基于sopc技术的大功率逆变电源数字控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于SOPC技术的大功率逆变电源数字控制系统，包括：将模拟信号处理模块ACE、ARM?Cortex?M3内核、双口RAM以及底层控制器集成在一块芯片内部；所述模拟信号处理模块ACE通过APB总线与双口RAM通信，所述ARM?Cortex?M3内核通过AHB总线与双口RAM通信，所述双口RAM与底层控制器通信。本实用新型有益效果：集成度高，系统成本和复杂度低，适应性强；抗干扰性强，可靠性高，稳定性好；大大降低了系统设计的风险和成本以及系统硬件电路设计的复杂性，大幅提升了系统设计的灵活性，可广泛应用于众多场合，适应性强。
【专利说明】基于SOPC技术的大功率逆变电源数字控制系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种基于SOPC技术的大功率逆变电源数字控制系统。
【背景技术】
[0002]大功率逆变电源在电力、焊接等领域应用十分广泛。随着单片机、DSP、FPGA等SOPC技术的发展，数字技术的应用，大幅提升了大功率逆变电源系统的控制精度、智能性、稳定性和人机交互的友好性。然而，在大功率逆变电源的工作场合，往往充满了各种强烈的电磁干扰和高频扰动，以焊接电源为例，由于焊接过程是一个包含了冶金、物理、化学等因素的复杂变化过程，逆变焊接电源作为一种能量转换设备，工作在强干扰复杂恶劣环境中，存在功率开关管的高频切换、整流二极管的冲击、外界电磁辐射等众多干扰因素，致使很多国产设备可靠性差，返修率高。因此如何提高数据高速获取和传输的准确性，已成为提升大功率逆变电源设备的关键。
[0003]可编程片上系统(System on a Programmable Chip, SOPC),是一种先进的嵌入式系统，采用单个芯片完成整个系统的主要功能，设计灵活。以现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array, FPGA)为例,是专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路系统，解决了定制电路和原有可编程器件门电路数有限的缺点，可在内部嵌入操作系统。然而，由于FPGA内部资源和性能的限制，在实际应用中往往采用“MCU+FPGA”、“DSP+FPGA”等双核或多核结构，各部分协调工作。但是，由于大功率逆变电源系统的强干扰条件，这对基于大量数据交换的双核或多核控制系统的可靠性和稳定性提出了严峻挑战，而基于单芯片的高可靠性控制系统，将能够大幅提高大功率逆变电源设备的抗干扰性，提升数据高速交换的准确性和系统可靠性，保证系统高速、稳定、安全地运行。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提出了一种基于SOPC技术的大功率逆变电源数字控制系统，该系统动态响应快，控制精度高，可靠性好，可广泛应用于对可靠性和稳定性要求较高的能量变换系统。
[0005]为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:
[0006]—种基于SOPC技术的大功率逆变电源数字控制系统,包括:将模拟信号处理模块ACE, ARM Cortex M3内核、双口 RAM以及底层控制器集成在一块芯片内部。
[0007]所述模拟信号处理模块ACE通过APB总线与双口 RAM通信，所述ARM Cortex M3内核通过AHB总线与双口 RAM通信，所述双口 RAM与底层控制器通信。
[0008]所述模拟信号处理模块ACE包括:比较器、若干A/D转换电路以及D/A转换电路。
[0009]比较器与外部的保护电路连接，用于产生保护信号；电压电流信号经信号调理电路后进入A/D转换电路；D/A转换电路用于实现模拟量的输出。
[0010]所述底层控制器包括:数字滤波器、电压电流实时控制模块以及PWM信号发生器；双口 RAM中的数据经数字滤波器后进入电压电流实时控制模块，最后输出至PWM信号发生器，产生脉冲驱动信号。
[0011]所述电压电流实时控制模块包括电压闭环控制器和电流闭环控制器。
[0012]所述ARM Cortex M3内核通过以太网、CAN总线、485总线、USB多种通讯接口实现与外部通信。
[0013]本实用新型的有益效果是:
[0014](I)集成度高，系统成本和复杂度低,适应性强。
[0015]相比以往的多核结构系统和分散模拟器件搭建的电路，本系统采用的FPGA内部集成了数字电路设计和模拟电路及嵌入式系统等功能，大大降低了系统设计的风险和成本以及系统硬件电路设计的复杂性，大幅提升了系统设计的灵活性，可广泛应用于众多场合，适应性强。
[0016](2)抗干扰性强，可靠性高，稳定性好。
