基于sopc技術(shù)的大功率逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于SOPC技術(shù)的大功率逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)，包括：將模擬信號(hào)處理模塊ACE、ARM?Cortex?M3內(nèi)核、雙口RAM以及底層控制器集成在一塊芯片內(nèi)部；所述雙口RAM和底層控制器的功能均采用超高速集成電路硬件描述語言VHDL進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)；所述模擬信號(hào)處理模塊ACE通過APB總線與雙口RAM通信，所述ARM?Cortex?M3內(nèi)核通過AHB總線與雙口RAM通信，所述雙口RAM與底層控制器通信。本發(fā)明有益效果：集成度高，系統(tǒng)成本和復(fù)雜度低，適應(yīng)性強(qiáng)；抗干擾性強(qiáng)，可靠性高，穩(wěn)定性好；大大降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)和成本以及系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，大幅提升了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，可廣泛應(yīng)用于眾多場合，適應(yīng)性強(qiáng)。
【專利說明】基于SOPC技術(shù)的大功率逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于SOPC技術(shù)的大功率逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]大功率逆變電源在電力、焊接等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。隨著單片機(jī)、DSP、FPGA等SOPC技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，大幅提升了大功率逆變電源系統(tǒng)的控制精度、智能性、穩(wěn)定性和人機(jī)交互的友好性。然而，在大功率逆變電源的工作場合，往往充滿了各種強(qiáng)烈的電磁干擾和高頻擾動(dòng)，以焊接電源為例，由于焊接過程是一個(gè)包含了冶金、物理、化學(xué)等因素的復(fù)雜變化過程，逆變焊接電源作為一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，工作在強(qiáng)干擾復(fù)雜惡劣環(huán)境中，存在功率開關(guān)管的高頻切換、整流二極管的沖擊、外界電磁輻射等眾多干擾因素，致使很多國產(chǎn)設(shè)備可靠性差，返修率高。因此如何提高數(shù)據(jù)高速獲取和傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，已成為提升大功率逆變電源設(shè)備的關(guān)鍵。
[0003]可編程片上系統(tǒng)(System on a Programmable Chip, SOPC),是一種先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)，采用單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要功能，設(shè)計(jì)靈活。以現(xiàn)場可編程門陣列(FieldProgrammable Gate Array, FPGA)為例,是專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路系統(tǒng)，解決了定制電路和原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)，可在內(nèi)部嵌入操作系統(tǒng)。然而，由于FPGA內(nèi)部資源和性能的限制，在實(shí)際應(yīng)用中往往采用“MCU+FPGA”、“DSP+FPGA”等雙核或多核結(jié)構(gòu)，各部分協(xié)調(diào)工作。但是，由于大功率逆變電源系統(tǒng)的強(qiáng)干擾條件，這對基于大量數(shù)據(jù)交換的雙核或多核控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而基于單芯片的高可靠性控制系統(tǒng)，將能夠大幅提高大功率逆變電源設(shè)備的抗干擾性，提升數(shù)據(jù)高速交換的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)可靠性，保證系統(tǒng)高速、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提出了一種基于SOPC技術(shù)的大功率逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制精度高，可靠性好，可廣泛應(yīng)用于對可靠性和穩(wěn)定性要求較高的能量變換系統(tǒng)。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]—種基于SOPC技術(shù)的大功率逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng),包括:將模擬信號(hào)處理模塊ACE, ARM Cortex M3內(nèi)核、雙口 RAM以及底層控制器集成在一塊芯片內(nèi)部。
[0007]所述雙口 RAM和底層控制器的功能均采用超高速集成電路硬件描述語言VHDL進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。
[0008]所述模擬信號(hào)處理模塊ACE通過APB總線與雙口 RAM通信，所述ARM Cortex M3內(nèi)核通過AHB總線與雙口 RAM通信，所述雙口 RAM與底層控制器通信。
[0009]所述模擬信號(hào)處理模塊ACE包括:比較器、若干Α/D轉(zhuǎn)換電路以及D/Α轉(zhuǎn)換電路。
