基于DSP的配电静止同步补偿器控制器的设计

摘要DistributionStaticCompensatorTMS320LF2407本控制器装置由主电路、控制电路、驱动电路组成。本文按信号流程来阐述，最小系统、信号采集、信号处理。最小系统包括芯片、键盘显示、扩展ROM/RAM等。信号采集包括PT（电压互感器）/CT（电流互感器）、信号调理、A/D转换。关键词：最小系统；信号采集；信号处理AbstractDigitalSignalProcessingDistributionStaticSynchronousCompensatorKeyWords：Digitalsignalprocessing(DSP)；DistributionStaticCompensatorD-STATCOM；DSPsmallestsystem；Signalgathering；Signalprocessing目录摘要第1章绪论 1第1.1节课题的来源及意义 1第1.2节D-STATCOM控制器设计的研究现状 3第1.3节D-STATCOM补偿电流检测技术的研究现状 5第1.4节D-STATCOM的优越性 8第1.5节论文的主要内容及章节安排 9第2章DSP器件的简介及D-STATCOM的工作原理 11第2.1节DSP器件的特点 11第2.2节TMS320LF2407的特点 13第2.3节TMS320LF2407的结构 14第2.4节选择DSP芯片注意事项 16第2.5节D-STATCOM的基本原理 17第3章基于DSP的D-STATCOM控制器设计 25第3.1节基于DSP的D-STATCOM的控制系统硬件结构 25第3.2节控制系统软件部分 36总结 41参考文献 42致谢 44第1章绪论第1.1节课题的背景及意义电能作为人们广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平和综合国力的主要标志之一。在满足工业生产、社会和人民生活对电能需求量的同时，提高对电能质量的要求是一个国家工业生产发达、科技水平提高、社会文明程度进步的表现，是增强用电效率、节能降损、改善环境、提高国民经济的总体效益以及工业生产可持续发展的技术保证。随着现代科学技术的发展，近年来，配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路等负荷不断增加。这些负荷的非线性、冲击性和不平衡性的用电特性，使网络中的电压、电流波形发生畸变，或引起电压波动、闪变和三相不平衡。此外，系统侧发生的雷击线路、投切电容器组、短路。断路等，都给供电质量造成严重干扰。另一方面，随着现代工业技术的不断发展和计算机技术的广泛应用，用电设备对电能质量更加敏感。低劣的供电质量将导致低劣的产品质量，特别是在重要工业生产过程中，供电的突然中断将会带来巨大的经济损失。据美国官方统计，近20年来全球范围内因电能质量引起的重大电力事故已达20多起，每年因电能质量扰和电气环境污染引起的国民经济损失高达300亿美元，电能质量直接关系到国民经济的总体效益。如何提高和保证电能质量，已成为迫切需要解决的重要课题之一。电能质量的优劣已经成为电力系统运行与管理水平高低的重要标志，控制和改善电能质量也是保证电力系统自身可持续发展的必要条件。电能质量问题已不仅仅是电力系统中电压和频率等的基本技术问题，它已被提升为关系到整个电力系统及设备的安全、稳定、经济、可靠运行，关系电气环境工程保护，关系整个国民经济的总体效益和发展战略。因此，开展电能质量控制技术的研究及相关电能质量调节装置的开发具有重要的现实意义和战略意义，成为了近年来电气工程领域研究的热点之一。N.H.Hingorani于1986年提出了灵活交流输电系统（FACTS）的概念。FACTS技术发展的两个重要特点，一是不断采用新器件，另一个特点是装置多样化,应用范围更广。一方面继续向高压大容量方向发展，另一方面，向中低压配电网的应用发展，宗旨是提高用户侧的电能质量，称之为用户电力技术。