低压无功补偿控制系统硬件设计

系统的硬件设计系统硬件上采用TI公司的32位定点TMS320LF2812DSP进行控制，具有运算速度高、实时性好等优势。晶闸管投切电容器的使用，并且利用全数字的控制和界面的实时显示等，采用综合无功功率来实现控制等，充分展示了电容器的优势功能。检测、控制、执行和电源这四个部分共同组成了TSC的硬件电路。4.1系统硬件总框图根据系统硬件总框图，控制器直接连接电网电压，确定输入线的电压小于660V，并且同时连接电流互感器，确定输入电流要小于5A，以上多产生的信号受到信号调理的作用，使其信号的幅值进一步把减小，使得电压值需小于或者等于3.3V。而后，连接起DSP的ADC将和已经减小的电压信号，以DSP的采样功能、分析功能和计算计算功能，最终得到科学计算结果。另外，DSP还起到了电容器电路的控制保护作用。最终的计算结果由MCU输送到液晶显示器当中。对于控制器所有关键参数变动的记录主要由EEPROM来实现[12]。对于2个CPU来说，两者之间的数据传送则利用双口RAM来实现。图4.1系统硬件总框图Fig.4.1Generalblockdiagramofsystemhardware4.2系统各功能模块4.2.1电源模块一般的，对低压无功补偿控制器来说，其系统工作所需要的直流电源电压有多种数值，如+12V，﹣12V，+5V以及+3.3V等。而电网中的电压则一般为220V或者是380V，那么如何让电网电压直接与其相连，这就需要变压器的作用。+12V电源和-12V电源不但是继电器工作的驱动电压，而且又起到维持整个控制系统正常运转的作用。+5V电源既是DSP和液晶的输入电源，同时也是MCU及各逻辑芯片的供电电源。+3.3V电源则是为FPGA和DSP提供电能。所以需要将电网中的电能转换为低压无功补偿控制器需要的+12V，﹣12V，+5V和+3.3V的直流电。如图4.2，电网中220V的电压通过变压器输出+12V，﹣12V和+5V三种不同的电压信号。分别利用电压稳压块7812和7805获取+12V和+5V的电压。如图4.3，+3.3V电压是通过TI公司的TPS767将+5V的电压转化为+3.3V[13]。图4.2+12V和+5V电源产生模块Fig.4.2+12Vand+5Vpowergenerationmodule图4.3+3.3V电源产生模块Fig.4.3+3.3Vpowergenerationmodule4.2.2电流、电压信号调整电路信号分为电压信号和电流信号，如图4.4，电网中的电流信号已经经过了一次LMA1_0.5型电流互感器，此时的电流信号小于5A，但是此时的电流信号并不能直接被AD采样采集，因为AD只能接收一定范围的模拟信号，所以需利用0.1级的TA-200将小于5A的电流信号转化为毫安级别的信号，并利用电阻得到小电压信号，再将这个电压信号经过跟随、放大、上拉等操作调节成AD可以直接采样的-2.5V~2.5V的电压信号。第一级运算放大器起到电压跟随的作用。第二级运算放大器将双极性信号转换为单极性信号，起到极性变换的作用。第三级运算放大器将信号中的高频干扰过滤，起到低通滤波的作用。电压信号的调整与电流信号基本一致，如图4.5，电网中的电压信号通过电压互感器NDK（BK）-50和电压信号调整电路后变成0~3.3V的电压并传送至AD进行采样。图4.4电流信号调理电路Fig.4.4Currentsignalconditioningcircuit图4.5电压信号调理电路Fig.4.5Voltagesignalconditioningcircuit4.2.3AD采样模块本文所进行的TSC低压无功补偿控制系统硬件设计主要使用的是TMS320系列DSP，TMS320F2812是TMS320C28x系列的代表产品，是32位定点DSP，32位定时器，具有158MIPS、片内128KFlash、56个I/O，16通道12位ADC，采用TMS320F2812数字信号处理器进行数据的采集与分析[14]。由于DSP需要对采样数据进行连续快速傅里叶变换，运算复杂，所以由TI公司的ADS7864进行数据采集，如图4.6，ADS7864具有6路输入通道且具有同时保持放大的功能，ADS7864特有的并行接口能与六个FIFO寄存器连接，便于更快速地捕获数据。