基于dsp和cpld構(gòu)架有源電力濾波器綜合控制系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于DSP和CPLD構(gòu)架有源電力濾波器綜合控制系統(tǒng)，其信號(hào)通過(guò)信號(hào)預(yù)處理模塊送入DSP和CPLD主控制器模塊，DSP和CPLD主控制器模塊中的各個(gè)部分通過(guò)20位地址總線(xiàn)以及16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算后通過(guò)I/O控制接口模塊以及光纖驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制主電路中各個(gè)元件器工作，硬件保護(hù)模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障保護(hù)，顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)參數(shù)顯示，本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是：利用高速DSP實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的檢測(cè)控制算法，迅速計(jì)算出諧波電流并將其轉(zhuǎn)化為高精度可控PWM信號(hào)完成三相橋式電路中六個(gè)開(kāi)關(guān)管的控制；一方面提升了控制能力，另一方面提供邏輯譯碼信號(hào)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中其他器件正常工作。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
基于DSP和CPLD構(gòu)架有源電力濾波器綜合控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電力綜合控制系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)是涉及有源電力濾波器綜合控制系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，電力電子設(shè)備廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。現(xiàn)代用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生了質(zhì)的變化，各種非線(xiàn)性和時(shí)變性用電設(shè)備如逆變器、整流器、煉鋼電弧爐和乳鋼機(jī)等的接入，對(duì)電能質(zhì)量造成其日益明顯的負(fù)面效應(yīng)。據(jù)2008年11月歐盟電能質(zhì)量調(diào)查報(bào)告顯示，僅在歐洲每年因電能質(zhì)量和電器污染引起的經(jīng)濟(jì)損失就高達(dá)1500億美元。雖然國(guó)內(nèi)目前還未見(jiàn)圍繞電能質(zhì)量問(wèn)題而展開(kāi)的調(diào)查，但是可以預(yù)見(jiàn)的是，電能質(zhì)量直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的總體效益，如何提高電能質(zhì)量已成為一個(gè)急迫解決的重要課題。
[0003]有源電力濾波器作為一種新型的電力電子裝置，不僅能對(duì)電力系統(tǒng)諧波進(jìn)行有效地抑制，還在一定程度上兼有無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)墓δ?。其控制裝置的優(yōu)劣決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)和補(bǔ)償效果。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展和成熟，利用全數(shù)字化控制技術(shù)來(lái)改善控制系統(tǒng)性能也得到了越來(lái)越多的認(rèn)可。有源電力濾波器的特征要求快速、無(wú)靜差的跟蹤上諧波信號(hào)，決定了其對(duì)控制的實(shí)時(shí)性要求非常高，控制系統(tǒng)必須能實(shí)時(shí)檢測(cè)出負(fù)載電流中包含的諧波/無(wú)功分量，利用生成的指令電流實(shí)時(shí)地控制主電路逆變部分的輸出，達(dá)到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電網(wǎng)諧波/無(wú)功電流的目的。然而傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)普遍存在運(yùn)行速度較慢，采樣精度不高，跟蹤性能不好等特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的技術(shù)缺陷，提供一種基于高速DSP數(shù)字信號(hào)處理器和CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件為構(gòu)架的有源電力濾波器綜合控制系統(tǒng)，該綜合控制系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)高精度的信號(hào)采樣，還能通過(guò)先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法以及現(xiàn)代控制理論實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的諧波分離與補(bǔ)償跟蹤，實(shí)現(xiàn)有源電力濾波器的可靠運(yùn)行。
