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數字信號處理器(DSP)在串聯型電力有源濾波器中的應用
曹然,高亮,蔣平,唐國慶
摘要: 在串聯型有源濾波器的研制過程中,我們采用了美國德州儀器公司(TI)的TMS320F240數字信號處理器(DigitalSignalProcessor),極大地方便了軟硬件的開發,加快了研制的進程。
Abstract:
Key words :

1引言

應用電力電子技術抑制諧波,以改善電能質量的新技術——電力有源濾波器" title="有源濾波器">有源濾波器(ActivePowerFilter)已成為近年來電力系統研究領域中新的熱點。國際上以抑制諧波電流為目的的并聯型電力有源濾波器應用居多,而隨著電壓敏感性負載不斷增多,以電壓畸變治理為主的串聯型" title="串聯型">串聯型有源濾波器,正顯示著越來越大的利用價值。同時,它又是進一步研究綜合電能質量補償器的前提條件,因此,對串聯型有源濾波器進行研究有著重大的意義。

在串聯型有源濾波器的研制過程中,我們采用了美國德州儀器公司(TI)的TMS320F240數字信號處理器(DigitalSignalProcessor),極大地方便了軟硬件的開發,加快了研制的進程。

TMS320F240具有下述特點【2】【3】:

(1)50ns的指令周期,在一個指令周期內可完成

一次乘法和一次加法;

(2)大容量的片內存儲器:包含544字×16位的

片內數據/程序雙口(DualAccess)RAM,16k字×16位的片內FlashEEPRO,共計224k字×16位存儲器地址范圍(64k數據,64k程序和I/O以及32k全局存儲器空間);

(3)事件管理模塊:12路比較/脈沖寬度調制

(PWM)通道,3個16位通用定時器,3個死區控制的16位全比較單元,4個捕獲單元;

(4)雙10位A/D" title="A/D">A/D轉換模塊;

(5)基于鎖相環(PLL)的時鐘模塊;

(6)看門狗定時器模塊(具有實時中斷功能);

(7)6個外部中斷(電源驅動保護、復位、NMI及3種可屏蔽中斷)。

充分使用TMS320F240DSP芯片構成的實用系統,具有擴充的外圍電路少、控制電路簡單、控制手段靈活、易調試和易維護等很多特點。

2以DSP為核心的硬件結構

串聯型電力有源濾波器主電路由串聯電路和并聯電路組成,結構如圖1所示。

圖1串聯型電力有源濾波器主電路

圖2以DSP為核心的控制結構框圖

串聯電路功能是:檢測電網畸變電壓,分離出需要補償的電壓并產生控制信號,生成補償電壓注入電網,實現電壓補償的功能。并聯電路功能是:檢測有源濾波器輸入電流,生成電流控制信號,從而維持電容電壓恒定和保證設備功率因數。同時,作為一個實用裝置,還必須實現相應的投入、切除手段和故障情況下的保護手段。

控制電路以DSP為核心,其結構框圖如圖2所示。

電網電壓、電流經過傳感器后變成+5V~-5V的弱電信號,經過調理電路后變成0~5V的信號,其中從電壓互感器來的A相電壓信號經帶通濾波后送入鎖相分頻模塊,產生采樣保持分頻窄脈沖信號來控制保持電路,使之每個工頻周期保持指定點。而分頻窄脈沖經過處理電路的處理后作為DSP內部A/D的起動信號使用。

主電路的控制采用兩片TMS320F240。一片作為主DSP,除負責并聯整流控制(產生并聯側整流及輸入電流控制PWM信號驅動并聯側主電路)外,還承擔整套裝置的協調工作,包括投入切除算法控制,故障保護控制及故障檢測功能。它的輸出信號一部分用于控制驅動模塊以得到恒定的直流電容電壓,另一部分控制主電路繼電器。而另一片作為從DSP,用于串聯側的電壓補償PWM控制信號的產生,TMS320F240將電壓電流采樣信號經過DSP檢測算法運算后生成補償信號,補償信號通過TMS320F240內部PWM控制模塊產生PWM控制信號送給驅動模塊,經由驅動模塊驅動主電路生成補償電壓注入電網。

3DSP軟件的設計

DSP完成了APF系統中的絕大多數功能,為了完成這些功能,除用到TMS320F240的核心部分外,還充分應用了F240片內的許多外圍模塊,如A/D模塊,事件處理模塊和外部中斷功能。整個算法由并聯側與串聯側算法構成。

3.1并聯側DSP軟件算法

(1)整體軟件流程

并聯側DSP除完成并聯整流算法外,還需要完成APF設備的投入和切除算法,故障檢測和故障控制算法" title="控制算法">控制算法。圖3是并聯側DSP軟件算法的流程圖。

如圖3所示,當DSP起動后首先進行設備初始化操作,結束后進行設備投入電網操作,然后DSP空閑,等待中斷的發生,一旦中斷出現,運行相應的中斷處理程序,處理完成后DSP空閑等待另一個中斷的發生。A/D變換,控制算法和PWM產生等一系列過程都在外部中斷XINT3中斷服務程序中完成。

在設備初始化過程中,完成對故障檢測中斷設置、DSP的PLL鎖相時鐘模塊設置,外部中斷XINT2和XINT3的初始化設置和PWM的比較方式、輸出方式和死區設置等功能,最后進行繼電器控制狀態設置,用于控制繼電器動作和接收繼電器當前狀態的I/O口和外部I/O空間。

(2)中斷服務的設計

圖3并聯側DSP軟件算法的流程圖

并聯側的中斷服務子程序是軟件算法的最主要的組成部分,控制算法的實現、故障的檢測和保護等主要算法都通過中斷服務子程序來實現。并聯側中斷服務子程序有3個:XINT2中斷、XINT3中斷、PDPINT(功率驅動保護中斷)。

XINT3中斷處理程序的作用是對并聯側的輸入電流進行處理,并執行相應的控制算法,以取得相應的電壓補償信號,作為PWM控制信號產生的輸入。最終通過PWM控制主電路IGBT有規律的開關動作,以維持直流電容電壓的恒定。XINT2中斷服務在A相電壓過零時響應,通過XINT2中斷和XINT3中斷聯合完成控制算法中的同步邏輯。故障中斷的作用是當系統發生中斷時,檢測各故障線的故障信號以判斷發生的故障類型,并采取相應的保護措施。

3.2串聯側DSP軟件算法

串聯側僅完成補償電壓控制信號的生成,僅需要XINT2、XINT3中斷服務子程序,并在XINT3的中斷服務程序中采用相應的電壓補償PWM控制策略。

4結語

在串聯型有源濾波器中采用數字信號處理器,所有算法均通過編程完成,易調試、易維護、所占空間小,不易受干擾,與傳統的硬件模擬方法比較有著巨大的優勢,在響應速度滿意的情況下,可以逐步地取代硬件模擬法。因此,數字信號處理器有著廣闊的應用前景,也將會受到越來越多的重視。

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