基于CPLD的水輪發(fā)電機組轉速監控系統的設計

摘　要：給出了采用CPLD的水輪發(fā)電機組轉速監控系統的設計原理和VHDL的語(yǔ)言描述，該設計具有結構簡(jiǎn)單、成本低和抗干擾性能強等特點(diǎn)。

1　概　述

轉速數據是水輪發(fā)電機組運行狀況的重要標志之一。準確地測量機組的轉速并根據轉速的變化及時(shí)地進(jìn)行各種必要的控制操作，以保證水輪發(fā)電機組正常、安全運行，是該監控裝置應完成的功能。

目前，國內水電站使用的大多是永磁發(fā)電機加電壓繼電器式、機械式等舊式轉速信號器，存在結構復雜、測量精度低、工作可靠性差等缺點(diǎn)。本文所述的水輪發(fā)電機組轉速監控系統是采用CPLD(ComplexProgrammable Logic Device)及少量的接口器件構成的，系統的功能結構描述采用VHDL(Very HighSpeed Integrated Circuit Hardware DescriptionLanguage)。由于采用的CPLD芯片能夠高密度、高速度、高性能地實(shí)現復雜數字系統的設計，使硬件設計大大簡(jiǎn)化。具有設計硬件結構簡(jiǎn)單、測量精度高、抗干擾能力強等特點(diǎn)。

2　設計原理

硬件結構如圖1所示。CPLD芯片是整個(gè)系統設計的核心器件。

2.1　轉速傳感器

本設計中的轉速傳感器采用光電式脈沖編碼器，與待測發(fā)電機主軸同軸相連。傳感器上均勻分布有60個(gè)感光孔，使轉速為n的水輪發(fā)電機，每分鐘有60n個(gè)脈沖輸出，即每秒有n個(gè)脈沖，故可以通過(guò)對傳感器的輸出脈沖頻率fp的測量得到水輪發(fā)電機的轉速值n(脈沖頻率fp與轉速n在數值上相等)。

2.2　輸入電路

輸入電路由施密特觸發(fā)器和光電耦合器件構成，對光電傳感器的輸出脈沖信號進(jìn)行整形放大，并實(shí)現光電傳感器與CPLD的輸入隔離，提高系統的工作可靠性。

2.3　CPLD芯片

由于所有的Altera系列器件都使用CMOS處理工藝，與雙極型工藝相比，具有功耗更低、可靠性更FLEX10K系列CPLD芯片。

FLEX(Flexible Logic ElementMatrix，可更改邏輯單元陣列)10K系列器件是嵌入式PLD產(chǎn)品，每個(gè)FLEX10K器件包含一個(gè)嵌入式陣列和一個(gè)邏輯陣列。嵌入式陣列由一些嵌入式陣列塊(EAB)組成，用于實(shí)現各種復雜的邏輯功能。邏輯陣列由邏輯陣列塊組成，用于實(shí)現通用邏輯。FLEX10K器件采用可重構的CNOSSRAM單元，其結構集成了實(shí)現通用多功能門(mén)陣列所需的全部特征，器件容量可達1萬(wàn)～25萬(wàn)門(mén)。具有功耗低(多數器件在靜態(tài)模式下電流小于0.5 mA)、互連方式靈活、支持多電壓I/O接口等特點(diǎn)，能夠高密度、高速度、高性能地將整個(gè)系統集成于單個(gè)器件中。表1提供了FLEX10K系列典型器件的特性。

考慮本系統的性能、經(jīng)濟性等因素，選用EPF10K10器件完全能滿(mǎn)足設計要求。