[0017]系统能够减少数据长距离传输，重要数据的大量传输都将在芯片的内部高速完成，因此，系统具备极强的抗干扰性。本系统可根据实际工程应用的特殊性和多样性，实现不同的功能，因此，一致性好，便于产业化应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型大功率逆变电源数字控制系统结构示意图。
【具体实施方式】:
[0019]下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明:
[0020]一种基于SOPC技术的大功率逆变电源数字控制系统，包括:将模拟信号处理模块ACE, ARM Cortex M3内核、双口 RAM以及底层控制器集成在一块芯片内部。模拟信号处理模块ACE通过APB总线与双口 RAM通信，ARM Cortex M3内核通过AHB总线与双口 RAM通信，双口 RAM与底层控制器通信。
[0021]模拟信号处理模块ACE包括:比较器、若干A/D转换电路以及D/A转换电路。比较器与外部的保护电路连接，用于产生保护信号；电压电流信号经信号调理电路后进入A/D转换电路；D/A转换电路用于实现模拟量的输出。
[0022]底层控制器包括:数字滤波器、电压电流实时控制模块以及PWM信号发生器；双口RAM中的数据经数字滤波器后进入电压电流实时控制模块，最后输出至PWM信号发生器，产生脉冲驱动信号。电压电流实时控制模块包括电压闭环控制器和电流闭环控制器。
[0023]详细介绍系统工作流程如下:
[0024]需闭环控制或监测的参数，如电压、电流，经信号调理电路后，变换为0-3.3V的电信号，由芯片内部的A/D采样，然后经芯片内部的APB总线实现与双口 RAM的通讯，采样数据存入双口 RAM，并由各自的数字滤波器间隔读取处理，再送入各自的闭环控制器，由相应的控制算法完成运算，其中控制算法可以是P1、模糊控制等，用来实现反馈信号的实时闭环调节。输出信号送至PWM信号发生器，产生脉冲驱动信号，最后经隔离与驱动电路驱动逆变等环节，将0-3.3V的弱电信号转换为±15V的功率器件驱动信号，同时实现控制器和功率器件的电气隔离，保证系统安全。采样其它参数也通过上述流程存入双口 RAM。
[0025]系统的各状态信号，如功率器件的结温等，由外部保护电路采集转换成电信号，然后进入芯片内部模拟信号处理模块ACE的比较器，与预置的保护给定值比较，并相应的动作。例如当检测到功率开关器件的结温超过其极限温度值，将立刻封锁PWM发生器，使功率器件停止工作，产生保护，避免危险。本方案中双口 RAM作为内部总线数据高速交换的集散地。
[0026]采集的所有信号和系统状态信息，都将存入双口 RAM，由内部的ARM系统经AHB总线从双口 RAM中实时读取，完成基于液晶或LED等的实时显示，或经过通讯接口或模拟输出等环节自动作出相应动作。
[0027]设计了以太网、CAN总线、485总线、USB等多种通讯接口，其中以太网和CAN总线分别用于远距离监控和群控，485总线用于与其它设备的现场通讯，USB主要用于方便实际操作人员的作业信息导入和工况数据采集分析。
[0028]上述虽然结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
【权利要求】
1.一种基于SOPC技术的大功率逆变电源数字控制系统，其特征是，包括:将模拟信号处理模块ACE、ARM Cortex M3内核、双口 RAM以及底层控制器集成在一块芯片内部； 所述模拟信号处理模块ACE通过APB总线与双口 RAM通信，所述ARM Cortex M3内核通过AHB总线与双口 RAM通信，所述双口 RAM与底层控制器通信。
2.如权利要求1所述的一种基于SOPC技术的大功率逆变电源数字控制系统，其特征是，所述模拟信号处理模块ACE包括:比较器、若干A/D转换电路以及D/A转换电路； 比较器与外部的保护电路连接，用于产生保护信号；电压电流信号经信号调理电路后进入A/D转换电路；D/A转换电路用于实现模拟量的输出。
3.如权利要求1所述的一种基于SOPC技术的大功率逆变电源数字控制系统，其特征是，所述底层控制器包括:数字滤波器、电压电流实时控制模块以及PWM信号发生器；双口RAM中的数据经数字滤波器后进入电压电流实时控制模块，最后输出至PWM信号发生器，产生脉冲驱动信号。
4.如权利要求3所述的一种基于SOPC技术的大功率逆变电源数字控制系统，其特征是，所述电压电流实时控制模块包括电压闭环控制器和电流闭环控制器。
5.如权利要求1所述的一种基于SOPC技术的大功率逆变电源数字控制系统，其特征是，所述ARM Cortex M3内核通过以太网、CAN总线、485总线、USB多种通讯接口实现与外部通信。
【文档编号】H02M7/42GK203691276SQ201420006312
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年1月6日 优先权日:2014年1月6日
【发明者】段彬, 张承慧, 张光先, 张少芳 申请人:山东大学