ADS7864的特点：（1）6通道同时采样；（2）全差分输入；（3）每个通道转换时间2ms；（4）保证无失码；（5）并行接口；（6）低功耗：50mW；（7）6个FIFO寄存器。图4.6AD采样电路Fig.4.6ADsamplingcircuit4.2.4锁相同步采样电路如图4.7所示为锁相同步采样电路，其锁相同步功能主要有两个部分实现，一是CD4046，即锁相环集成芯片，二是CD4040，即分频计数器芯片。其中CD4046是常见的CMOS锁相环集成电路，适用范围较广，主要适用于3V~18V的电源电压、100MΩ的输入阻抗的情况。除此之外，CD4046还具有能耗较低的特点，例如在10kHz的中心频率条件下其能耗约为600μW。由两个信号相位同步组成，对其进行自动控制从而得到一个闭环式的锁相环，用PLL表示。图4.7锁相同步采样电路Fig.4.7Phaselockedsynchronoussamplingcircuit对于CD4040来说，它是一种二进制串行的计数器，所采用的是主从触发器，其计数器的计数功能于下降沿开始工作，当CR在高电平的条件下，计数器将会清零。在脉冲上升或者是下降的过程中，对于时间的约束几乎没有，这是由于所采用的触发器为斯米特触发器，不管是输入还是输出，都是经过缓冲完成的。4.2.5FPGA模块FPGA芯片型号为EPF10K，它是Altera公司2000年推出的2.5V、低价格的SRAM工艺FPGA器件。该器件当实现存储器的功能的时候，共有6个EAB，而EAB可实现RAM、ROM、双口RAM或FIFO功能。每一个EAB提供4096比特的存储容量。该器件有30000个典型门，最大可达到119000个门。逻辑单元数为1728个，全部RAM为24576位。最大用户I/O引出端数为171个。它还包含一个嵌入式阵列，用来实现存储器和专用的逻辑功能；包含一个逻辑阵列用来实现逻辑，可以在数字信号处理、宽域数据路径管理、数据变换和微处理器等中应用。对于可重构CMOSSRAM单元来说，它具有较大的特征优势，如可以适用于大多数的门阵列宏功能，正因为如此，如图4.8所示的FPGA工作电路图，它以可以重构的CMOSSRAM单元作为基础条件，所采用的电源电压为2.5V，利用逻辑和存储器处理功能等，满足实际的工作需求。图4.8FPGA工作电路Fig.4.8FPGAworkingcircuit4.2.6通信模块通讯包括控制器内部DSP与MCU之间的通讯和控制器与PC间的通讯，分别用双口RAM和MAX232完成。(1)CPU间通讯:DSP和MCU的数据交换主要由双口RAM来实现，具体可见图4.9的通讯接口电路图。如果在进行数据的采集、分析、计算以及过程的控制、实时显示等过程中，仅仅利用1片DSP，将会大大增加系统的运行时间。所以，为了缓解DSP强大的工作压力，可以再增加1片MCU，主要进行一些实时性不太高的任务，从而让DSP更专心地实施其处理功能。(2)使用MAX232完成5V逻辑电平与RS232电平之间的转换。如图4.10所示。图4.9双口RAM与MCU间的通讯接口电路Fig.4.9CommunicationinterfacecircuitbetweendualportRAMandMCU图4.10串口通信模电路Fig.4.10Serialcommunicationmodulecircuit4.2.7人机对话模块本系统设计的按键只有4个，控制参数的而控制主要由键盘来完成，手动或者是自动方式都可以。因此采用一个键对应一条输入位线的接法。四个键分别对应增加、减少、确定、返回四个功能，通过这四个按键的组合，基本实现了菜单的操作，参数的输入和输出等功能。液晶选用FYD12864-0420B型液晶屏幕作为显示屏，是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，由于该模块在接口方式以及操作指令方面上具有较大的优势，有利于人机交互的实现。该模块在操作方面非常简单只需要适当的电源即可，在液晶显示屏和MCU之间的接口方式的选择方面则采用直接接口方式。图4.11液晶与MCU连接电路Fig.4.11LCDandMCUconnectioncircuit4.2.8逻辑电平转换电路（1）不同逻辑电平的接口问题：一旦逻辑器件的电源电压出现不同的数值情况，于是，对于其相互接口来说，有关逻辑器件的问题就异常突出。