[0010]比較器與外部的保護(hù)電路連接，用于產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)；電壓電流信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后進(jìn)入Α/D轉(zhuǎn)換電路；D/A轉(zhuǎn)換電路用于實(shí)現(xiàn)模擬量的輸出。[0011]所述ARM Cortex M3內(nèi)核包括異常事件處理模塊、專家數(shù)據(jù)庫與工藝控制器模塊以及通信模塊。
[0012]專家數(shù)據(jù)庫與工藝控制器模塊與異常事件處理模塊、通信模塊分別連接；專家數(shù)據(jù)庫與工藝控制器模塊通過雙口 RAM實(shí)現(xiàn)與底層控制器的數(shù)據(jù)交換。
[0013]所述底層控制器包括:數(shù)字濾波器、電壓電流實(shí)時(shí)控制模塊以及PWM信號(hào)發(fā)生器；雙口 RAM中的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字濾波器后進(jìn)入電壓電流實(shí)時(shí)控制模塊，最后輸出至PWM信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0014]所述電壓電流實(shí)時(shí)控制模塊包括電壓閉環(huán)控制器和電流閉環(huán)控制器。
[0015]一種基于SOPC技術(shù)的大功率逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)的方法，包括:
[0016](I)大功率逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)的電壓、電流參數(shù)以及其它采樣參數(shù)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由芯片內(nèi)部模擬信號(hào)處理模塊ACE的Α/D轉(zhuǎn)換電路米樣。
[0017]外部保護(hù)電路采集系統(tǒng)的狀態(tài)信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后與芯片內(nèi)部模擬信號(hào)處理模塊ACE預(yù)置的保護(hù)給定值進(jìn)行比較，一旦超過保護(hù)給定值，則產(chǎn)生相應(yīng)地保護(hù)信號(hào)，執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。
[0018](2)上述采樣數(shù)據(jù)以及保護(hù)信號(hào)存儲(chǔ)至雙口 RAM。
[0019](3)存入雙口 RAM的采樣數(shù)據(jù)經(jīng)由各自的數(shù)字濾波器間隔讀取處理，再由相應(yīng)的用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)實(shí)時(shí)閉環(huán)調(diào)節(jié)的控制算法完成運(yùn)算，最后輸出至PWM信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)；脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換后變?yōu)楣β势骷尿?qū)動(dòng)信號(hào)。
[0020]存入雙口 RAM的保護(hù)信號(hào)控制脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生，保護(hù)系統(tǒng)安全。
[0021](4)ARM Cortex M3內(nèi)核從雙口 RAM中實(shí)時(shí)讀取采樣數(shù)據(jù)及系統(tǒng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸、命令輸入和異常事件判斷。
[0022]所述數(shù)據(jù)傳輸通過以太網(wǎng)、CAN總線、485總線、USB多種通訊接口實(shí)現(xiàn)。
[0023]本發(fā)明的有益效果是:
[0024](I)集成度高，系統(tǒng)成本和復(fù)雜度低，適應(yīng)性強(qiáng)。
[0025]相比以往的多核結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和分散模擬器件搭建的電路，本方法采用的FPGA內(nèi)部集成了數(shù)字電路設(shè)計(jì)和模擬電路及嵌入式系統(tǒng)等功能，大大降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)和成本以及系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，大幅提升了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，可廣泛應(yīng)用于眾多場合，適應(yīng)性強(qiáng)。
[0026](2)抗干擾性強(qiáng)，可靠性高，穩(wěn)定性好。
[0027]系統(tǒng)能夠減少數(shù)據(jù)長距離傳輸，重要數(shù)據(jù)的大量傳輸都將在芯片的內(nèi)部高速完成，因此，系統(tǒng)具備極強(qiáng)的抗干擾性。本方法可根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用的特殊性和多樣性，通過開發(fā)不同的軟件實(shí)現(xiàn)所需的功能，因此，一致性好，便于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明大功率逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】:
[0029]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明:
[0030]一種基于SOPC技術(shù)的大功率逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)，包括:將模擬信號(hào)處理模塊ACE、ARM Cortex M3內(nèi)核、雙口 RAM以及底層控制器集成在一塊芯片內(nèi)部。雙口 RAM和底層控制器的功能均采用超高速集成電路硬件描述語言VHDL進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。模擬信號(hào)處理模塊ACE通過APB總線與雙口 RAM通信，ARM Cortex M3內(nèi)核通過AHB總線與雙口 RAM通信，雙口 RAM與底層控制器通信。
[0031]模擬信號(hào)處理模塊ACE包括:比較器、若干Α/D轉(zhuǎn)換電路以及D/Α轉(zhuǎn)換電路。比較器與外部的保護(hù)電路連接，用于產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)；電壓電流信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路；D/A轉(zhuǎn)換電路用于實(shí)現(xiàn)模擬量的輸出。
[0032]ARM Cortex M3內(nèi)核包括異常事件處理模塊、專家數(shù)據(jù)庫與工藝控制器模塊以及通信模塊。專家數(shù)據(jù)庫與工藝控制器模塊與異常事件處理模塊、通信模塊分別連接；專家數(shù)據(jù)庫與工藝控制器模塊通過雙口 RAM實(shí)現(xiàn)與底層控制器的數(shù)據(jù)交換。
[0033]底層控制器包括:數(shù)字濾波器、電壓電流實(shí)時(shí)控制模塊以及PWM信號(hào)發(fā)生器；雙口RAM中的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字濾波器后進(jìn)入電壓電流實(shí)時(shí)控制模塊，最后輸出至PWM信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。電壓電流實(shí)時(shí)控制模塊包括電壓閉環(huán)控制器和電流閉環(huán)控制器。
[0034]詳細(xì)介紹系統(tǒng)工作流程如下:
[0035]需閉環(huán)控制或監(jiān)測的參數(shù)，如電壓、電流，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后，變換為0-3.3V的電信號(hào)，由芯片內(nèi)部的Α/D采樣，然后經(jīng)芯片內(nèi)部的APB總線實(shí)現(xiàn)與雙口 RAM的通訊，采樣數(shù)據(jù)存入雙口 RAM，并由各自的數(shù)字濾波器間隔讀取處理，再送入各自的閉環(huán)控制器，由相應(yīng)的控制算法完成運(yùn)算，其中控制算法可以是P1、模糊控制等，用來實(shí)現(xiàn)反饋信號(hào)的實(shí)時(shí)閉環(huán)調(diào)節(jié)。輸出信號(hào)送至PWM信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，最后經(jīng)隔離與驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)逆變等環(huán)節(jié)，將0-3.3V的弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換為±15V的功率器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制器和功率器件的電氣隔離，保證系統(tǒng)安全。采樣其它參數(shù)也通過上述流程存入雙口 RAM。
[0036]系統(tǒng)的各狀態(tài)信號(hào)，如功率器件的結(jié)溫等，由外部保護(hù)電路采集轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后進(jìn)入芯片內(nèi)部模擬信號(hào)處理模塊ACE的比較器，與預(yù)置的保護(hù)給定值比較。反饋值一旦超過預(yù)置給定，將由系統(tǒng)控制策略產(chǎn)生相應(yīng)地動(dòng)作，例如當(dāng)檢測到功率開關(guān)器件的結(jié)溫超過其極限溫度值，將立刻封鎖PWM發(fā)生器，使功率器件停止工作，產(chǎn)生保護(hù)，避免危險(xiǎn)。本方案中雙口 RAM作為內(nèi)部總線數(shù)據(jù)高速交換的集散地。
[0037]采集的所有信號(hào)和系統(tǒng)狀態(tài)信息，都將存入雙口 RAM，由內(nèi)部的ARM系統(tǒng)經(jīng)AHB總線從雙口 RAM中實(shí)時(shí)讀取，完成基于液晶或LED等的實(shí)時(shí)顯不，異常事件的判斷，并等待執(zhí)行操作人員通過按鍵或旋轉(zhuǎn)編碼器等輸入的命令，或經(jīng)過通訊接口或模擬輸出等環(huán)節(jié)自動(dòng)作出相應(yīng)動(dòng)作。專家數(shù)據(jù)庫和工藝控制器通過AHB總線和雙口 RAM實(shí)現(xiàn)與底層實(shí)時(shí)控制器的數(shù)據(jù)交換，共同實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。
[0038]設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)、CAN總線、485總線、USB等多種通訊接口，其中以太網(wǎng)和CAN總線分別用于遠(yuǎn)距離監(jiān)控和群控，485總線用于與其它設(shè)備的現(xiàn)場通訊，USB主要用于方便實(shí)際操作人員的作業(yè)信息導(dǎo)入和工況數(shù)據(jù)采集分析。