[0005]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)缺陷:基于DSP和CPLD構(gòu)架有源電力濾波器綜合控制系統(tǒng)，其主要包括6個(gè)基本模塊:信號(hào)預(yù)處理模塊、硬件保護(hù)模塊、I/O控制接口模塊、光纖驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、DSP和CPLD主控制器模塊，其中信號(hào)通過(guò)信號(hào)預(yù)處理模塊送入DSP和CPLD主控制器模塊，DSP和CPLD主控制器模塊中的各個(gè)部分通過(guò)20位地址總線(xiàn)以及16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算后通過(guò)I/O控制接口模塊以及光纖驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制主電路中各個(gè)元件器工作，硬件保護(hù)模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障保護(hù)，顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)參數(shù)顯示。
[0006]所述信號(hào)預(yù)處理模塊分別對(duì)源側(cè)電壓負(fù)載電流、補(bǔ)償電流、直流電壓輸入電流信號(hào)進(jìn)行電阻取樣，并將該取樣信號(hào)送入抗混疊濾波器，經(jīng)限幅處理后送入A/D芯片，同時(shí)信號(hào)預(yù)處理模塊還將提取源側(cè)電壓的相位方波信號(hào)，并將此相位方波信號(hào)送入DSP軟件鎖相環(huán)中得到倍頻信號(hào)控制A/D的同步采樣。
[0007]所述系統(tǒng)中的保護(hù)對(duì)象包括直流側(cè)電壓的欠壓/過(guò)壓狀態(tài)和補(bǔ)償電流的過(guò)流狀態(tài)，本系統(tǒng)中設(shè)置兩套保護(hù):一套為軟件保護(hù)，由軟件實(shí)時(shí)計(jì)算得到；另一套為硬件保護(hù)，采用傳統(tǒng)的保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)；硬件保護(hù)模塊電路抽取傳感器的信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波后與參考量同時(shí)送入滯環(huán)比較電路，得到一組保護(hù)狀態(tài)信號(hào)，并將信號(hào)送入CPLD鎖存。
[0008]所述I/O控制模塊主要用于輸入/輸出的開(kāi)關(guān)量信號(hào)控制，對(duì)繼電器、狀態(tài)燈以及蜂鳴器，根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)其進(jìn)行有效的控制。
[0009]所述光纖驅(qū)動(dòng)模塊將DSP和CPLD主控制器模塊產(chǎn)生的PffM電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，極大提高了控制信號(hào)在惡劣的電磁干擾環(huán)境下的抗干擾能力。
[0010]所述顯示模塊為有源電力濾波器提供友好的人機(jī)界面，使其調(diào)控能力更加靈活，顯示模塊包含一個(gè)單片機(jī)stcl2c5a60s2模塊與RS232模塊組成，DSP將數(shù)據(jù)送入單片機(jī)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)打包加幀后經(jīng)RS232模塊與智能液晶模塊進(jìn)行通訊，控制其顯示系統(tǒng)狀態(tài)、實(shí)時(shí)波形以及頻譜分析結(jié)果界面。
[0011]本發(fā)明采用上述技術(shù)解決方案所能達(dá)到的有益效果在于:
1、利用高速DSP實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的檢測(cè)控制算法，迅速計(jì)算出諧波電流并將其轉(zhuǎn)化為高精度可控PWM信號(hào)完成三相橋式電路中六個(gè)開(kāi)關(guān)管的控制；
2、利用CPLD作為控制I/O口擴(kuò)展以及邏輯信號(hào)處理，一方面提升了本發(fā)明的控制能力，另一方面提供邏輯譯碼信號(hào)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中其他器件正常工作；
3、控制板與開(kāi)關(guān)管之間采用光纖連接，實(shí)現(xiàn)了PffM信號(hào)的光電隔離，直接避免了嘲雜環(huán)境下的電磁干擾，極大的增強(qiáng)的系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性；
4、控制系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)設(shè)置一個(gè)單片機(jī)作為信號(hào)通訊中轉(zhuǎn)，分別采用高速SPI與低速SCI同DSP和外部HMI觸摸液晶屏相連，極大的減輕了 DSP系統(tǒng)進(jìn)行通訊時(shí)的CPU的負(fù)擔(dān)。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明的整體模塊示意圖；
圖2是本發(fā)明中DSP和CPLD主控制器模塊示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖對(duì)技術(shù)方案的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述:
如圖1所示，本發(fā)明基于DSP和CPLD構(gòu)架有源電力濾波器綜合控制系統(tǒng)，其主要包括6個(gè)基本模塊:信號(hào)預(yù)處理模塊1、硬件保護(hù)模塊2、DSP和CPLD主控制器模塊3、I/O控制接口模塊4、光纖驅(qū)動(dòng)模塊5和顯示模塊6，