比如最大允许电压、电源之间的电流互串以及门限电平的转换等问题，都需要进一步的研究与解决。（2）DSP与MCU混合逻辑系统中的接口设计:由于DSP端逻辑电平为3.3V逻辑，而MCU端为5V逻辑。所以，为了实现逻辑电平的转换，本文选择74LVC4245，仅仅转换双口RAM和DSP之间的数据交换，如数据线转换、地址线转换以及控制信号等。4.2.9可控硅驱动模块（1）隔离电路：如图4.12，通过光耦将主控制器与可控硅驱动电路进行隔离，防止驱动电路干扰主控制器。主控制器的控制信号首先经过ULN2003驱动芯片，增强信号的驱动能力，再通过光耦芯片TLP521_4，将信号送至可控硅驱动电路[15]。（2）可控硅驱动电路：从图4.13中可以看出，在控制MOSFET的通断控制脉冲变压器中流经控制信号（由光耦输出），可以实现控制投入以及切除可控硅。其中稳压管、二极管以及小电阻是在MOSFET关断时给脉冲变压器中的电感提供续流通路，防止因电感放电引起过电压而损坏MOSFET。图4.12隔离电路Fig.4.12Isolationcircuit图4.13可控硅驱动电路Fig.4.13SCRdrivecircuit4.2.10补偿电容器过载电流调理模块（1)补偿电容器过载电流调理电路：在图4.14中，首先进行CT的数据采集，从而完成电流信号的转变，以便于形成电压信号，其次通过阻值较小的电阻后，此时的信号将通入滤波电路，随后流经精密整流电路，最终将原有的交流信号转变为现在的直流信号。由此可得到的直流信号分别传送给DSP和过载电流监控比较电路，前者保护数字计算，后者则保护硬件。其中上述中所说的精密整流电路，它的主要组成部分是LM324运放芯片，当交流信号较小时，可以用该电路完成对交流信号的整流。第一级和第三级运放都是电压跟随和阻抗匹配电路，第二级运放是整流电路。（2）补偿电容器过载电流监控比较电路：在图4.15中，通过电流调理电路之后，从而对直流信号进行输出，并比较该信号与参考电压的大小，根据比较的结果来看电容是否出现过流。如果该输出电流的大小大于参考信号，那么电容出现过流情况，如果小于参考信号，那么电容则没有出现过流情况。图4.14补偿电容器过载电流调理电路Fig.4.14Overloadcurrentregulationcircuitofcompensationcapacitor图4.15补偿电容器过载电流监控比较电路Fig.4.15Comparisoncircuitofoverloadcurrentmonitoring4.2.11其他辅助模块（1）复位电路:用于对MCU及液晶进行复位，包括上电复位及手动按键复位。其中TPS767作为电平监控芯片，当OUT脚输出电平小于2.9V时，直接给DSP发送复位信号，而MCU和液晶则可以使用手动按键进行复位。（2）EEPROM24LC256:MCU将直接对图4.16中所展示的电容器容量、互感器变比以及继电保护等参数进行读取，然后将这些读取的数据经由双口RAM，最后达到DSP。如果系统参数发生一定的改变，那么可以通过实时修改来实现。（3）时间模块:如图4.17，采用DS1302时钟芯片来完成时间的存储及设置，实现原理如图所示。其中VBACK为电池，防止系统掉电后设置的时间丢失。图4.16EEPROM和MCU连接图Fig.4.16EEPROMandMCUconnectiondiagram图4.17DS1302和MCU连接图Fig.4.17DS1302andMCUconnectiondiagram4.3系统硬件设计电路图系统硬件设计电路图，见附录A。参考文献[1]编委会.最新电力系统各种无功补偿滤波器装置选型设计制造新工艺标准手册.北京：中国电子科技出版社，2009[2]王化祥.传感器原理及应用.天津：天津大学出版社，2002[3]何建平.电气传动.重庆：重庆大学出版社，2002[4]王成元.现代电机控制技术.北京：机械工业出版社，2009[5]李宏.现代电力电子技术基础.北京：机械工业出版社，2009[6]林静然.基于TI.DSP的通用算法的实现.北京：电子工业出版社，2008[7]王兴贵.现代电力电子技术.北京：中国电力出版社，2010[8]陈伯时.电力拖动自动控制系统.第3版.北京：机械工业出版社，2009[9]王兆安，黄俊