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1、基于FPGA的高压变频器脉冲信号编码技术的算法实现基于FPGA的高压变频器脉冲信号编码技术的算法实现zhangting导语：随着高压变频器在工业领域应用的普及，用户对装置的运行性能及产品工艺提出了更高的要求。摘要：随着高压变频器在工业领域应用的普及，用户对装置的运行性能及产品工艺提出了更高的要求。这要求变频器消费厂家不仅要保证产品质量及运行的稳定性，而且在产品工艺方面做到更加完美。进步产品的工艺性及外观欣赏性，就应做到保证产品实现同样的功能，对软件控制方式实现优化以减少硬件资源投入。本文将通过对脉冲信号编码技术的具体分析，来讲明高压变频器脉冲信号传输编码技术的实现。关键词：高压变频器；脉冲编码
2、技术；FPGAAbstract:Withthehigh-voltageinverterapplicationsintheindustrialareaofthepopularityofusersofdevicesoperatingperformanceandproducttechnologytoahigherdemand.Thisrequiresnotonlytheinvertermanufacturerstoensureproductqualityandoperationalstability,andtechnologicalaspectsoftheproductbemoreperfect.T
3、echnologytoimproveproductsandonamentalappearance,itshouldbedonetoensurethatthefunctionsofthesameproducts,thesoftwarecontroltoachieveoptimizationinodertoreducethehardwareresources.Thispulsesignalthroughadetailedanalysisofcodingtechniquestoillustratethehigh-voltagepulsesignaltransmissionencodingconver
4、tertechnologytoachieve.Keywords:high-voltageinverter;PulseCoding;FPGA1引言高压变频器正常运行经过中，控制系统和被控制对象需要传输线做大量的数据交换，控制信号一般是通过光纤传输到被控制的高压开关器件如IGBT驱动信号等，控制信号的种类及功能比拟多，假如采用一对一的传送方式，那么需要大量的光纤作为传送信号媒介。这样比拟浪费硬件资源，同时对产品的构造及消费工艺提出更高要求。假如对信号进展编码，通过编码技术把不同的信号编写成不同频段的信号加以区分，通过一根光纤可以发送多种信号，这样既节省了硬件资源，同时也降低了消费和加工的要求。2高
5、压变频器的根本工作原理现国内消费的高压变频器大多采用功率单元串联叠加，VVVF控制方式。这种方式合适于大多数风机及泵类负载，在冶金、水处理及电厂等大多数用户采用6KV或者10KV三相沟通异步电动机。高压变频器输出电压主要包括6KV和10KV两种。6KV大多采用6单元串联方式，其拓扑构造如图1中a所示A、B、C三相各6个功率单元，每个功率单元输出电压为577V，相电压UAO=UBO=UCO=3464V，线电压UAB=UBC=UCA=6000V。10KV采用9单元串联方式。如图1中b所示A、B、C三相各9个功率单元，每个功率单元输出电压为641V，相电压UAO=UBO=UCO=5773V，线电压U
6、AB=UBC=UCA=10000V。高压变频器根本工作方式，是由控制单元中的DSP经过复杂数据运算产生一些数据量，这些数据通过总线传送到FPGA中，由FPGA经过逻辑运算及时序运算产生控制信号，经过编码后，再进展电光转换，把电信号转换成了光信号，通过光纤传送到功率单元中，功率单元接收到光信号，进展光电转化，再进展信号解码，把此信号作为控制信号来控制功率单元工作。3FPGA中各种信号编码模块的算法实现信号编码的算法实现，主要是通过现场可编程门阵列FPGA来实现。由DSP经过复杂运算产生一系列数据量，这些数据发送给FPGA。FPGA收到这些数据后，做相应编码处理。如图2所示，信号编码的算法实现原理
7、框图。DSP采用TI公司的TMS320F206，FPGA采用Altra公司EP1C6Q240C8。3.1芯片简介TMS320F206是TI公司推出的一款数字信号处理芯片，它具有改良的哈佛构造程序总线和数据总线别离、高性能CPU及高效的指令集等特点。CPU具有32位CALU、32位累加器、1616位并行乘法器、三个移位存放器、八个16位辅助存放器。指令速度可达25ns单指令周期。外围电路有软件可编程定时器、软件可编程等待状态发生器、片内锁相环时钟发生器、同步和异步系列串口等。EP1C6Q240C8是Altra公司推出的主流低本钱FPGA_Cyclone系列。Cyclone器件采用0.13um的工
