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基于现场可编程门阵列的高压脉冲电场设备控制器研制

更新时间：2019-12-24 17:56:47 大小：1M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：现场可编程门阵列高压脉冲电场 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

为更加快速稳定有效地控制高压脉冲电场设备,提高设备的稳定性、可调性和易用性,研制了1套基于现场可编程门阵列(FPGA)的高压脉冲电场(PEF)设备控制器.控制器包括用于人机交互操作的工控计算机触摸屏终端、执行控制任务的FPGA控制器及其附属外围电路3部分.FPGA控制器采用Cyclone系列的高速处理芯片,附属电路包括触发信号电平转换、光电隔离部分以及电压电流反馈部分.控制器能够连续调节脉冲波形的频率、占空比,以及实现对于高压IGBT的触发和过流监控,控制脉冲电场的电压电流等功能.通过实验室测试证实,系统较好地实现了设计目标,研制出频率(10～104 Hz)、占空比(2～10μs)、电压(0～35kV)均可连续实时调节的高压脉冲电场发生器,同时其具有很强的扩展能力,能够配合新型脉冲发生器使用.

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高电压技术

V01．41，No．12：4021-4026

第4l卷第12期：4021-4026

2015年12月31日

December

31，2015

High VoltageEngineering

DOI：10．133360．1003—6520．hve．2015．12．021

基于现场可编程门阵列的高压脉冲电场设备

控韦IJ器研制

张若兵，张星，刘怀宇，陈致远

(清华大学深圳研究生院，深圳518055)

摘要：为更加快速稳定有效地控制高压脉冲电场设备，提高设备的稳定性、可调性和易用性，研制了l套基于

现场可编程门阵JIrJ(FPGA)的高压脉冲电场(PEF)设备控制器。控制器包括用于人机交互操作的工控计算机触摸屏

终端、执行控制任务的FPGA控制器及其附属外围电路3部分。FPGA控制器采用Cyclone系列的高速处理芯片，

附属电路包括触发信号电平转换、光电隔离部分以及电压电流反馈部分。控制器能够连续调节脉冲波形的频率、

占空比，以及实现对于高压IGBT的触发和过流监控，控制脉冲电场的电压电流等功能。通过实验室测试证实，

系统较好地实现了设计目标，研制出频率(10,--104

kV)均可连续实时调节的高压

Hz)、占空比(2-10雌)、电压(0～35

脉冲电场发生器，同时其具有很强的扩展能力，能够配合新型脉冲发生器使用。

关键词：食品处理：脉冲电场：现场可编程门阵列；高频；高压；现场可编程门阵列；控制器

for

Electric Field GeneratorDevice

Pulsed

ofController

Development

High—voltage

Basedon

Gate

Array

Field-programmable

ZHANG_{Ruobing，ZHANG}

Xing，LIUHuaiyu，CHEN Zhiyuan

^{School at}Shenzhen，Tsinghua University,Shenzhen

(Graduate

8055，China)