用户电力技术（Custompower）的概念最早于1988年由N.H.Hingoran博士提出，这是一种应用现代电力电子技术、计算机技术和控制技术，按用户特定要求提供电力供应并实现对电能质量控制的技术。我国一些学者称用户电力技术为DFACTS，认为是FACTS技术在配电系统应用的延伸，并做了大量的研究。1996年，日本北海道大学和茨城大学的学者正式提出了与上述概念相似的FRIENDS（FlexibleReliableandIntelligentElectricEnergyDeliverySystem），并组织“FRIENDS研究会”。两者目的都是为了建立灵活、可靠的电力供应系统，更好地满足用户需求。用户电力技术是一种将电力电子技术、微处理机技术、控制技术等高新技术运用于中、低压配电和用电系统中，以减小谐波畸变，消除电压波动和闪变、各相电压的不对称和供电的短时中断，从而提高供电可靠性和电能质量的新型综合技术。用户电力技术的提出为电力公司在系统侧和用户侧以最经济的方法综合解决电能质量问题提供了一种新途径。常用的用户电力技术装置有不间断电源（UPS）、配电静止同步补偿器（D-STATCOM）、动态电压恢复器（DVR）、有源电力滤波器（APF）等。配电静止同步补偿器（D-STATCOM）是一种重要的用户电力技术装置，跟其它类型的用户电力技术装置相比较，具有功能强大、性能优良、性价比高的特点，能综合的解决配电网中电压波动与闪变、电流畸变、三相电压不对称等电能质量问题，因此在配电网中颇受关注，成为了现阶段配电网无功补偿和电能质量控制的发展方向。D-STATCOM与以往的无功补偿装置如自动投切电容器组装置和SVC相比具有如下特点：（1）响应时间快。自动投切电容器组装置的响应时间需要几秒钟，这是受电容器放电时间所限制。国标规定电力电容器放电时间为3秒钟，如果放电时间太少，则电容器的剩余电荷不能放电干净，如再次投入可能会导致电容器发生过压击穿现象。（2）不会引起谐振短路。虽然该装置仍然采用并联型结构，但是它与电网之间有连接电抗器，因此不会出现并联谐振现象。（3）可以发出连续可调的感性无功和容性无功。该装置不仅可以应用在感性负荷场合，还可以应用在容性负荷的场合，可以提高补偿效果，降低线路损耗。（4）精准电压控制。该装置除了可以按照功率因数或者无功功率控制之外，还可以按照电压幅值来控制，确保用户获得的电压的平稳性，降低电压纹波。（5）具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。（6）可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件的容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节。（7）受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；且可以跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。目前已经研制成功以及正在运行的STATCOM所使用的功率器件大多为GTO，电压及容量较小的配电系统用STATCOM（D-STATCOM）使用IGBT。德国西门子公司已生产出用于高电压的IGBT，电压可达到5000V以上，日本东芝公司于1993年开发研制出的IEGT（电子注入增强门极晶体管）已经形成商用产品，其额定参数可达到4.5kV3000A，ABB公司于1996年开发研制出了IGCT（集成门极换向晶闸管），开通、关断时间与开关损耗进一步减小（关断时间小于5Ls），目前IGCT的额定参数可达到10kV4500A20kHz，而且可在无关断吸收电路条件下工作。目前人们正在对碳化硅和金刚石等禁带很宽、击穿电场很高、同时又具有高热导率的新型半导体材料进行不断探索与研究，并已获得了初步成果。将此类新型电力电子功率器件用于D-SATCOM中，开关频率提高、装置损耗降低、体积减小、运行效率提高、使PWM技术在中压中小容量D-SATCOM中的直接应用成为可能。