[0039]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于SOPC技術(shù)的大功率逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征是，包括:將模擬信號(hào)處理模塊ACE、ARM Cortex M3內(nèi)核、雙口 RAM以及底層控制器集成在一塊芯片內(nèi)部； 所述雙口 RAM和底層控制器的功能均采用超高速集成電路硬件描述語言VHDL進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)； 所述模擬信號(hào)處理模塊ACE通過APB總線與雙口 RAM通信，所述ARM Cortex M3內(nèi)核通過AHB總線與雙口 RAM通信，所述雙口 RAM與底層控制器通信。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于SOPC技術(shù)的大功率逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征是，所述模擬信號(hào)處理模塊ACE包括:比較器、若干Α/D轉(zhuǎn)換電路以及D/Α轉(zhuǎn)換電路； 比較器與外部的保護(hù)電路連接，用于產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)；電壓電流信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后進(jìn)入Α/D轉(zhuǎn)換電路；D/A轉(zhuǎn)換電路用于實(shí)現(xiàn)模擬量的輸出。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于SOPC技術(shù)的大功率逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征是，所述ARM Cortex M3內(nèi)核包括異常事件處理模塊、專家數(shù)據(jù)庫與工藝控制器模塊以及通信模塊； 專家數(shù)據(jù)庫與工藝控制器模塊與異常事件處理模塊、通信模塊分別連接；專家數(shù)據(jù)庫與工藝控制器模塊通過雙口 RAM實(shí)現(xiàn)與底層控制器的數(shù)據(jù)交換。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于SOPC技術(shù)的大功率逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征是，所述底層控制器包括:數(shù)字濾波器、電壓電流實(shí)時(shí)控制模塊以及PWM信號(hào)發(fā)生器；雙口RAM中的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字濾波器后進(jìn)入電壓電流實(shí)時(shí)控制模塊，最后輸出至PWM信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
5.如權(quán)利要求4所述的一種基于SOPC技術(shù)的大功率逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征是，所述電壓電流實(shí)時(shí)控制模塊包括電壓閉環(huán)控制器和電流閉環(huán)控制器。
6.—種如權(quán)利要求1所述的基于SOPC技術(shù)的大功率逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)的方法,其特征是，包括: (1)大功率逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)的電壓、電流參數(shù)以及其它采樣參數(shù)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為電壓合適的電信號(hào)，由芯片內(nèi)部模擬信號(hào)處理模塊ACE的Α/D轉(zhuǎn)換電路米樣； 外部保護(hù)電路采集系統(tǒng)的狀態(tài)信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，與芯片內(nèi)部模擬信號(hào)處理模塊ACE預(yù)置的保護(hù)給定值進(jìn)行比較，一旦超過保護(hù)給定值，則產(chǎn)生相應(yīng)地保護(hù)信號(hào)，執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作； (2)上述采樣數(shù)據(jù)以及保護(hù)信號(hào)存儲(chǔ)至雙口RAM ； (3)存入雙口RAM的采樣數(shù)據(jù)經(jīng)由各自的數(shù)字濾波器間隔讀取處理，再由相應(yīng)的用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)實(shí)時(shí)閉環(huán)調(diào)節(jié)的控制算法完成運(yùn)算，最后輸出至PWM信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)；脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換后變?yōu)楣β势骷尿?qū)動(dòng)信號(hào)； 存入雙口 RAM的保護(hù)信號(hào)控制脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生，保護(hù)系統(tǒng)安全； (4)ARM Cortex M3內(nèi)核從雙口 RAM中實(shí)時(shí)讀取采樣數(shù)據(jù)及系統(tǒng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸、命令輸入和異常事件判斷。
7.如權(quán)利要求6所述的一種基于SOPC技術(shù)的大功率逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)的方法，其特征是，所述數(shù)據(jù)傳輸通過以太網(wǎng)、CAN總線、485總線、USB多種通訊接口實(shí)現(xiàn)。
【文檔編號(hào)】H02M7/42GK103731053SQ201410004769
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月6日
【發(fā)明者】段彬, 張承慧, 張光先, 張少芳 申請人:山東大學(xué)