8、艺制造，其内部有2个锁相环PLL、20个M4KRAM块、逻辑容量5980个LE、最大用户I/O为185、支持高速LVDS接口，性能可到达311Mbit/s。3.2信号优先级选择的实现由DSP发送的信号包括时钟、使能、读写、控制、检测、地址、数据及其他信号等写到FPGA中。FPGA首先要对相应的信号做优先级处理，这样保证重要的信号可以优先执行，不至于影响系统正常工作。信号优先级的选择主要通过逻辑电路来实现，如图3所示，在FPGA中利用Altra的quartusII软件的图形化的设计方案。输入信号包括3个gcm_1、gcm_2、gcm_3，输出信号包括3个gcm_11、gcm_22、gcm_33。
9、此逻辑电路可以实现的功能是，输出信号gcm_11只要gcm_1高电平有效即知足条件输出。输出信号gcm_22只有gcm_2高电平有效同时知足gcm_1为低电平才可知足条件输出。输出信号gcm_33只有gcm_3高电平有效同时知足gcm_1和gcm_2同时为低电平才可知足条件输出。因此实现了优先级gcm_1gcm_2gcm_3。信号优先级的选择仿真波形如图4所示，从仿真波形可以看出，当输入信号gcm_1高电平有效，输出信号gcm_11立即变为高电平。当输入信号gcm_2高电平有效，同时gcm_1为低电平，输出输出信号gcm_22立即变为高电平。当输入信号gcm_3高电平有效，同时gcm_1、gc
10、m_2为低电平，输出输出信号gcm_33立即变为高电平。通过仿真验证了，此逻辑电路可实现信号优先级的选择。比方在控制信号中，停顿信号优先级就应大于启动信号，只要发停顿信号，系统就执行停机功能。只有当所有条件都具备，启动才可以执行。3.3数据信号分频器的实现在FPGA中利用Altra的quartusII软件的图形化设计方案，VerilogHDL语言编写子程序，如图5所示gcm_fp为数据信号分频器程序图形。数据信号分频器输入信号包括时钟、清零、使能3个，输出为数据量q5.0和脉冲信号d。如图6所示，利用ModelSim软件仿真的数据信号分频器仿真波形，当时钟信号为50ns、clr低电平有效时。输
11、出的信号d，假如ean频率小于某一值时，d保持ean信号，假如ean一直为高电平时，d将输出一定频率变化的脉冲信号。3.4延时滤波器的实现延时滤波器输入信号包括时钟和使能信号，输出包括数据量q5.0和脉冲信号d。在FPGA中利用Altra的quartusII软件的图形化设计方案，VerilogHDL语言编写子程序，如图7所示gcm_ys为延时滤波器程序图形。延时滤波器主要是对控制信号进展滤除毛刺处理，防止干扰信号影响系统工作。如图8所示，利用ModelSim软件仿真的延时滤波器仿真波形，当时钟信号为50ns、ena高电平有效时。输出的信号d，假如ean由低跳变到高时，先进展滤波再使能，这样有效
12、滤除因按键或者系统干扰带来的毛刺现象。保证系统正常运行。3.5编码选通及PWM信号生成高压变频器信号编码机PWM输出如图8所示，在FPGA中利用Altra的quartusII软件的图形化设计方案，VerilogHDL语言编写子程序。图中输入信号包括时钟、清零信号、信号1、信号3，输出信号为pwm01。信号1经过分频处理变为信号2，当信号3使能，信号2和时钟同步输出。信号3经过延时滤涉及分频处理，在和时钟同步输出，同时信号3作为信号2的选通使能端。这样保证他们在不同时钟输出，防止信号冲突。如图9所示，利用ModelSim软件仿真的编码选通及PWM信号仿真波形，从波形中看出，当输入信号3有效后，输
13、出信号pwm01为输入信号3经过编码后的脉冲信号。当输入信号1有效后，输出信号pwm01为输入信号1经过编码后的脉冲信号。他们在时间上互不影响，脉冲频率不同，在被控制端进展相应的解码，即可对输入信号1和输入信号3进展执行。4脉冲信号编码技术的实现由FPGA通过逻辑运算及相应的VerilogHDL语言编写的程序。实现了各种信号的脉冲编码，并最终生成PWM信号，通过一根光纤便可传送到被控制对象。编码信号中包括了各种控制信号，如启动、停顿、复位、旁通等等。假如需要被控制对象的状态信息，可通过另外一根光纤将被控对象产生的故障或运行的状态上传回FPGA。这样就实现了只用两根光纤串行发送数据和承受数据。大
14、大进步了装置的实用性。高压变频器控制系统充分利用了FPGAEP1C6Q240C8的硬件资源，使系统电路获得极大的简化。FPGA接收DSP发送过来的数据，对数据做相应的脉冲编码，然后发送到功率单元，实现通过低压控制系统对高压大功率开关器件的完美控制。5结语以FPGA和DSP为核心的控制系统具有灵敏的重复可编程才能和在线可调试才能、强大的逻辑运算才能、时序控制才能及数据运算才能。它无疑具有广阔的市场应用前景。参考文献【1】吴继华，王诚，AltraFPGA/CPLD设计，北京，人民邮电出版社，2005.7【2】杨耕，罗应立等著，陈伯时主审，电机与运动控制系统，北京，清华大学出版，2006.3【3】美UweMeyer-Baese著，刘凌译，数字信号处理的FPGA实现第2版，北京，清华大学出版社，2006.60