control the

electric

new

effective，a

Abstract：To

faster,more stable，and

field(PEF)generator

high—voltage pulsed

field

device

based on

with

controller for

electrical

higII—voltage pulsed

field—programmable gate array(FPGA)was developed．

of all industrial

touch screen used for man-machine

The controller consists

control

computer

operation，a

from_Cyc·

chipsets

uses

other external circuits．FPGA

hiigh speed

field-programmable gate array(FPGA)controller,and

lone．External circuits consists of the

trigger-signal voltage convertor,photoelectric isolation，and voltage-current

can

thedrive of

feedback．The controller Call

the

wave’S

and

realize

adjust

output

frequency

duty cycle continuously,and

ofthe and current ofPEF

voltage

goal，Gall

IGBTs．the surveillance ofIGBT’Sovercurrentas well asthe control

output．

high-voltage

The tests in

confirm that the

has achieved the

laboratory

design

produce high voltage

tO 35 kV,

system

from to

wave

from 10 to 10

kHz，duty

the

10茚and _voltage

high

pulsed—electrical· field output

frequency

cycle

re·

and has the extended _{capability．The}new controller

and and meets the

portability

flexibility

enlarges

equipment

control

system．

ofthenew

electric field

equipment

quirements

high-voltage pulse

electric

words：food

Key

process；pulsed

field；field．-programmable gate array；high· · frequency；high voltage；insulated

transistor；controller

gate bipolar

中有着广泛的应用前景¨ J。脉冲电场不仅能够在物

理过程中促进物质改性以及在化学反应中加快反应

0引言

脉冲电场(pulsed^electricfield，PEF)在工业生产

速度，而且在生物应用方面对于细胞系统也有着非

常重要的影响。细胞膜在高频脉冲电场作用下将出

现穿孔和破碎，高压脉冲电场技术可用于提取细胞

内的成分怛J。脉冲电场技术的另～主要应用领域在

于液态食品的杀菌13J，在美国，脉冲电场杀菌技术

已经实现小规模工业化。总的来说脉冲电场在工业

基金资助项目：国家高技术研究发展计划(863计划)(201IAAl00801)；

国家自然科学基金(51177082)；深圳市科技计划项目

(JCYJ201304021450023991。

Proiect

Nationai

Research and

Pro-

Development

supported by

High—tech

Natural Science

Technology

Project

gram

China(863 Program)(2011AAl00801)，National

of China and

Foundation

f51177082)。Science

Shenzhen(JCYJ20130402145002399)．

万方数据

高电压技术

上有很大的发展潜力。

能丰富稳定成熟，但是存在体积大且笨重、能耗高、

不利于整套系统集成等缺点。本文采用基于ARM

架构的嵌入式触摸屏工控计算机作为人机交互终

端，研制出频率(10～104 Hz)、占空LL(2～10¨ s)、电

压(0--35 kV)均可连续实时调节的高压脉冲电场发

生器。其同时具有脉冲电场的电压电流实时监控测

量、IGBT的故障报警功能，可扩展其他功能的高

压脉冲电场发生系统控制器。并满足了现有设备的

控制要求，同时为下一步设计新型高压脉冲电场系

统奠定了基础ll¨ 6l。

在脉冲电场处理的过程中，随着外界条件的变

化，就要求l套脉冲电场发生设备能够灵活地改变

脉冲电场的各项主要参数，如输出电压、脉冲宽度、

极性、脉冲频率及占空比等。同时为了保证脉冲电

场的处理效果，还必须保证在全部输出范围内脉冲

波形质量都要保持良好，其中包括对上升沿下降沿

的陡度、上、下过冲的幅度及方波脉冲的顶部平坦

度的要求等卜川。此外，随着设备状态检测手段的扩

充以及工业化的生产要求，要求脉冲电场设备的控

制系统具有较好的扩展能力，能够与新型检测手段

和通信方式相匹配，如要能够接驳实时视频信号、

温度信号甚至远程控制等等。在此基础上还要保证

整个系统的可靠性、稳定性、经济性以及通用性。

固态开关在开断速度和稳定性方面相比传统

气体开关具有很强的优势，近年来随着研究的发展，

其开断容量相比以往也有了很大提升。最新的脉冲

电场设备中广泛大量应用了大容量固态开关绝缘栅

1高压脉冲电场设备控制器设计

1．1高压脉冲电场控制器的原理

典型的高压脉冲电场发生装置的原理如图1所

示，其中的主要部分包括高压直流电源、脉冲成形

模块、控制器、脉冲变压器和负载处理室共5部分。

图1中的实线表示脉冲能量流动。高压直流电

源为脉冲成形模块提供初始能量，脉冲成型模块初

步产生较低电压的方波脉冲，其组成可以是电容对

负载直接放电或Marx形式的发生器№J，也可以是脉

冲线或脉冲形成网络。在脉冲成型模块之后，低压

成型脉冲被送到变压器部分，通过脉冲变压器提高

电压，最后将脉冲能量送到负载处理室中，进而在

负载端得到高压脉冲电场。

双极性晶体管(insulated

gate bipolartransistor，IGBT)

来实现开断功能。相应的，脉冲电场发生设备控制

器一个重要功能就是要准确迅速地触发脉冲电场发

生设备中的IGBT开关。同时为了保护IGBT开关，

还要能够接收IGBT状态反馈，确保IGBT的安全。

在实际使用中，PEF设备控制器的另一部分功能是

时刻监测负载端电流电压，实现电源的反馈控制，

以保证系统的安全和脉冲电场参数的稳定准确。在

正常工作的同时，脉冲电场发生设备控制器还要能

够抵抗产生高压脉冲电场所带来的强烈的电磁干

扰，保证设备的坚强性。

图1中的虚线表示控制信号。控制器通过控制

高压直流电源内部固态开关的开断策略来实现一定

电压的输出，同时接收电压值信号从而实现反馈控

制，保证输出电压的平稳。控制单元通过控制脉冲

成形模块的目的在于实现脉冲参数调节，同时还要

监测脉冲成型模块中IGBT的过流情况。控制单元

还要接收来自于脉冲变压器输出端以及处理室的反

馈信号，这些信号包括电流信号以及其他可监测的

状态参数，这些信号都在控制器中进行反馈，保证

设备安全。整套系统由上述两部分组成，共同形成

了控制一反馈环路，同时又实现了高低电压的分离，

构成完整的高压脉冲电场发生设备。

ar—

现场可编程门阵列(field—programmable gate

ray，FPGA)具有体系结构简单、逻辑单元灵活、集

成度高以及通用性好等特点。对于脉冲电场发生设

备自身所处的强电磁干扰环境而言，FPGA具有的

抗强电磁干扰能力十分必要p¨ 。其可反复擦写的特

性使得人们可以根据实际需要修改脉冲电场发生设

备控制策略，实现了控制器核心的通用性。而基于

RISC machines，

高级精简指令集计算机(advanced

瞰嘉H鳖萎篓H热H蕊l

ARM)处理器架构的工业控制计算机具有功能全、

成本低、性能稳定、质量可靠、扩展人机界面友好

控制器

等特点，可以替代现有的个人计算机完成控制器的

参数输入以及运行状态反馈的功能瞵_川。

图1高压脉冲电场设备结构框图

ofa_typical

在现有文献中相关的脉冲电场控制器都是基

于个人计算机(personal computer，PC)，PC虽然功

Diagram

PEF

system

Fig．1

万方数据

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