基于TMS320F2812的電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

基于TMS320F2812的電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 宮鑫 蔣云峰 張薔 鐘文輝

本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，采用TMS320F2812芯片，設(shè)計(jì)了諧波檢測(cè)、補(bǔ)償電路。利用DSP芯片構(gòu)造了諧波檢測(cè)控制主板，三相電流，電壓的采樣電路，以及IGBT驅(qū)動(dòng)的PWM輸出電路。采用瞬時(shí)無(wú)功功率法對(duì)諧波和無(wú)功功率進(jìn)行分析、補(bǔ)償。
DSP的硬件設(shè)計(jì)
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(qiáng)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(dá)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(yǔ)言）且與TMS320F240/LF240X DSP的源代碼兼容。
DSP板設(shè)計(jì)
DSP板基本結(jié)構(gòu)
DSP系統(tǒng)所需外圍器件較為簡(jiǎn)單，由于系統(tǒng)在正常供電的情況下也可以工作，所以將這一部分單獨(dú)提出來(lái)，做成一個(gè)小的六層板。單獨(dú)的DSP芯片板，與諧波檢測(cè)，補(bǔ)償板上的較寬的引腳連線區(qū)分開(kāi)來(lái)，防止由檢測(cè)、補(bǔ)償電路引入的高頻諧波分量對(duì)DSP芯片的干擾。同時(shí)，一旦DSP芯片發(fā)生損壞，還可以直接更換，而不用更換整個(gè)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(lái)提供所需的兩種電壓。
DSP芯片采用有源晶振作為時(shí)鐘源。由于TMS320F2812可在150MHz的頻率工作，所以通常外接一個(gè)30MHz的晶振輸入到X1/XCLKIN引腳。F2812內(nèi)含一個(gè)基于PLL的時(shí)鐘模塊。該模塊為芯片提供了必要的時(shí)鐘信號(hào)。PLL具有4位比例控制，用來(lái)選擇不同的CPU時(shí)鐘效率。PLLCR寄存器為PLL控制寄存器，其3－0位為PLL時(shí)鐘預(yù)定標(biāo)選擇位，這4位對(duì)輸入時(shí)鐘選擇PLL倍頻系數(shù)。當(dāng)將這4位設(shè)置為1010時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘頻率即可達(dá)到150MHz。
外圍存儲(chǔ)器擴(kuò)展
進(jìn)行瞬時(shí)無(wú)功功率運(yùn)算涉及到大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和運(yùn)算，由于編寫(xiě)的程序較長(zhǎng)，需要對(duì)芯片進(jìn)行外部的存儲(chǔ)空間的擴(kuò)展。設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器接口時(shí)，主要考慮的是存儲(chǔ)器速度?？焖貾ROM/EPROM可直接與芯片接口，只需將存儲(chǔ)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(dāng)與慢速存儲(chǔ)器接口連接時(shí)，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(chǔ)器訪問(wèn)時(shí)間不同而不同。TMS320F2812可擴(kuò)展512KB SRAM。本設(shè)計(jì)采用兩片64K×16bit的CY7C1041V33芯片，對(duì)DSP芯片擴(kuò)展了128KB的SRAM存儲(chǔ)器，配合片內(nèi)128KB全速Flash，使得程序調(diào)試變得簡(jiǎn)單。

諧波檢測(cè)、補(bǔ)償板設(shè)計(jì)

諧波抑制技術(shù)一方面涉及到對(duì)于變化諧波的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償特性的提高，即通過(guò)采樣電路得到電網(wǎng)電壓、電流瞬時(shí)值后，能夠迅速進(jìn)行相關(guān)計(jì)算分析，得到控制PWM的補(bǔ)償數(shù)據(jù)；另一方面涉及到諧波檢測(cè)電路的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，即DSP發(fā)出的驅(qū)動(dòng)IGBT模塊的PWM信號(hào)要能正常對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行回饋。

本設(shè)計(jì)對(duì)采集進(jìn)入DSP系統(tǒng)的電壓和電流信號(hào)采用瞬時(shí)無(wú)功功率計(jì)算方法，并使用5階的Butterworth數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，得到所需補(bǔ)償?shù)闹C波電流數(shù)字量。根據(jù)所要補(bǔ)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(kāi)通和截止的時(shí)間，逆變出相應(yīng)的補(bǔ)償電流進(jìn)行補(bǔ)償。

三相電壓、電流采樣電路

要進(jìn)行諧波檢測(cè)，首先要通過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。這6路電壓和電流信號(hào)就是要接入諧波檢測(cè)、補(bǔ)償板的信號(hào)。

圖1所示為單相的電壓信號(hào)在諧波檢測(cè)、補(bǔ)償板上的變換電路。

由霍爾傳感器轉(zhuǎn)換得到的電壓信號(hào)不能直接接入DSP的ADC引腳。而要通過(guò)圖1所示的電路，使進(jìn)入ADC的電壓信號(hào)穩(wěn)定可靠。其他通道的信號(hào)采集電路結(jié)構(gòu)與圖1的結(jié)構(gòu)類(lèi)似。

IGBT驅(qū)動(dòng)接口電路

由于IGBT進(jìn)行逆變涉及到對(duì)整流后高壓的操作，因而對(duì)IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)就必須設(shè)計(jì)其驅(qū)動(dòng)接口電路。本設(shè)計(jì)使用日本三菱公司的PM25RSB120模塊。對(duì)DSP芯片輸出的PWM信號(hào)使用6N136進(jìn)行隔離。通過(guò)光隔離作用，將PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)和高壓端隔離開(kāi)來(lái)。

軟件設(shè)計(jì)

F2812支持CPU級(jí)上的1個(gè)非屏蔽中斷（NMI）和16個(gè)可屏蔽優(yōu)先級(jí)中斷請(qǐng)求（INT1－INT14，RTOSINT和DLOGINT）。外設(shè)級(jí)上的中斷事件通過(guò)外設(shè)中斷擴(kuò)展模塊（PIE）來(lái)處理。F2812的PIE模塊支持96個(gè)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(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)的各個(gè)中斷服務(wù)子程序ISR的22位地址。每個(gè)中斷向量都是32位，這些向量保存在專(zhuān)用RAM塊中，并可以修改。圖2為F2812典型的中斷響應(yīng)過(guò)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(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的諧波檢測(cè)補(bǔ)償裝置在電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償和有源濾波中有著廣泛的應(yīng)用。

  

參考文獻(xiàn):

[1]. TMS320F2812 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/TMS320F2812_1116432.html.
[2]. TPS767D318 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/TPS767D318_891323.html.
[3]. PM25RSB120 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/PM25RSB120_551380.html.
[4]. 6N136 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/6N136_91362.html.