如圖1所示，待檢測(cè)的模擬信號(hào)從現(xiàn)場(chǎng)傳感器通過(guò)DB9標(biāo)準(zhǔn)接插件輸出，利用帶屏蔽電纜將各路模擬信號(hào)輸入到信號(hào)預(yù)處理模塊1，信號(hào)預(yù)處理模塊I中包括高精度電阻采樣、由雙極性TVS管組成的限幅環(huán)節(jié)、由高精度高壓擺率運(yùn)放組成的二階壓控濾波器，現(xiàn)場(chǎng)傳感器輸出的4~20mA模擬信號(hào)通過(guò)高精度電阻轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，通過(guò)TVS管限幅以保護(hù)后續(xù)電路，該電壓信號(hào)通過(guò)抗混疊濾波器濾除高頻干擾，并輸入給DSP和CPLD主控制器模塊3，
如圖1所示，DSP和CPLD主控制器模塊3中包含兩個(gè)片外并行雙極性ADC，該片外并行雙極性ADC同時(shí)支持內(nèi)部參考電壓基準(zhǔn)和外部參考電壓基準(zhǔn)，通過(guò)DSP和CPLD的控制信號(hào)使能同步采樣轉(zhuǎn)換，片外并行雙極性ADOC的轉(zhuǎn)換結(jié)果由地址總線(xiàn)直接輸入DSP和CPLD主控制器模塊3進(jìn)行后續(xù)算法處理，
如圖1所示，硬件保護(hù)模塊2作為一種模擬方式保護(hù)，其快速性和可靠性是軟件保護(hù)所不具備的，硬件保護(hù)模塊2提供過(guò)流、過(guò)壓、欠壓等重要故障保護(hù)，具體思路是通過(guò)運(yùn)放進(jìn)行模擬電平變換，并將該變換結(jié)果送入一個(gè)高速比較器，整定保護(hù)閥值由電位器靈活提供，當(dāng)某一時(shí)刻模擬信號(hào)超過(guò)了保護(hù)閥值的上下限，高速比較器輸出一個(gè)電平并將其鎖存用于硬件封鎖PWM輸出以及告知用戶(hù)故障信號(hào)，
如圖1所示，I/O控制接口模塊4用于輸入/輸出的開(kāi)關(guān)量信號(hào)控制，由DSP和CPLD主控制器模塊3輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離、驅(qū)動(dòng)放大、限流、電平轉(zhuǎn)換等電路輸出，值得注意的是開(kāi)光量輸出控制信號(hào)帶載能力有限，若是需要控制大功率負(fù)載還需要配置一套適合的驅(qū)動(dòng)電路，由外部輸入的開(kāi)光量控制信號(hào)也經(jīng)過(guò)光耦隔離、驅(qū)動(dòng)放大、限流、電平轉(zhuǎn)換等電路輸入至DSP和CPLD主控制器模塊3，
如圖1所示，光纖驅(qū)動(dòng)模塊5是DSP和CPLD主控制器模塊3的核心控制部分，光纖的高速傳輸以及極強(qiáng)的抗干擾特性為PWM信號(hào)的輸出提供了有力保障，由DSP輸出的PffM信號(hào)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片以及光纖隔離驅(qū)動(dòng)信號(hào)送入光纖輸出接插頭，以光的形式在光纖介質(zhì)中傳輸給另一側(cè)驅(qū)動(dòng)控制電路，
如圖1所示，顯示模塊6是本發(fā)明中人機(jī)交互的核心，顯示模塊6由一個(gè)專(zhuān)用的單片機(jī)驅(qū)動(dòng)，具體過(guò)程是DSP和CPLD主控制器模塊3通過(guò)高速SPI通訊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳送給MCU，MCU將接收的數(shù)據(jù)打包并加入幀頭幀尾配合觸摸液晶屏的協(xié)議通過(guò)SCI通訊驅(qū)動(dòng)該觸摸液晶屏，
如圖2所示，DSP和CPLD主控制器模塊3的示意圖主要包括CPLD及外圍器件模塊、ADC以及外圍模塊、外擴(kuò)模塊、鐵電存儲(chǔ)模塊、DSP及外圍器件模塊，該DSP和CPLD主控制器模塊3采用20位地址總線(xiàn)和16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)進(jìn)行各個(gè)部分的數(shù)據(jù)交換，所有的模擬信號(hào)必須通過(guò)ADC以及外圍模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)算法處理，其中ADC以及外圍模塊的使能信號(hào)由CPLD及外圍器件模塊譯碼得到，ADC以及外圍模塊的時(shí)序要求全部由CPLD及外圍器件模塊進(jìn)行處理，ADC以及外圍模塊的轉(zhuǎn)換結(jié)果由16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)進(jìn)行傳輸，對(duì)于DSP及外圍器件模塊而言，這種設(shè)計(jì)提升了整個(gè)控制系統(tǒng)的靈活操作能力。
[0014]如圖2所示，外擴(kuò)模塊利用20根地址總線(xiàn)和16根數(shù)據(jù)總線(xiàn)與DSP及外圍器件模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，外擴(kuò)模塊中的RAM和FLASH提升了 DSP計(jì)算變量復(fù)雜度以及代碼存儲(chǔ)功能，為整個(gè)控制系統(tǒng)提供良好的擴(kuò)展性。
[0015]如圖2所示，鐵電存儲(chǔ)模塊通過(guò)兩根總線(xiàn)SCL以及SDA與DSP交換數(shù)據(jù)，因?yàn)殍F電存儲(chǔ)器的非易失性，常常利用鐵電存儲(chǔ)模塊存放運(yùn)行過(guò)程中的重要參數(shù)。鐵電存儲(chǔ)模塊還內(nèi)置一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，方便運(yùn)行過(guò)程中的生成實(shí)時(shí)狀態(tài)報(bào)告。
[0016]如圖2所示，CPLD及外圍器件模塊在基于總線(xiàn)的數(shù)據(jù)交換中起著譯碼作用，通過(guò)16位地址總線(xiàn)和8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)進(jìn)行譯碼，譯碼的信號(hào)直接作用于A(yíng)DC以及外圍模塊以及外擴(kuò)模塊，有效避免了總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)沖突以及時(shí)序紊亂。同時(shí)，CPLD及外圍器件模塊還可以作為可編程邏輯控制擴(kuò)展I/O 口，增強(qiáng)本發(fā)明控制系統(tǒng)的控制能力。
