论文研究-基于FPGA的尖峰电流检测方法 .pdf

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基于FPGA的尖峰电流检测方法,戴欣,张琼丹,针对电力电子系统中的尖峰电流,传统的电流峰值检测方法是基于高速A/D转换器,其缺点是成本较高,不适合广泛应用。本文提出一种新
山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 70完成后级的寄存和代码转换的功能。图3是设计的并行式高速采样电路 参考电压RE1 R16 R17 参老电压RE 图3高速米样电路原唑图 Fig 3 The schematic of high-speed sampling circuit 该采样电路由16个高速电压比较器LM31构成,VEF1和VEF2作为比较器的上下限参 考电压,输入为0~(ε1-VaEF2)间的模拟电压,输出为16位二进制数码D1sD,送入 FPGA中完成锁存和译码功能。 图3中使用了16个比较器,其采样精度只相当于4位数宇量输出。为提高采样精度, 将测量范围分为三段,即将参考电压1和RE2分别设定为三个阶段,每个阶段对应一个 80测量范围。相应的,现在的参考电压只有原先的1/3,采样精提高为原先的3倍。 24双路调压电路 双眳调压电路负责提供并调节采样电路的参考电压,因此输出电压的精度和电压跳变的 速度上要求较髙。本设计采用两路数字控制Buck转换器3作为双路参考电压调压电路,两 路Buck转换器结构相同,仅在占空比信号上有所差别,其中一路的数字控制Buck转换器 85如图4所示 Buk转换器 负 O AD转换 占空比信号 驱动电路 实际 电压 DPWM 数字控制器← FPGA空制电路 图4数字控訇Buck转换器的结构框图 Fig 4 The block diagram of digital control Buck converter 图4屮,数字控制Buck转换器主要包括主电路、反馈控制回路和驱动电路。而反馈电 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 眳包括ΔD转换模垬、数字控制器模垬和DPWM(薮宇脉宽调制器〕模块。其中,薮宇控 制器和DPWM在FPGA上实现。主电路输出电压反馈经过AD转换后得到当前输出电压的 数字量,其与期望电压通过比较得到输出误差信号,误差信号经由数字控制器计算出调整后 的占空比大小,DPwM发生器根据占空比大小产生对应的控制信号,送入驱动电路,驱动 95电跻随之驱动开关管。因此,输出电压Uo在相应控制作用下向期望电压变化,经过一个或 几个周期的调舉可以稳定在期望电压值上。 3系统软件设计 3.1峰值检测算法 当前周期采样数据 <最大值 输出电流峰值 出尖峰烦率 图5峰值检测算法流程图 Fig. 5 The flow chart of pcak detection algorithm 图5是峰值检测算法流程图,其基木思想是:(1)当前周期多路采样薮据送入FPGA, 判断是否有尖峰电沇信号;(2)对多路采样薮据进行比较,选取岀最大值,即为当前检测 105范围内的峰值;(3)输岀周期内的电流峰值和尖峰频率;(4)丌始下周期的检沨。 32参考电压控制算法 超过当前测量范围 是否达到10次 攻变测量档位‖保持测量档 输出参考电压设定值REF1 输出参考电压设定值REF2 图6参考电压控制算法流程图 Fig. 6 The flow chart of control algorithm for reference voltage l10 图6是参考电压控制算法流程图,其基本思想是:(1)当前周期的电流峰值送入FPGA 判断是否有复位信号;(2)判断峰值是否超出当前测量范围,若未超出,则保持测量阶段, 若超出,则连续判断10个周期峰值是杏超出测量范围,若仍是则改变测量档位,则侏持 测量范围不变;(3)输岀参考电压设定值REF1和REF2;(4)开始下一周期的检测 4 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 1153.3调压电路控制算法 参考电压设定住R三F 参专电压设定值3EF2 当前电压o1(A们换绊果 当前电压U2〈AD共结果) Casey Jol>REFl Uol<REFl E] OPREFZ 2<3E 占空比减小占空比增大|古空比不变 空比减小[占空七谐大[古空比小变 辁出占空比信号 输出占空比信号 图7调压电路控制算法流程图 Fig. 7 The flow chart of control al gorithm for voltage regulator 120 图7是调压电路控制算法流程图,功能是控制两咯数字控制Buck转换器的输出电压, 以其中路为例进行说明,其基本思想是:(1)参考电压设定值REF和当前Buck转换器 的输出电压Uol(由A①D转换器ADC0809转换得到)进行比较:(2)若Uol>REFI,则 占空比减小,若Uol<REFI,则占空比增大,若Uol=REF1,则占空比不变;(3)输出占 空比信号和ADC0809控制信号;(4)开始下一周期的检沏 1254实验研究 <> 箝出方波 姿二滨誉>监 [ 忐峰电汇 (a)尖峰电流与输出方波波形(0-1.5A) b)峰电流与检测标志波形(0-1.5A) (a) The waves of peak current and output square wave (01. 