基于TMS320F2812的電力系統(tǒng)諧波檢測補償電路設(shè)計
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武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 宮鑫 蔣云峰 張薔 鐘文輝
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/20878.htm 本文從實際應(yīng)用出發(fā)，采用tms320f2812芯片，設(shè)計了諧波檢測、補償電路。利用dsp芯片構(gòu)造了諧波檢測控制主板，三相電流，電壓的采樣電路，以及igbt驅(qū)動的pwm輸出電路。采用瞬時無功功率法對諧波和無功功率進行分析、補償。dsp的硬件設(shè)計
tms320f2812芯片的主要性能
采用高性能靜態(tài)cmos技術(shù)，低功耗（1.8v內(nèi)核電壓，3.3vi/o電壓）；主頻為150mhz，3.3v閃存編程電壓。
支持jtag邊界掃描。
高性能的32位cpu，采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有強大的操作能力，16位×16位和32位×32的mac操作以及16位×16的雙mac，能夠迅速地響應(yīng)和處理中斷，具有統(tǒng)一的寄存器編程模式，可達4mb的線性程序和數(shù)據(jù)地址，代碼高效（使用c/c＋＋和匯編語言）且與tms320f240/lf240x dsp的源代碼兼容。
dsp核心板設(shè)計
dsp核心板基本結(jié)構(gòu)
dsp核心最小系統(tǒng)所需外圍器件較為簡單，由于最小系統(tǒng)在正常供電的情況下也可以工作，所以將這一部分單獨提出來，做成一個小的六層板。單獨的dsp芯片核心板，與諧波檢測，補償板上的較寬的引腳連線區(qū)分開來，防止由檢測、補償電路引入的高頻諧波分量對dsp芯片的干擾。同時，一旦dsp芯片發(fā)生損壞，還可以直接更換，而不用更換整個電路板。這樣，既方便了電路調(diào)試，又方便了設(shè)備的檢修、更換。
tms320f2812內(nèi)核電壓為1.8v，i/o口電壓為3.3v，采用tps767d318芯片來提供所需的兩種電壓。
dsp芯片采用有源晶振作為時鐘源。由于tms320f2812最高可在150mhz的頻率工作，所以通常外接一個30mhz的晶振輸入到x1/xclkin引腳。f2812內(nèi)含一個基于pll的時鐘模塊。該模塊為芯片提供了必要的時鐘信號。pll具有4位比例控制，用來選擇不同的cpu時鐘效率。pllcr寄存器為pll控制寄存器，其3－0位為pll時鐘預(yù)定標選擇位，這4位對輸入時鐘選擇pll倍頻系數(shù)。當將這4位設(shè)置為1010時，系統(tǒng)內(nèi)部時鐘頻率即可達到150mhz。
外圍存儲器擴展
進行瞬時無功功率運算涉及到大量數(shù)據(jù)的存儲和運算，由于編寫的程序較長，需要對芯片進行外部的存儲空間的擴展。設(shè)計存儲器接口時，主要考慮的是存儲器速度?？焖賞rom/eprom可直接與芯片接口，只需將存儲器的地址線和數(shù)據(jù)線相連，輔以必要的譯碼電路即可。當與慢速存儲器接口連接時，必須插入一定的等待狀態(tài)數(shù)。所需等待狀態(tài)數(shù)隨存儲器訪問時間不同而不同。tms320f2812最大可擴展512kb sram。本設(shè)計采用兩片64k×16bit的cy7c1041v33芯片，對dsp芯片擴展了128kb的sram存儲器，配合片內(nèi)128kb全速flash，使得程序調(diào)試變得簡單。
諧波檢測、補償板設(shè)計
諧波抑制技術(shù)一方面涉及到對于變化諧波的動態(tài)補償特性的提高，即通過采樣電路得到電網(wǎng)電壓、電流瞬時值后，能夠迅速進行相關(guān)計算分析，得到控制pwm的補償數(shù)據(jù)；另一方面涉及到諧波檢測電路的穩(wěn)定可靠運行，即dsp發(fā)出的驅(qū)動igbt模塊的pwm信號要能正常對電網(wǎng)進行回饋。
本設(shè)計對采集進入dsp系統(tǒng)的電壓和電流信號采用瞬時無功功率計算方法，并使用5階的butterworth數(shù)字濾波器進行濾波，得到所需補償?shù)闹C波電流數(shù)字量。根據(jù)所要補償?shù)闹C波電流結(jié)果，調(diào)節(jié)輸出的pwm脈沖寬度，從而調(diào)節(jié)ipm功率模塊開通和截止的時間，逆變出相應(yīng)的補償電流進行補償。
三相電壓、電流采樣電路
要進行諧波檢測，首先要通過電流型和電壓型霍爾傳感器將三相電網(wǎng)上每一相的電壓和電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。這6路電壓和電流信號就是要接入諧波檢測、補償板的信號。
圖1所示為單相的電壓信號在諧波檢測、補償板上的變換電路。
由霍爾傳感器轉(zhuǎn)換得到的電壓信號不能直接接入dsp的adc引腳。而要通過圖1所示的電路，使進入adc的電壓信號穩(wěn)定可靠。其他通道的信號采集電路結(jié)構(gòu)與圖1的結(jié)構(gòu)類似。
igbt驅(qū)動接口電路
由于igbt進行逆變涉及到對整流后高壓的操作，因而對igbt進行驅(qū)動就必須設(shè)計其驅(qū)動接口電路。本設(shè)計使用日本三菱公司的pm25rsb120模塊。對dsp芯片輸出的pwm信號使用6n136進行隔離。通過光隔離作用，將pwm驅(qū)動信號和高壓端隔離開來。
軟件設(shè)計
f2812支持cpu級上的1個非屏蔽中斷（nmi）和16個可屏蔽優(yōu)先級中斷請求（int1－int14，rtosint和dlogint）。外設(shè)級上的中斷事件通過外設(shè)中斷擴展模塊（pie）來處理。f2812的pie模塊支持96個中斷，分成12組，每組都被反饋到cpu內(nèi)核的12條中斷線的一條上。pie向量表用來存儲系統(tǒng)的各個中斷服務(wù)子程序isr的22位地址。每個中斷向量都是32位，這些向量保存在專用ram塊中，并可以修改。圖2為f2812典型的中斷響應(yīng)過程。
在執(zhí)行中斷服務(wù)子程序之前，必須將寄存器st0、t、ah、al、ph、pl、ar0、ar1、dp、st1、dbgstat、pc和ier的值保存到堆棧中。
結(jié)語
本文設(shè)計的諧波檢測補償裝置在電力系統(tǒng)的無功補償和有源濾波中有著廣泛的應(yīng)用。
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