CN103529733A - 一种码头智能型高压电源控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种码头智能型高压电源控制***，其设置嵌入式主处理器-协处理器-接口模块的三级结构进行脉冲数据的计算、脉冲产生、脉冲发送及各级功率模块组状态监控。该主处理器根据需要根据当前开关周期所处的电压相位以及直流电压计算本周期中的占空比；该协处理器将占空比的数据根据功率模块级联的级数进行移相及同步处理后产生包含时序关系的脉冲序列；该接口模块主要是将上一级协处理器发来的脉冲序列进行死区补偿、窄脉冲消除处理，然后将脉冲序列按通信规约打包后发送至光纤接口，由光纤接口下发至各级功率模组；该接口模块同时接收来自各级功率模组回传的状态数据，将数据解析后供该主处理器读取。
Description
技术领域
本发明涉及船舶供电高压电源控制技术领域，具体的说是一种码头智能型高压电源控制***。
背景技术
近些年，我国船舶工业发展迅速，目前我国已成为世界造船大国。越来越多的国家和地区在我国的造船厂订造符合其标准和频率、电压要求的各种船舶，以及维修各种船舶。在进行船舶修造时，船上大量的设备均需要60Hz电源供电方能正常使用。由于我国电网供电电源频率标准为50Hz，在船上发电机在没有正常投入使用之前，这些需要60Hz电源供电的设备，必需要有一种与之电制匹配的电源来供电。因此一种高质量稳频稳压电源受到了广泛的关注，岸电电源由此而生。传统低压岸电电源均是380V/60Hz上船，所以需要大量的低压电缆，为使用造成很多不便，所以高压上船就成为一种趋势；同时由于船上电动机负载制动时存在有功功率回馈，许多电力电子设备的存在导致功率因数较低且波动较大，所以需要一种集高压变频电源、SVG无功补偿、有功功率储能等功能于一体的码头智能型高压电源来代替现有的传统岸电电源。
基于国内的技术水平，高压电源***的实现通常采用多级H-桥级联技术，而此类***需要有强大的控制***才能实现其设计功能。整个主电路***中包含多级功率电路且每级功率电路的控制脉冲间必须遵守严格的时序，因此单靠DSP这种顺序执行器件很难完成脉冲分发，此类电源***通常除主算法功能外，需要与很多外部接口（包括模拟采样及输出口、IO口、通信口等）交互，所以单一CPU***很难完成；迄今还没有此类电源所需控制***的参考设计标准，所以有必要为此类码头智能型高压电源设计专用的控制***。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种高压大功率码头智能型高压电源的控制***，此***可以实现对IGBT H-桥级联型高压大功率电源的变频控制。
本发明是这样实现的，一种码头智能型高压电源控制***，其设置嵌入式主处理器-协处理器-接口模块的三级结构进行脉冲数据的计算、脉冲产生、脉冲发送及各级功率模块组状态监控，该主处理器根据需要根据当前开关周期所处的电压相位以及直流电压计算本周期中的占空比，且将此占空比写入下一级协处理器；该协处理器将占空比的数据根据功率模块级联的级数进行移相及同步处理后产生包含时序关系的脉冲序列，并将这些脉冲序列传输到下一级接口模块；该接口模块主要是将上一级协处理器发来的脉冲序列进行死区补偿、窄脉冲消除处理，然后将脉冲序列按通信规约打包后发送至光纤接口，由光纤接口下发至各级功率模组；该接口模块同时接收来自各级功率模组回传的状态数据，将数据解析后供该主处理器读取。
作为上述方案的进一步改进，该接口模块与各级功率模组间均通过一发一收两根光纤进行通信。
作为上述方案的进一步改进，该主处理器（1）采用DSP芯片作为数据信号处理器，该协处理器（4）采用FPGA芯片，该主处理器（1）与该协处理器（4）间通过数据总线与地址总线的模式相联接：该协处理器（4）的多块FPGA挂在该主处理器（1）的DSP芯片的外部总线上，FPGA作为DSP芯片的外部器件使用，工作时对外部地址进行读写来实现数据交互；对外部开关操作及状态监控、人机界面通信、模拟量采集功能由单独DSP芯片负责，外部IO口通过CPLD进行扩展。
