基于DSP与FPGA的模块化数字电源控制平台的制作方法

本实用新型属于电力电子数字电源控制技术领域，提供一种基于TMS320F280x系列的DSP和MAX10系列的FPGA为基础的兼容两电平和三电平技术的模块化数字电源控制平台，适用于UPS，逆变器，变频器，充电桩等数字电源设备。

背景技术：

目前电力电子数字电源设备的控制芯片都采用DSP(数字信号处理)来进行算法的控制，控制对象越多，算法越复杂，处理器响应的实时性就越滞后，从故障信号(如：过压、过流、过温等)发生经过采样电路的滤波到DSP的ADC(模数转换器)执行转换经过一段时间确认后再停止PWM输出这一过程在DSP内至少耗时10ms，这一过程在个别工况下并不能快速保护机器停机造成炸机。

电力电子数字电源设备应用广泛，如光伏逆变器和储能逆变器还有UPS等，不同的机器一般都有不同的控制方案和信号检测电路，为此，在面对快速变化的市场需求时需要投入大量而重复的开发工作，其实综合分析后能得出，除去控制对象和控制算法的不同，其他部分如功率回路，采样电路，通讯电路等都存在共同点。

再一个情况就是，同一应用领域的机型也存在不同功率等级的需求，比如500KW的逆变器和250KW的逆变器，因为功率等级不一样所以对应于过压过流的保护点也就不一样，对于此，只是保护电路的基准电压不同，有些方案没做兼容要改变电阻值，于是就要做两套物料清单，有些方案是通过跳线改变保护电路的基准电压，这样在生产装配与运维的过程中容易出错，同时这种基于比较器的保护电路易于受到电磁干扰，存在误动作情况。

目前两电平技术的电力设备以其更少数量的开关、成熟可靠的控制技术而得到广泛应用，但三电平技术设备具有输出容量更大、电流谐波含量更小等优点也有广泛的应用前景，目前的控制平台都是两电平和三电平各自专用的控制平台。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种新型通用的模块化数字电源控制平台，兼容两电平和三电平控制技术，具有强大的通用性和丰富的扩展性以及快速实时的响应速度，基于此建立模块化的通用性控制平台，能更有效的响应市场不同需求，缩短开发周期。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于DSP与FPGA的模块化数字电源控制平台，主控模块、采样模块、输入输出接口模块分别通过相同的与接口板匹配的端子插在接口扩展板上、建立各个模块的电气连接；接口扩展板按需求为额外的采样模块和输入输出接口模块预留插槽。主控模块采用DSP与FPGA组合，DSP为系统提供各种通讯接口，包括RS485、RS232或CAN中的一种或几种；主控模块含实时时钟单元和超级电容，可实现系统下电后时钟不间断计时；主控模块含并行接口的铁电存储芯片，DSP通过数据总线和地址总线访问；主控模块含显示模块，可实现显示系统运行状态的人机交互功能；主控模块FPGA自带ADC数模转换功能，采样率最大可达1M；主控模块DSP运行控制算法，发出的PWM经过FPGA输出控制开关管，控制开关管为IGBT或MOS管；主控模块DSP的ADC实时采样电压、电流和温度反馈信号，检测到的值大于软件设定的保护值时并持续一段故障确认时间，停止PWM输出；主控模块FPGA内编程设定的硬件保护门限值根据机型不同而不同，按需求设定；主控模块FPGA内部ADC采样的电压、电流和温度信息大于编程设定的硬件保护门限值时，经过一段滤波时间确认后，封锁DSP发出的PWM输出；输入输出接口模块上所有输入口都经光耦隔离，光耦的驱动由隔离电源供电；所有输出口的驱动都由继电器隔离；输入输出接口模块由板上CPLD控制，板上复位电路在模块上下电瞬间确保输出口为低电平；输入输出模块上有拨码开关，通过不同的拨码状态实现对总线上不同片选信号的响应。

本实用新型还具有以下附加技术特征：

作为本实用新型方案进一步具体优化的，接口板为各功能模块提供统一的扩展总线接口；扩展总线接口含数据总线、地址总线、读写控制线、片选控制信号线、通用输入输出信号线、ADC采样信号线、电源线和地电位，为电源板向其他功能模块板提供供电路径。

作为本实用新型方案进一步具体优化的，采样模块采集系统的电压、电流和温度反馈量；采样模块以差分电路采样系统的高压电压；采样模块提供霍尔型电流传感器标准接口的电流采样电路；采样模块提供互感器型电流传感器标准接口的电流采样电路；采样模块提供温度传感器PT1000接口的温度采样电路；所有采样信号都经运算放大器组合电路调理采样信号。

作为本实用新型方案进一步具体优化的，主控模块DSP通过数据总线和地址总线读写FPGA；采样模块输出的电压、电流、温度采样信号送到主控模块，由DSP与FPGA分别进行ADC转换。

作为本实用新型方案进一步具体优化的，经调理的采样信号由模拟开关分组切换，实现主控模块的ADC通道分时复用；模拟开关的使能信号CS_EN1、CS_EN2由主控模块控制，使能信号低电平有效，使能信号高电平则对应的模拟开关输出为三态。

作为本实用新型方案进一步具体优化的，多块输入输出接口模块由主控模块经接口扩展总线上的数据总线和地址总线、片选信号线、读写功能控制线实现读写访问。

本实用新型和现有技术相比，其优点在于：

本实用新型采用DSP与FPGA组合的模块化控制平台，由DSP与FPGA对反馈信号同时进行采样，保护电路的响应不需经过DSP处理而直接由FPGA内部并行的逻辑电路执行硬件保护电路动作，响应更迅速。

