三相四線制有源電力濾波器軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　核心控制系統(tǒng)模塊，主要由一片高性能32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320LF2812 和一片CPLD芯片EPM7256AE以及相關(guān)外圍電路組成。其主要功能是：將數(shù)據(jù)采集電路輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，計(jì)算得出補(bǔ)償指令電流，然后生成并發(fā)出控制逆變器的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，并且根據(jù)不同的故障狀態(tài)產(chǎn)生不同的保護(hù)動(dòng)作，協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯、擴(kuò)展I/O接口、簡(jiǎn)化外圍電路等功能。

　　數(shù)據(jù)采集電路，主要負(fù)責(zé)電壓、電流等模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換等處理。由于被檢測(cè)的電壓電流量數(shù)值比較大,數(shù)值遠(yuǎn)超過(guò)DSP允許的輸入信號(hào)范圍，因此，需要把這些模擬電信號(hào)降低，并將電流量變換為電壓量，雙極性信號(hào)變成單極性信號(hào)，并進(jìn)行電平匹配，A/D 轉(zhuǎn)換后送入DSP進(jìn)行運(yùn)算。實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)述如下：電壓、電流信號(hào)(包括2個(gè)直流母線電壓、3個(gè)負(fù)載電流以及3個(gè)補(bǔ)償器輸出電流)經(jīng)電流型霍爾傳感器變換后，在高精度采樣電阻上形成與原信號(hào)成比例的電壓信號(hào)，再經(jīng)濾波、隔離、電平變換后，得到0～3V模擬量輸入電壓，最后經(jīng)12位A/D變換后進(jìn)入DSP內(nèi)處理。模擬量輸入調(diào)理電路如圖3所示。

　　圖3 模擬量輸入信號(hào)調(diào)理電路

　　同步檢測(cè)電路，主要功能是產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓頻率、相位相同的同步工作脈沖信號(hào)以及256倍電網(wǎng)基波頻率的A/D同步采用啟動(dòng)信號(hào)。實(shí)際中，由于電網(wǎng)的頻率總會(huì)在50Hz上下發(fā)生波動(dòng)，因此為保證電網(wǎng)參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，在測(cè)量過(guò)程中需要跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，隨時(shí)修正A/D的采樣周期，以保證采樣速率不變。同步檢測(cè)電路實(shí)質(zhì)是一過(guò)零電壓比較器，將一相電源交流輸入信號(hào)變換成方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三相電源電壓的相位檢測(cè)，利用方波信號(hào)的跳變觸發(fā)DSP產(chǎn)生中斷，以便計(jì)算電網(wǎng)頻率和控制DSP的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)刻。

　　PWM隔離驅(qū)動(dòng)電路，是將控制系統(tǒng)模塊產(chǎn)生的光驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過(guò)功率放大處理后，最終輸出6路PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變主電路IGBT的驅(qū)動(dòng)控制。當(dāng)裝置出現(xiàn)過(guò)流、短路等故障時(shí)，立即封鎖IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖，并向核心系統(tǒng)控制模塊發(fā)送保護(hù)信號(hào)。

　　硬件保護(hù)電路，為了保證APF可靠穩(wěn)定的工作，該補(bǔ)償裝置需要有完善的保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)補(bǔ)償裝置發(fā)生短路、過(guò)流、過(guò)壓、超溫、欠壓等故障時(shí)，故障信號(hào)經(jīng)過(guò)故障檢測(cè)電路處理后，立即封鎖PWM驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，并進(jìn)行報(bào)警等處理，控制APF系統(tǒng)自動(dòng)退出運(yùn)行，以保護(hù)系統(tǒng)安全。

　　3 并聯(lián)有源濾波器的控制算法與控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)部分主要是以DSP和CPLD 為核心,完成數(shù)據(jù)采集、相位跟蹤、指令電流運(yùn)算、補(bǔ)償電流跟蹤控制、直流側(cè)電壓控制、PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制、系統(tǒng)保護(hù)、顯示等功能。其中指令電流運(yùn)算和補(bǔ)償電流跟蹤控制是APF的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響著它的性能。

　　3.1 指令電流運(yùn)算部分[2]

　　綜合考慮各種檢測(cè)算法的準(zhǔn)確性，實(shí)時(shí)性和復(fù)雜性，本文采用改進(jìn)的瞬時(shí)無(wú)功功率理論進(jìn)行指令電流運(yùn)算。即先求出其零序電流分量,將零序電流分量從各相電流中剔除后,就可以利用三相三線制情況下的瞬時(shí)無(wú)功功率理論 ， 檢測(cè)法進(jìn)行檢測(cè),進(jìn)而求出三相四線制系統(tǒng)中的諧波、負(fù)序、零序、無(wú)功在內(nèi)的補(bǔ)償電流指令信號(hào)。指令電流運(yùn)算電路原理圖如圖4所示。圖中

　　圖4 指令電流運(yùn)算電路原理圖

　　3.2 補(bǔ)償電流跟蹤控制部分

　　補(bǔ)償電流跟蹤控制部分，本文采用定時(shí)滯環(huán)比較的控制方法來(lái)產(chǎn)生PWM控制信號(hào)。該方法是把補(bǔ)償電流的指令信號(hào) 和實(shí)際的補(bǔ)償電流信號(hào) 進(jìn)行比較，兩者的偏差 作為滯環(huán)比較器的輸入，并用DSP內(nèi)部的時(shí)鐘定時(shí)器計(jì)時(shí)，每隔一個(gè)計(jì)時(shí)周期對(duì)偏差 的比較結(jié)果進(jìn)行判斷，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路來(lái)控制IGBT的通斷，從而控制補(bǔ)償電流 的變化，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償功能。

　　3.3控制系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

　　由于TMS320F2812的運(yùn)算速度非?？?，因而可以采用C語(yǔ)言編程，減少開(kāi)發(fā)軟件所需的時(shí)間。在程序的具體編寫(xiě)中，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將DSP要實(shí)現(xiàn)的控制功能劃分為若干個(gè)功能模塊，將每一個(gè)功能模塊用一個(gè)子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用時(shí)只需對(duì)相應(yīng)的子程序進(jìn)行調(diào)用即可，有利于對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試、維護(hù)和升級(jí)?？刂葡到y(tǒng)軟件主要分為5部分：主程序、指令電流檢測(cè)子程序、PWM控制子程序、電網(wǎng)頻率檢測(cè)子程序和數(shù)據(jù)采集子程序。為了提高控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，軟件設(shè)計(jì)時(shí)還增加了軟件陷阱、數(shù)字濾波、看門(mén)狗技術(shù)等抗干擾措施。

　　本文主程序流程圖如圖5所示。主程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的循環(huán)控制，工作過(guò)程簡(jiǎn)述如下：首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，以保證DSP及所有外設(shè)的初始化狀態(tài)正常;然后系統(tǒng)進(jìn)入到主程序循環(huán)中，系統(tǒng)先進(jìn)行故障自檢，若有故障，進(jìn)行故障處理，保證系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行;若系統(tǒng)無(wú)故障發(fā)生，則等待同步采樣控制信號(hào)中斷的發(fā)生，系統(tǒng)進(jìn)入到對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序中進(jìn)行頻率檢測(cè)和A/D轉(zhuǎn)換等;然后進(jìn)行直流側(cè)電壓控制;指令電流計(jì)算;軟啟動(dòng)控制等，若是啟動(dòng)過(guò)程，則采用軟啟動(dòng)方式，否則直接輸出PWM控制信號(hào)。這樣就完成了對(duì)一個(gè)采樣周期的控制，然后程序返回，進(jìn)行下一次采樣循環(huán)控制。