摘要：目前,电力电子保护系统普遍采用LS7400系列集成芯片或者可编程GAL集成芯片来实现电力电子系统各种保护信号与脉冲宽度调制(PWM)信号的逻辑组合。这种保护系统具有采用分立器件多、集成度低、电路复杂等缺点。当今社会是数字化的社会,是数字集成电路广泛应用的社会。目前电路设计与开发周期很短的现场可编程逻辑器件(FPLD)已经得到广泛应用,其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。它们具有体系结构/逻辑单元灵活、集成度高、可实现较大规模电路、编程灵活、设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定、可实时在线检验以及适用范围广等优,因此逐步被应用于电力电子保护系统的设计中。
关键词：CPLD器件；保护电路；电力电子系统
一、CPLD器件相关内容简析
（一）定义
CPLD主要是由可编程逻辑宏单元(MC，MacroCell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中MC结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。
（二）展历史及应用领域
20世纪70年代，最早的可编程逻辑器件--PLD诞生了。其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成（相当于房子盖好后人工设计局部室内结构），因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为弥补PLD只能设计小规模电路这一缺陷，20世纪80年代中期，推出了复杂可编程逻辑器件--CPLD。此应用已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。
（三）器件特点
它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下)之中。几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。CPLD器件已成为电子产品不可缺少的组成部分，它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。
（四）使用方法
CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。这里以抢答器为例讲一下它的设计（装修）过程，即芯片的设计流程。如果要对芯片进行其它设计，比如进行交通灯设计，要重新画原理图、或写硬件描述语言，重复以上工作过程，完成设计。这种修改设计相当于将房屋进行了重新装修，这种装修对CPLD来说可进行上万次。
二、PWM输出信号简介
电机控制DSP芯片ADMC401的脉宽调制(PWM)控制器单元具有可编程的优点。它通过编程产生所需要的各种开关模式,以适应于交流电机、电子换向电机(ECM)、无刷直流电机(BDCM)及开关磁阻电机(SRM)等PWM控制模式。PWM控制器单元通过6个PWM输出引脚(AH,AL,BH,BL,CH,和CL)输出3对PWM信号,包括3个上桥臂驱动信号(AH,BH和CH)和3个下桥臂驱动信号(AL,BL和CL)。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆PWM输出信号的开关周期、死区时间和最小脉宽分别通过寄存器PWMTM,PWMDT和PWMPD进行编程控制,而3个导通时间控制寄存器(PWMCHA,PWMCHB和PWMCHC)直接控制3对PWM信号的导通时间。下面采用100-PinPQFP封装的EPM7128SQC100-15芯片来实现电力电子保护信号与上述3对PWM脉冲宽度调制信号的逻辑组合。它具有2500门可用门数,128个宏单元,最大84个I/O可用引脚数。
三、电力电子保护电路
在电力电子系统中必须设置一些必要的保护措施,以保证系统的可靠运行。以三相变流器为例,一般均设置有如下保护:第一，电网电压的过压回差保护；第二，电网电压的欠压回差保护；第三，交流输入电流的过流锁死保护；第四，交流输入电流的过载锁死保护；第五，直流侧电压的欠压回差保护；第六，直流侧电压的过压锁死保护；第七，IGBT模块的过温回差保护等[1]。
其一，直流过压、交流过流锁死保护。下2图中保护输出信号为高电平有效。直流过压、三相交流过流保护输出信号分别记为Udc-ov,Uac-oc-a,Uac-oc-b与Uac-oc-c。
其二，直流欠压、交流欠压回差保护。保护输出信号为低电平有效.直流欠压、三相交流欠压保护输出信号分别记为Udc-lv,Uac-lv-a,Uac-lv-b与Uac-lv-c。
其三，交流过压回差保护。保护输出信号为高电平有效。三相交流过压保护输出信号分别记为Uac-ov-a,Uac-ov-b与Uac-ov-c。
其四，过温回差保护,分析方法同上,保护输出信号记为Ut-oh。其五，过载锁死保护信号是由DSP输出的保护信号记为Uac-ol。在上述保护电路中用到的运算放大器是高速、满轨输出的运放,可选用AD8054.
四、PWM输出信号的保护算法
基于EPM7128S器件,采用MAX+PLUSⅡ可编程逻辑开发软件对上述所有保护输出(数字)信号进行逻辑组合,输出一个总的PWM保护信号———PWMTRIP信号(此信号为低电平有效):一方面送到ADMC401芯片的PWMTRIP引脚,立即封锁PWM控制器单元,使得ADMC401芯片的3对PWM信号输出无效；另一方面在EPM7128S中立即控制3对PWM信号输出(即PWMAL,PWMAH,PWMBL,PWMBH,PWMCL和PWMCH输出信号)为无效,从而实现对PWM输出信号的双重封锁。基于EPM7128S器件的上述保护算法实现[2]。
五、结果
在计算机上利用MAX+PLUSⅡ可编程逻辑开发软件对上述保护算法进行了编程与编译,然后通过一条Byte-Blaster并口下载电缆下传给EPM7128S芯片.通过模拟各种故障的实验结果表明,保护动作正确,实现了上述所有保护算法.采用EPM7128S芯片实现电力电子保护系统的逻辑组合,具有可以反复地编程和擦除使用、电路设计与开发周期短、开发软件易学易懂、其内部连线率高、其时序延迟均匀且可预测以及可在线配置功能等特点,非常适合于电力电子系统保护算法实现。
结论：
文章主要介绍电力电子系统中的保护电路,提出利用复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现电力电子系统各种保护信号与脉冲宽度调制信号的逻辑组合方法,论述CPLD在电力电子系统保护中的可行性和优越性。实验结果表明用CPLD器件实现的电力电子保护系统具有集成度高、灵活性强、可靠性高、易于维护、升级和扩展等特点[3]。
参考文献：
[1]宋万杰,罗丰,吴顺君.CPLD技术及其应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2017
[2]张景超,张承学.CPLD在电力系统微机保护装置中的应用[J].华北电力技术,2014,(9),24-27.
论文作者:杜倩
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/9
标签：可编程论文; 信号论文; 逻辑论文; 器件论文; 电路论文; 单元论文; 芯片论文; 《电力设备》2018年第24期论文;