作为上述方案的进一步改进，在电路板层级上整个控制***包括电源板（11）、模拟板（12）、数字IO板（13）、主控制板（14）、A相脉冲板（15）、B相脉冲板（16）、C相脉冲板（17）七块子***电路板；其中，电源板（11）是为整个***提供24V、±15V、5V、3.3V电源，模拟板（12）为模块量隔离采样与调理电路，将外部高压、大电流的模拟量调理成为DSP芯片可以承受的电压信号以备采样用，数字IO板（13）将个部高压的数字开关信号经过隔离后送至一个监控DSP（7），同时将监控DSP（7）输出的低压信号隔离后放大为可控制外部开关的高压大电流信号送至外部开关；主控制板（14）作为整个***的核心部分，根据外部采样值与数字量状态产生脉冲数据发送给下一级协处理器（4），且产生外部开关的控制信号，主控制板（14）包含主处理器（1）与监控DSP（7）；A相脉冲板（15）、B相脉冲板（16）、C相脉冲板（17）功能是相同的，其功能是接收上一次主处理器（1）发送来的脉冲数据，由协处理器（4）加工成真实脉冲数据，并将这些脉冲数据发送至接口模块（5），经光纤发送至外部主电路***，同时将主电路***中功率模块状态信号由光纤接收至接口模块（5），发送至协处理器（4）并反馈至主处理器（1）。
优选地，在脉冲发生与控制过程中，主处理器（1）下要挂接多个协处理器（4），主处理器（1）总线先扩展总线驱动器（2），由总线驱动器（2）生成数据/地址总线（3），各协处理器（4）均持接在外部的数据/地址总线（3）上，再接接口模块（5）上的各自的接口（27），接口（27）再通过光纤转换电路接至外部主电路功率模组。
再优选地，主处理器（1）与协处理器（4）间并行数据18主要包括地址、数据、使能信号、片选信号、写控制（/WR）、读控制（/RD），写完成标志为高位时表示对主处理器（1）对所有协处理器（4）的写操作均已完成，提示协处理器（4）可以进行下一步的操作。
本发明的码头智能型高压电源控制***，它为具有储能单元、SVG功能、变频高压智能电源的核心控制单元，特别是提供了一种能够完成智能高压电源控制所需要的AD隔离采样、IO隔离控制、多级IGBT H-桥级联的脉冲产生、外部远程通信等功能的控制***。此***在脉冲发生过程中采用了嵌入式主处理器（MainProcessor）-协处理器（Coprecessor）-接口（Interface）的三级脉冲产生架构，并采用了FPGA并行运算技术；根据功能将整个主控制功能分由两块DSP承担，其中一块DSP完成主算法功能，另一块DSP完成***接口操作，双DSP***间通过双口RAM技术进行双向适时通信。本发明可以实现对IGBTH-桥级联型高压大功率电源的变频控制，且具有运算速度快、脉冲同步、保护快速、对功率模块监控快速准确等特点，且具备友好的人机及远程控制界面。
附图说明
图1为本发明码头智能型高压电源控制***的***架构示意图；
图2模块间信号关系示意图；
图3协处理器（Coprecessor）与接口（Interface）间信号关系示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明通过嵌入式主处理器（MainProcessor）1-协处理器（Coprecessor）4-接口（Interface）模块5的三级结构进行脉冲数据的计算、脉冲产生、脉冲发送及各级功率模块组状态监控。主处理器（MainProcessor）1为DSP，其功能是根据需要根据当前开关周期所处的电压相位以及直流电压计算本周期中的占空比，且将此占空比写入下一级协处理器（Coprecessor）4；协处理器（Coprecessor）4将占空比的数据根据功率模块级联的级数进行移相及同步处理后产生包含时序关系的脉冲序列，并将这些脉冲序列传输到下一级接口（Interface）模块5；接口（Interface）模块5模块主要是将上一级协处理器发来的脉冲序列进行诸如死区补偿、窄脉冲消除等处理，然后将脉冲序列按通信规约打包后发送至光纤接口（Fiber接口），由光纤接口下发至各级功率模组；接口（Interface）模块5同时接收来自各级功率模组回传的状态数据，将数据解析后供主处理器（MainProcessor）1读取。控制***与功率模组间通过一发一收两根光纤进行通信，结构简单可靠。