[0017]本發(fā)明采用了基于DSP和CPLD構(gòu)架展開(kāi)的數(shù)字綜合控制系統(tǒng)，該綜合控制系統(tǒng)集成了高精度同步采樣、高速算法實(shí)現(xiàn)、高擴(kuò)展性等功能，同時(shí)專(zhuān)門(mén)配置了光纖傳輸抗干擾優(yōu)化以及易于操控的基于觸摸液晶屏的顯示模塊，無(wú)論是整體控制性能還是友好的人機(jī)操作性上都較傳統(tǒng)控制系統(tǒng)有了很大程度的提升。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于DSP和CPLD構(gòu)架有源電力濾波器綜合控制系統(tǒng)，其特征在于:其主要包括6個(gè)基本模塊:信號(hào)預(yù)處理模塊、硬件保護(hù)模塊、I/O控制接口模塊、光纖驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、DSP和CPLD主控制器模塊，其中信號(hào)通過(guò)信號(hào)預(yù)處理模塊送入DSP和CPLD主控制器模塊，DSP和CPLD主控制器模塊中的各個(gè)部分通過(guò)20位地址總線(xiàn)以及16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算后通過(guò)I/O控制接口模塊以及光纖驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制主電路中各個(gè)元件器工作，硬件保護(hù)模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障保護(hù)，顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)參數(shù)顯示。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP和CPLD構(gòu)架有源電力濾波器綜合控制系統(tǒng)，其特征在于:所述信號(hào)預(yù)處理模塊分別對(duì)源側(cè)電壓負(fù)載電流、補(bǔ)償電流、直流電壓輸入電流信號(hào)進(jìn)行電阻取樣，并將該取樣信號(hào)送入抗混疊濾波器，經(jīng)限幅處理后送入A/D芯片，同時(shí)信號(hào)預(yù)處理模塊還將提取源側(cè)電壓的相位方波信號(hào)，并將此相位方波信號(hào)送入DSP軟件鎖相環(huán)中得到倍頻信號(hào)控制A/D的同步采樣。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP和CPLD構(gòu)架有源電力濾波器綜合控制系統(tǒng)，其特征在于:所述系統(tǒng)中的保護(hù)對(duì)象包括直流側(cè)電壓的欠壓/過(guò)壓狀態(tài)和補(bǔ)償電流的過(guò)流狀態(tài)，本系統(tǒng)中設(shè)置兩套保護(hù):一套為軟件保護(hù)，由軟件實(shí)時(shí)計(jì)算得到；另一套為硬件保護(hù)，采用傳統(tǒng)的保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)；硬件保護(hù)模塊電路抽取傳感器的信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波后與參考量同時(shí)送入滯環(huán)比較電路，得到一組保護(hù)狀態(tài)信號(hào)，并將信號(hào)送入CPLD鎖存。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP和CPLD構(gòu)架有源電力濾波器綜合控制系統(tǒng)，其特征在于:所述I/O控制模塊主要用于輸入/輸出的開(kāi)關(guān)量信號(hào)控制，對(duì)繼電器、狀態(tài)燈以及蜂鳴器，根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)其進(jìn)行有效的控制。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP和CPLD構(gòu)架有源電力濾波器綜合控制系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖驅(qū)動(dòng)模塊將DSP和CPLD主控制器模塊產(chǎn)生的PffM電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，極大提高了控制信號(hào)在惡劣的電磁干擾環(huán)境下的抗干擾能力。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP和CPLD構(gòu)架有源電力濾波器綜合控制系統(tǒng)，其特征在于:所述顯示模塊為有源電力濾波器提供友好的人機(jī)界面，使其調(diào)控能力更加靈活，顯示模塊包含一個(gè)單片機(jī)stcl2c5a60s2模塊與RS232模塊組成，DSP將數(shù)據(jù)送入單片機(jī)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)打包加幀后經(jīng)RS232模塊與智能液晶模塊進(jìn)行通訊，控制其顯示系統(tǒng)狀態(tài)、實(shí)時(shí)波形以及頻譜分析結(jié)果界面。
【文檔編號(hào)】H02J3/18GK105990836SQ201510314964
【公開(kāi)日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2015年6月11日
【發(fā)明人】羅皓文, 嚴(yán)文潔, 羅軍, 易健雄, 劉黎
【申請(qǐng)人】國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司荊門(mén)供電公司, 國(guó)家電網(wǎng)公司