5A)(b) The waves of peak current and detection flag (0-15A) > ) 130 c)尖峰电流与输出方波波形(1.5A-3A) (d)尖峰电流与检测标忐波形(1 (c) The waves of peak current and output square wave (1. 5A3A)(d) The waves of peak current and detection flag (1. 5A~3A 出方波 <幅>∽ --- 尖峰电汇 (500ns/格) (e)尖峰电流与输出方波波形〈3A~4.5A) (f)尖峰巳流与检测标志波形(3A-4.5A (e) The waves of peak current and output square wave (3A-45A) (f) The waves of peak current and detection flag (3A-45A) 135 图9实验结果 Fig 9 The experimental results 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 实验结果如图9所示,其中(a)(b)(c)(d)、(e)(f分别为尖峰电流在0-1.5A、1.5A~3.0A 和30~4.5A三个档位的测量结果。每个档位的测量宽度是1.5A,由于采用16个电压比较器 140因此每个档位对应17种采样结果。FPGA输出方波的占空比大小表示采样结果,从1档到3 档的51种采样结果对应的占空比为1%~51%,以1%的幅度增加 图(a)(b)表示1档(0-1.5A)的测量情况,图(a)中分别为尖峰电流波形和FPGA输出的 方波,电流持续时间为2.5微砂,峰值为1.4A,对应的输出方波占空比为16%。图(b)为展 开的尖峰电流波形和FPGA输出的检测信号,该检测信号是为观察单周期峰值检测的情况而 145设冒,其功能是在尖峰采样比较过程中,若比前次采样择取到更大值,则信号电平发生翻转。 由图(b)可以看出,检测信号在尖峰电流最高处开始保持不变,因此可以断定峰值检测模块 能准确地检测到电流的峰值。当得到的采样值超岀当前测量档位吋,参考电歴控訇模块更新 参考电压设定值,调压电路控制模块使得输出参考电压REF1和REF2稳定在新的设定值上, 测量档位因此得以切换。 l50 图(c)d)表示2档(1.5A~3.0A)的测量情况,电流持续时间为3微秒,峰值为28A, 对应的输出方波占空比为3%‰。图(e)(表示3档(3.0A~4.5A)的测量情况,电流持续时间 为3.5微秒,峰值为4A,对应的输出方波占空比为42%。 本检测电路每个测量范围的参考电压均为1.5V,共有16路比较器,因此最小分辨的电 压为1.5V33-4545mV。由于尖峰电流经过电流互感器转換为1倍比例的尖峰电压,则最小 155分辨的电流为45.45mA,满足测量精度的要求。 5结论 本文设计的犬峰电流检测电路以FPGA作为中心控制器件,详细阐述了检测电路的硬件 和软件设计原理。通过实验验证,达到尖峰电流的检测要求,同时将检测成本人降低,有 着一定的应用价值。此外,可设计后级冇储器将峰值检测检测结果进行冇储,为搾制尖峰电 160流提供一定条件 参考文献]( References) [1]廖祖馬,黃建国,戴志坚.FPGA在峰值检测中的应用[测控技术,2010,29(1):10-~12. [2]胡理,师奕兵,黄建国,叶芃.峰值检测技术在数据采集卡中的应用[J仪器仪表学报,2004,25(Z) 165407~408 「3赵振强,王子斌.DSO峰值检测电路的设讣与实巩「.电子测量与伩器学报,2004,18(z2):656~659 「4潛松,黄继业EDA技术适用教程(第三版)「M,北京:科学出版社,2006.995-158 [5]朱雪,徐东亮,舒秀发,张新国.Buck转换器中的分岔和混沌硏究.系统仿真学报,2007,19(15) 3387~3394 170 [6]AiWen Li, ChenHui Zhang. Modern Converter Technology and Applications[M]. Bei Jing: Science Press, 2000.19

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