一种基于FPGA的多通道采集与控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FPGA的多通道采集与控制系统，包括多通道应变测量子系统、加载控制系统、基于FPGA的多通道采集系统、逆变器开路故障诊断子系统、FPGA核心控制板和测控系统上位机；所述多通道应变测量子系统用于对加载主轴的扭矩进行测量，所述加载控制系统用于对加载主轴的转动进行控制，所述基于FPGA的多通道采集系统用于对风电变流器电网侧和电机侧的电流、电压进行检测；所述逆变器开路故障诊断子系统用于对基于FPGA的多通道采集系统采集的电流进行诊断处理分析。本发明专利技术可用于试验台机械部分和电气部分的测量和控制，来模拟为了模拟不同风况和电网故障情况下风力发电机组的试验数据，从而对风电机组的设计进行优化调整。化调整。化调整。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的多通道采集与控制系统


[0001]本专利技术涉及风电测试
，具体为一种基于FPGA的多通道采集与控制系统。

技术介绍

[0002]随着风电装机容量的不断增加，风力发电机组的运行可靠性对电力供应稳定性的影响越来越大。近年来对风电机组所受的载荷有了更深入的研究，风电并网的可靠性也得到了大幅提高。风机载荷的研究是风机传动链部件级测试的基础，且广泛应用于风电机组的硬件在环组件测试中；而现有的市面上还没有应用于对风机传动链部件测试过程中的数据进行采集和控制的系统。因此我们对此做出改进，提出一种基于FPGA的多通道采集与控制系统。