本实用新型采用DSP与FPGA组合的模块化控制平台，保护电路的门限值在FPGA内部编程设定，在不改变外部采样电路和保护电路的前提下，能适应不同功率等级机型的需求，同时也优化了电路系统，原来暴露在外部而繁琐的保护电路所实现的功能整合到FPGA内部，不仅使得硬件电路更为紧凑，也具有更好的EMC特性。

本实用新型提供的基于DSP与FPGA的模块化数字电源控制平台其主控模块能兼容两电平和三电平技术，PWM输出口多达12路，满足两电平PWM驱动口需求的前提下也满足三电平PWM驱动口数量需求。其信号采样模块的信号采样通道支持多路高压电压采样和多路霍尔型电流传感器接口电路和多路互感器型电流传感器接口电路，以及温度传感器PT1000接口,本套控制平台支持多块信号采样模块插入来扩展采样通道。输入输出接口模块的控制采用总线接口来扩展，DSP与FPGA可通过接口扩展总线控制多块输入输出接口板上的CPLD，基于此可扩展多块输入输出接口板。模块化的功能划分和统一的总线式接口增强了该控制平台的复用性，为开发者提高效率，降低维护成本。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是模块化数字电源控制平台功能简图；

图2扩展总线接口示意图；

图3是FPGA内部组合逻辑电路示意框图；

图4是采样模块扩展示意图；

图5是输入输出接口模块扩展示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

基于DSP与FPGA的模块化数字电源控制平台的功能连接，如图1所示，主控模块、采样模块、输入输出接口模块分别通过相同的与接口板匹配的端子插在接口扩展板上建立各个模块的电气连接。接口扩展板按需求为额外的采样模块和输入输出接口模块预留插槽，实现多块采样模块和输入输出接口模块的扩展。

如图1所示，主控模块采用DSP与FPGA组合，DSP丰富的外设为系统提供各种通讯接口如：RS485,RS232,CAN等。主控模块含实时时钟单元和超级电容，可实现系统下电后时钟计时的不间断功能。主控模块含并行接口的铁电存储芯片，DSP通过数组总线和地址总线访问，可实现系统突发故障停机瞬间记录运行数据的故障录波功能。主控模块含显示模块，可实现显示系统运行状态的人机交互功能。

主控模块FPGA自带ADC数模转换功能，采样率最大可达1M。主控模块DSP运行控制算法，发出的PWM经过FPGA输出控制开关管，如IGBT,MOS管等电力电子开关器件。主控模块DSP的ADC实时采样电压、电流、温度等反馈信号，检测到的值大于软件设定的保护值时并持续一段故障确认时间，停止PWM输出。这是软件保护动作。主控模块软件保护是系统第一级保护动作，硬件保护是系统第二级保护动作，硬件保护动作比软件保护动作更为迅速，硬件保护门限比软件保护门限高一级。故障发生触发到硬件保护点门限时，硬件保护电路直接封锁PWM输出。主控模块FPGA内编程设定的硬件保护门限值根据机型不同而不同，可按需求设定。

如图1所示，输入输出接口模块上所有输入口都经光耦隔离，光耦的驱动由隔离电源供电。所有输出口的驱动都由继电器隔离。保证可靠的安规特性。输入输出接口模块由板上CPLD控制，板上复位电路在模块上下电器件确保输出口为低电平，实现安全的上下电逻辑。输入输出模块上有拨码开关，通过不同的拨码状态实现对总线上不同片选信号的响应。输入输出模块的扩展功能也得以因此实现。

如图2所示，扩展接口板为各功能模块提供统一的扩展总线接口，扩展总线接口含数据总线、地址总线、读写控制线、片选控制信号线、通用输入输出信号线、ADC采样信号线、电源线和地电位等。为电源板向其他功能模块板提供供电路径。

采样模块主要采集系统的电压、电流、温度等反馈量。采样模块以差分电路采样系统的高压电压。采样模块提供霍尔型电流传感器标准接口的电流采样电路。采样模块提供互感器型电流传感器标准接口的电流采样电路。采样模块提供温度传感器PT1000接口的温度采样电路。所有采样信号都经运算放大器组合电路调理采样信号。

如图3示，主控模块DSP通过数据总线和地址总线读写FPGA。采样模块输出的电压、电流、温度等采样信号送到主控模块，由DSP与FPGA分别进行ADC转换。主控模块FPGA内可编程的组合逻辑功能实现比DSP封波更为快速实时的故障封波功能。FPGA以1M赫兹的转换速度采样电压、电流、温度信号，当故障发生，如FPGA采样到的电压、电流、温度等信号持续超过FPGA内预先设定的保护值，并经过滤波时间后，FPGA封锁PWM的输出。这是硬件保护动作。

如图4所示，经调理的采样信号由模拟开关分组切换，实现主控模块的ADC通道分时复用。模拟开关的使能信号CS_EN1,CS_EN2由主控模块控制，使能信号低电平有效，使能信号高电平则对应的模拟开关输出为三态，同一模拟开关上分组的采样信号的选通由模拟开关的通道选择信号的高低电平的状态切换。所以多块采样模块的输出由模拟开关控制，实现扩展口总线上ADC通道的分时复用。采样模块的扩展功能也因此得以实现。

因单块采样模块内采样信号总计达22路之多，通过模拟开关分组切换实现对扩展口总线上ADC通道的分时复用。其中ADCS1切换控制信号由主控模块控制，当使能信号有效时，ADCS1为低电平时，采样信号A组选通，当ADCS1为高电平时，采样信号B组选通。

如图5所示，多块输入输出接口模块由主控模块经接口扩展总线上的数据总线和地址总线、片选信号线、读写功能控制线等实现读写访问。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。