主处理器（MainProcessor）1采用DSP（数据信号处理器），它具有专用的数字信号处理模块，特别适用于诸如滤波器等数字信号的处理，且具有多种丰富的外设接口，同时因为编程及调试简单，被广泛应用于电力电子装置的主控制器。协处理器（Coprecessor）4需要同时处理多路信号，但多路信号的处理流程是相同的，所以需要并行处理器件，此***中采用通用FPGA芯片。主处理器（MainProcessor）1与协处理器（Coprecessor）4间通过数据总线与地址总线的模式相联接，即多块FPGA挂在DSP的外部总线上，FPGA作为DSP芯片的外部器件使用，工作时对外部地址进行读写来实现数据交互。
对外部开关操作及状态监控、人机界面通信、模拟量采集等功能由单独DSP芯片负责，外部IO口通过CPLD进行扩展。两块DSP间通过DPRAM（双口RAM）进行数据交换。
如图2示，在电路板层级上整个控制***分为图中所述电源板（Power）11、模拟板（AC）12，数字IO板（DIO）13，主控制板（CTL）14，A相脉冲板（PLSA）15，B相脉冲板（PLSB）16，C相脉冲板（PLSC）17等7块子***电路板。其中电源板（Power）11是为整个***提供24V，±15V，5V，3.3V电源。模拟板（AC）12为模块量隔离采样与调理电路，将外部高压、大电流的模拟量调理成为DSP芯片可以承受的电压信号，以备采样用。数字IO板（DIO）13将个部高压的数字开关信号经过隔离后送至内部监控DSP7，同时将内部监控DSP7输出的低压信号隔离后放大为可控制外部开关的高压大电流信号送至外部开关。主控制板（CTL）14包含主处理器（MainProcessor）1与监控DSP7，其为整个***的核心部分，根据外部采样值与数字量状态产生脉冲数据发送给下一级协处理器4，且产生外部开关的控制信号。A相脉冲板（PLSA）15、B相脉冲板（PLSB）16、C相脉冲板（PLSC）17功能是相同的，其功能是接收上一次主主处理器（MainProcessor）1发送来的脉冲数据，由协处理器（Coprecessor）4加工成真实脉冲数据，并将这些脉冲数据发送至作为接口模块5的接口（Interface）27（如图3所示），经光纤发送至主电路***，同时将主电路***中功率模块状态信号由光纤接收至接口（Interface）模块5，发送至协处理器（Coprecessor）1并反馈至主处理器（MainProcessor）4。
具体到脉冲发生与控制过程，主处理器（MainProcessor）1下要挂接多个协处理器4，为提高电路稳定性及满足驱动能力，主处理器（MainProcessor）1总线先扩展总线驱动器2，由总线驱动器2生成数据/地址总线3，各协处理器CoprA（协处理器A）、CoprB（协处理器B）、CoprC（协处理器C）均持接在外部的数据/地址总线3上，再接各自的接口电路IntfA1（接口A1）、IntfA2（接口A2）、IntfB1（接口B1）、IntfB2（接口B2）、IntfC1（接口C1）、IntfC2（接口C2），接口（Interface）27再通过光纤转换电路（即光纤接口）接至外部主电路功率模组。主处理器（MainProcessor）1与协处理器（Coprecessor）4间并行数据18主要包括地址（A），数据（D），使能信号（ENA、ENB、ENC），片选信号（/CS）,写控制（/WR），读控制（/RD）。