技术实现思路

[0003]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了如下的技术方案：
[0004]本专利技术一种基于FPGA的多通道采集与控制系统，包括多通道应变测量子系统、加载控制系统、基于FPGA的多通道采集系统、逆变器开路故障诊断子系统、FPGA核心控制板和测控系统上位机；所述多通道应变测量子系统用于对加载主轴的扭矩进行测量，所述加载控制系统用于对加载主轴的转动进行控制，所述基于FPGA的多通道采集系统用于对风电变流器电网侧和电机侧的电流、电压进行检测；所述逆变器开路故障诊断子系统用于对基于FPGA的多通道采集系统采集的电流进行诊断处理分析；所述多通道应变测量子系统、基于FPGA的多通道采集系统和加载控制系统均与FPGA核心控制板电连接；所述逆变器开路故障诊断子系统与测控系统上位机电性连接；所述FPGA核心控制板与测控系统上位机电连接；
[0005]所述FPGA核心控制板用于接收多通道应变测量子系统的扭矩测量结果，所述FPGA核心控制板可根据接收到的扭矩测量结果控制加载控制系统工作。
[0006]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述多通道应变测量子系统包括带有压力传感器的扭矩测量装置，所述扭矩测量装置安装在加载主轴上且对加载主轴的扭矩进行测量，所述扭矩测量装置内设有微处理器、蓝牙和4G 传输模块；所述压力传感器经第一AD信号采集电路与微处理器电连接，所述微处理器经蓝牙和4G传输模块与测控系统上位机通信连接。
[0007]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述加载控制系统包括带有加载主轴的加载系统，所述加载系统上设有驱动加载主轴转动的驱动电机，所述驱动电机经变频器控制，所述变频器与FPGA核心控制板电连接，所述FPGA 核心控制板通过控制变频器来控制驱动电机进行变频工作。
[0008]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述基于FPGA的多通道采集系统包括FPGA数据处理终端以及对风电变流器电网侧和电机侧的电流、电压进行检测的电流电压传感器，所述FPGA数据处理终端经第二AD信号采集模块与电流电压传感器电连接；所述FPGA数据处理终端经以太网分别与 FPGA核心控制板以及逆变器开路故障诊断子系统电连接。
[0009]作为本专利技术的一种优选技术方案，对所述的基于FPGA的多通道采集系统中采集到的风电变流器电网侧和电机侧的电压测量结果进行标定，标定的方法是，利用万用表同步测量电压值，将万用表同步测量得到的电压值与基于FPGA的多通道采集系统中采集的电压值进行一次多项式方法进行线性拟合，从而得到拟合函数关系。
[0010]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述逆变器开路故障诊断子系统的诊断方法是，包括以下几个步骤，
[0011]步骤1、采集到的电流信号进行预处理，获得去除噪音干扰的电流信号；
[0012]步骤2、再将除噪音干扰的电流信号转换为无阈值递归图；
[0013]步骤3、通过卷积神经网络实现电流信号无阈值递归图中非线性特征的自学习，并建立电流信号的分类模型；
[0014]步骤4、利用电流信号的分类模型对后续的电流信号来对逆变器故障进行识别。
[0015]作为本专利技术的一种优选技术方案，在所述步骤1之前搭建NPC型三电平逆变器的仿真模型，所述仿真模型主要包括A、B、C三相桥臂和IGBT 开关管控制器，每一相桥臂由4个IGBT功率开关管和2个钳位二极管组成，通过正弦波脉宽调制的方法控制桥臂中IGBT的打开与关断，实现直流至交流的逆变过程；通过控制IGBT的通断，输出为正弦规律的脉冲宽度，并在相同的时间内使其输出的数字信号脉冲电压的面积与标准电网正弦波的面积相等；通过控制IGBT的触发信号来模拟不同的开路故障状态；从而测量得到不同的电流信号。
[0016]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述的通过控制IGBT的触发信号来模拟不同的开路故障状态的方法是，以三电平逆变器A相开路故障为例，创建SS1为开关S1的导通模块，创建恒定值0作为开关S1的开路故障模块，
[0017]当SS1导通模块接在开关S1上时，输出为SPWM脉冲；当恒定值 0作为开路故障模块接在开关S1上时，输出恒定值0，相当于不提供脉冲，用于模拟IGBT高功率开关管的开路故障。
[0018]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述的NPC型三电平逆变器的仿真模型进行故障分类，包括以下几种情况，
[0019]a、IGBT功率开关全部正常运行，无故障发生；
[0020]b、只有1个IGBT功率开关发生故障；
[0021]c、同一桥臂上不同半桥的2个IGBT功率开关同时发生故障；
[0022]d、同一桥臂上相同半桥的2个IGBT功率开关同时发生故障；
[0023]e、不同桥臂上相同半桥的2个IGBT功率开关同时发生故障；
[0024]f、交叉连接即不同桥臂且不同半桥上的2个IGBT功率开关同时发生故障；
[0025]其中为b～d中的IGBT功率开关故障均发生在同一根桥臂上，只对三相电流中的单相电流有影响，所以将b～d定义为简单故障；其中e～f中的 IGBT功率开关故障发生在不同的桥臂上，对三相电流中的两相电流有影响，故将e～f定义为复杂故障；通过控制IGBT的触发信号来模拟不同的开路故障状态，并且得到各开路故障状态下的电流信号的波形图。
[0026]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述的通过卷积神经网络实现电流信号无阈值递归图中非线性特征的自学习的方法，首先再传统的具有卷积层、池化层以及平均池化层的卷积神经网络的神经网络中引入残差网络结构形成改良型卷积神经网络，在残差网络结构中，通过捷径连接的方式，增加一个恒等映射，把目标值H(X)和x的差值作为学习目标；
[0027]所述步骤3中，采集到的电流信号分为训练集和测试集，并将训练集和测试集输入到建立电流信号的分类模型，得到分类结果，将把宏平均作为分类效果的评价指标，其相关的平均召回率和平均精确度计算公式为，
[0028][0029][0030]其中式中，Macro_R为平均召回率，Macro_R为平均精确度。
[0031]本专利技术的有益效果是：
[0032]1、该种基于FPGA的多通道采集与控制系统由多通道应变测量子系统、加载控制系统、基于FPGA的多通道采集系统、逆变器开路故障诊断子系统、FPGA核心控制板和测控系统上位机构成，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的多通道采集与控制系统；其特征在于：包括多通道应变测量子系统（1）、加载控制系统（2）、基于FPGA的多通道采集系统（3）、逆变器开路故障诊断子系统（4）、FPGA核心控制板（5）和测控系统上位机（6）；所述多通道应变测量子系统（1）用于对加载主轴的扭矩进行测量，所述加载控制系统（2）用于对加载主轴的转动进行控制，所述基于FPGA的多通道采集系统（3）用于对风电变流器电网侧和电机侧的电流、电压进行检测；所述逆变器开路故障诊断子系统（4）用于对基于FPGA的多通道采集系统（2）采集的电流进行诊断处理分析；所述多通道应变测量子系统（1）、基于FPGA的多通道采集系统（3）和加载控制系统（2）均与FPGA核心控制板（5）电连接；所述逆变器开路故障诊断子系统（4）与测控系统上位机（6）电性连接；所述FPGA核心控制板（5）与测控系统上位机（6）电连接；所述FPGA核心控制板（5）用于接收多通道应变测量子系统（1）的扭矩测量结果，所述FPGA核心控制板（5）可根据接收到的扭矩测量结果控制加载控制系统（2）工作。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多通道采集与控制系统，其特征在于，所述多通道应变测量子系统（1）包括带有压力传感器（7）的扭矩测量装置（8），所述扭矩测量装置（8）安装在加载主轴上且对加载主轴的扭矩进行测量，所述扭矩测量装置（8）内设有微处理器（9）、蓝牙和4G传输模块（10）；所述压力传感器（7）经第一AD信号采集电路（11）与微处理器（9）电连接，所述微处理器（9）经蓝牙和4G传输模块（10）与测控系统上位机（6）通信连接。3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多通道采集与控制系统，其特征在于，所述加载控制系统（2）包括带有加载主轴（16）的加载系统（17），所述加载系统（17）上设有驱动加载主轴（16）转动的驱动电机（18），所述驱动电机（18）经变频器（19）控制，所述变频器（19）与FPGA核心控制板（5）电连接，所述FPGA核心控制板（5）通过控制变频器（19）来控制驱动电机（18）进行变频工作。4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多通道采集与控制系统，其特征在于，所述基于FPGA的多通道采集系统（3）包括FPGA数据处理终端（12）以及对风电变流器电网侧和电机侧的电流、电压进行检测的电流电压传感器（13），所述FPGA数据处理终端（12）经第二AD信号采集模块（14）与电流电压传感器（13）电连接；所述FPGA数据处理终端经（12）以太网分别与FPGA核心控制板（5）以及逆变器开路故障诊断子系统（4）电连接。5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多通道采集与控制系统，其特征在于，对所述的基于FPGA的多通道采集系统中采集到的风电变流器电网侧和电机侧的电压测量结果进行标定，标定的方法是，利用万用表同步测量电压值，将万用表同步测量得到的电压值与基于FPGA的多通道采集系统中采集的电压值进行一次多项式方法进行线性拟合，从而得到拟合函数关系。6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多通道采集与控制系统，其特征在于，所述逆变器开路故障诊断子系统的诊断方法是，包括以下几个步骤，步骤1、采集到的电流信号进行预处理，获得去除噪音干扰的电流信...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜建军，刘磊，张永明，陈国初，黄彦兴，袁帅，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：