新赋给各个功能模块,从而使ASIC恢复到掉电前的控制状态。在NVSRAM中,还将保存用于PWM脉冲数据计算的波波形数据。

  2.6数据交换逻辑部分数据交换逻辑部分管理着各个功能模块和存储空间之间的数据访问。功能模块需要进行数据访问时,首先要向数据交换逻辑发出访问申请。当数据交换逻辑完成当前数据交换后,依据设定的优先级顺序响应这些访问请求,然后执行相应的数据交换。

  3通用脉冲发生装置及其。电路板上,辅助于ASIC工作的外围电路包括电源电路、提供系统工作时钟的8MHz振荡器、基于CD4046实现的90倍锁相电路、基于MAX187设计的对模拟控制信号进行A/D转换的接口电路、状态设置开关、按键输人电路、LED和数码管显示电路、数字控制接口、采用EPC.2LC20对FPGA进行逻辑程序加载的电路等。

  已经基于该通用脉冲发生装置对所设计的ASIC芯片进行了一系列的测试实验。实验结果表明:ASIC能够完成前述的设计功能,并达到预期的性能指标。给出了当利用PWM脉冲数据计算模块自发产生PWM脉冲时采用HP54620A逻辑分析仪录制的一组输出波形结果。

  是相位互差12(T的三相PWM脉冲输出信号;P2A,P2B和P2C分别是P1A,P1B和P1C的互补且互锁信号。

  V/F恒定模式下不同基波频率Ffl对应的PWM脉冲波形实验中,高频调制被禁止,最小脉宽8ps,互锁延时8ps,波是幅值为21*的正弦波,选择V/F恒定的工作模式,即vf-mode为1,参数Y=20.此时,调制比M与基波频率的关系为:4结语本文将大规模可编程逻辑器件及其设计技术应用于电力电子技术领域,并设计出一款具有丰富功能的电力电子设备通用脉冲发生ASIC.该ASIC完全基于相位角度进行脉冲生成,相比传统的脉宽控制方式更加直观。该ASIC所具有的脉冲发生功能能够满足多种电力电子应用的需要,通过适当的功能选择和设置即可产生所需的控制脉冲。灵活的控制接口和状态监视的功能能够适应多种实际场合。基于本文ASIC设计的脉冲发生装置,一方面作为测试平台验证了ASIC的性能;另一方面,该装置能够直接应用到静止无功补偿、有源滤波器、电机驱动等电力电子设备的研发中,简化控制装置硬件的设计过程。本文ASIC中的各个功能模块都具有可装配性。所以,在原理实验完成后,可以进一步针对应用需要重新选择相应的功能模块,组装成新的一款针对实际系统的脉冲发生ASIC.综上所述,本文ASIC及其脉冲发生装置的研发和使用将有利于促进电力电子技术的数字化和集成化发展,提高电力电子应用的智能化水平。

 
 
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