WROVER为写完成标志，此信号为高位时表示对主处理器（MainProcessor）1对所有协处理器（Coprecessor）4的写操作均已完成，提示协处理器（Coprecessor）4可以进行下一步的操作。主处理器（MainProcessor）1与协处理器（Coprecessor）4间指令数据19FUNSEL主要是主处理器1对协处理器4的一些指令数据，可以通过对其不同的编码来完成对不同功能数据的读写操作。主处理器（MainProcessor）1与协处理器（Coprecessor）4间控制信号20中的LOCK作用是对脉冲的封锁；RST是对故障信号的复位，用以完成初始化或故障信号的复位操作；PCHK用以完成协处理器4及各接口电路的自检功能。协处理器（Coprecessor）4反馈主处理器（MainProcessor）1状态信号21中，CHG表示各光纤接口连接的功率模块均正常接至主电路***且初始工作正常；DCOV表示模块直流过压，相应地DCUV表示直流欠压，均表示直流电压出现异常；而TO表示有功率模块出现过温，需要处理。
具体到协处理器（Coprecessor）4与接口（Interface）结构24，协处理器X（CoprX）25作为主处理器的外部扩展器件，接收主处理器下发的脉冲数据，将这些数据经过时钟同步后并根据数据宽度来计算需要延时的时钟周期数量，从而产生需要的真实脉冲，并将这些脉冲发送至接口X1（InterfX1）26、接口X2（InterfX2）27。InterfX1与InterfX2连接各自的光纤通道28与29，完成与主电路中功率模块间脉冲数据的下发及状态数据的回传。图3中CoprX连接InterfX1各信号含义：PR1-PR5功率模块1-5的右脉冲信号，PL1-PL5功率模块1-5的左脉冲信号，CTL1-CTL5为功率模块1-5的控制信号，STx1-STx5为由主电路功率模块返回的状态数据；相应的连接InterfX2的信号为功率模块6-10信号，与以上信号意义相同。
主处理器1与监控DSP7间有大量数据进行交换，常规的串行通信不能满足实时性要求，所以此方案中选用通信速度快的双向双通道双口RAM（DPRAM）6；将DPRAM挂接在监控DSP7与主处理器1的总线上，其操作与操作其它外部器件方法相同，通过不同地址分配来完成通信规约。
DIO接口8通过监控DSP外扩CPLD（复杂可编程逻辑器件，ComplexProgrammable Logic Device)）接光耦隔离电路与继电器来完成对外部数字开关量的操作。具体地，数字量控制信号23中所包含的信号有15个DI（数字输入）通道，15个DO（数字输出）通道，另外还有DIO的复位信号IORST、IO分/合闸信号IOBRK、IO封锁信号IOPLCK，还包括由IO口向监控DSP发出的DI_PLCK用于外部IO口异常或相应开关动作时进行主电路中功率模块的封锁操作，相当于外部开关对主电路功率模块的操作接口。同时DIO接口板还提供封锁与复位信号22，包括对主电路功率模块的封锁（PMLCK）与复位（PMRST）信号。
模拟电路9由模拟隔离电路及模拟调理电路组成，其中模拟隔离电路实现整个控制***与外部主电路中强电信号的隔离，模拟调理电路将获得的模拟信号经过滤波放大处理后转换为内部DSP可以接收的电压信号；同时还可以将内部数字信号经处理隔离为模拟信号后输出至控制***外部，供***集成时使用。具体地包括14个AD（模拟→数字）通道，2个DA（数字→模拟）通道，另外VinAB_SYN信号为外部电源***的同步信号，用以在变频与工频电源切换时的同步操作，COPLOCK为模拟电流过流保护信号，用以在主电路输出电流超过阈值时产生保护信号给监控DSP，以使其快速度保护。
整个控制***的通信模块10均由监控DSP的串行通信口扩展而来，其中RXD1、TXD1可根据***与******接口的需要通过RS485卡扩展为RS485接口，通过EtherNet（以太网）卡扩展为以太网络，通过Profibus（现场总线）卡扩展为Profibus等；而RXD2、TXD2通信口通过RS485卡扩展为RS485同步串行通信接口，用以***内部后台触摸屏的接口使用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种码头智能型高压电源控制***，其特征在于：其设置嵌入式主处理器-协处理器-接口模块的三级结构进行脉冲数据的计算、脉冲产生、脉冲发送及各级功率模块组状态监控，该主处理器根据需要根据当前开关周期所处的电压相位以及直流电压计算本周期中的占空比，且将此占空比写入下一级协处理器；该协处理器将占空比的数据根据功率模块级联的级数进行移相及同步处理后产生包含时序关系的脉冲序列，并将这些脉冲序列传输到下一级接口模块；该接口模块主要是将上一级协处理器发来的脉冲序列进行死区补偿、窄脉冲消除处理，然后将脉冲序列按通信规约打包后发送至光纤接口，由光纤接口下发至各级功率模组；该接口模块同时接收来自各级功率模组回传的状态数据，将数据解析后供该主处理器读取。
2.如权利要求1所述的码头智能型高压电源控制***，其特征在于：该接口模块与各级功率模组间均通过一发一收两根光纤进行通信。
3.如权利要求1所述的码头智能型高压电源控制***，其特征在于：该主处理器（1）采用DSP芯片作为数据信号处理器，该协处理器（4）采用FPGA芯片，该主处理器（1）与该协处理器（4）间通过数据总线与地址总线的模式相联接：该协处理器（4）的多块FPGA挂在该主处理器（1）的DSP芯片的外部总线上，FPGA作为DSP芯片的外部器件使用，工作时对外部地址进行读写来实现数据交互；对外部开关操作及状态监控、人机界面通信、模拟量采集功能由单独DSP芯片负责，外部IO口通过CPLD进行扩展。
4.如权利要求1所述的码头智能型高压电源控制***，其特征在于：在电路板层级上整个控制***包括电源板（11）、模拟板（12）、数字IO板（13）、主控制板（14）、A相脉冲板（15）、B相脉冲板（16）、C相脉冲板（17）七块子***电路板；其中，电源板（11）是为整个***提供24V、±15V、5V、3.3V电源，模拟板（12）为模块量隔离采样与调理电路，将外部高压、大电流的模拟量调理成为DSP芯片可以承受的电压信号以备采样用，数字IO板（13）将个部高压的数字开关信号经过隔离后送至一个监控DSP（7），同时将监控DSP（7）输出的低压信号隔离后放大为可控制外部开关的高压大电流信号送至外部开关；主控制板（14）作为整个***的核心部分，根据外部采样值与数字量状态产生脉冲数据发送给下一级协处理器（4），且产生外部开关的控制信号，主控制板（14）包含主处理器（1）与监控DSP（7）；A相脉冲板（15）、B相脉冲板（16）、C相脉冲板（17）功能是相同的，其功能是接收上一次主处理器（1）发送来的脉冲数据，由协处理器（4）加工成真实脉冲数据，并将这些脉冲数据发送至接口模块（5），经光纤发送至外部主电路***，同时将主电路***中功率模块状态信号由光纤接收至接口模块（5），发送至协处理器（4）并反馈至主处理器（1）。
5.如权利要求4所述的码头智能型高压电源控制***，其特征在于：在脉冲发生与控制过程中，主处理器（1）下要挂接多个协处理器（4），主处理器（1）总线先扩展总线驱动器（2），由总线驱动器（2）生成数据/地址总线（3），各协处理器（4）均持接在外部的数据/地址总线（3）上，再接接口模块（5）上的各自的接口电路（27），接口电路（27）再通过光纤转换电路接至外部主电路功率模组。
6.如权利要求5所述的码头智能型高压电源控制***，其特征在于：主处理器（1）与协处理器（4）间并行数据18主要包括地址、数据、使能信号、片选信号、写控制（/WR）、读控制（/RD），写完成标志为高位时表示对主处理器（1）对所有协处理器（4）的写操作均已完成，提示协处理器（4）可以进行下一步的操作。
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