在中小容量D-SATCOM的场合，应用多重化技术的D-SATCOM装置结构与控制复杂，占地面积大，功率密度小，成本较高，而直接采用PWM控制技术的D-SATCOM装置可以克服上述缺点，同时省去了多重化变压器，避免了由于多重化变压器的非线性磁饱和引起的过电流，而且可以将研究成熟多种三相PWM变流器控制方法（如相幅控制、滞环电流控制、三角波比较电流控制、空间矢量控制、直接功率控制等）直接运用于D-SATCOM装置的控制系统设计当中。可见开展应用于中低压系统的基于VSI-SPWM结构D-SATCOM的研究符合新型电力电子器件的发展趋势，可以为将来实现第1.2节D-SATCOM控制器设计的研究现状在中低压配电网中装设D-SATCOM装置能有效的解决配电网中常见的电能质量问题。随着电力电子技术、自动控制技术、信息处理技术和计算机技术的迅猛发展，基于电力电子技术的D-SATCOM装置得到了广泛和深入的研究。从目前国内外研究现状来看，国外发达工业国家，如美国、日本等在这方面的研究起步较早，已有工业装置在电网和工业企业中投运。而我国由于受多种因数的制约，对D-SATCOM的研究还处于理论研究和实验阶段，真正应用于电网和工业企业中的工业装置不多见，其主要原因是一些关键技术和难点问题以及设备的成本问题尚未得到解决。SATCOMSATCOMSATCOMSTATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOM第1.3节D-SATCOM补偿电流检测技术的研究现状当D-SATCOM用来补偿负荷中的谐波、无功和负序电流时，补偿电流检测是决定D-SATCOM补偿性能好坏的重要环节。补偿电流的检测引起了广泛的研究，众多学者在补偿电流检测方面做了不懈的努力，提出了很多新的思想和方法。但他们几乎都朝着这么一个方向努力，那就是检测的精度和速度。从目前国内外文献所报道的情况来看，补偿电流的检测方法主要有基于瞬时无功功率理论的检测方法及其改进、基于变换的检测方法、基于FFT的检测方法、基于自适应原理的检测方法、小波变换检测法等。日本学者赤木泰文提出的瞬时无功功率理论在补偿电流检测中得到广泛应用。基于瞬时无功功率理论的补偿电流检测方法有两种运算方式，即运算方式和运算方式。这两种检测方法在电网电压对称且无畸变的情况下具有形同的检测结果，都能精确的检测出负载电流中的谐波、无功和负序电流。而当电网电压不对称和畸变条件下，运算方式会有检测误差，而方式在检测谐波时无检测误差，但检测出的无功电流有误差。运算在电网电压不对称且畸变（或畸变）条件下检测的误差来源来源于这种检测方法本身的缺陷。当三相电压中不含有负序和高次谐波分量时,根据瞬时无功功率理论计算出的瞬时实功率对应于基波有功功率,瞬时虚功率对应于基波无功功率,瞬时实功率和瞬时虚功率中的交流成分对应于负序和谐波部分。分别对基波有功功率、基波无功功率和瞬时实功率和瞬时虚功率中的交流成分进行反变换,则可得三相系统的基波有功、基波无功和负序正谐波电流。但当电压中含有负序和谐波成分时,瞬时实功率将由正序有功功率、负序有功功率和谐波功率构成,由其反变换得到的有功电流将是与电压具有相同的频率、相位和波形的畸变波,使补偿系统不能正常工作。日本有数台采用法的谐波补偿装置,售出后因其使用场合的网压存在谐波和不对称情况,已不能继续运行,说明这一问题相当突出。运算方式检测补偿电流的误差来源于由锁相环电路所得到的与a相电网电压同相位的正弦和余弦信号。当三相电网电压不对称时，电压中将包含负序分量和零序分量。由PLL及正余弦信号发生电路得到的正余弦信号的相位由a相电压确定，其中，正弦信号与a相电压同相，即与a相电压的正序分量、负序分量及零序分量之和同相。而期望的正弦信号应与a相电压的正序分量同相。这样，实际的正弦信号与期望的正弦信号之间就有相位差，从而引起了无功电流检测误差，但不会影响到谐波电流的精确检测。在以上两种检测方法的基础上，有很多文献报道了对以上两种检测方法的改进。对以上两种检测方法的改进主要体现在两个方面，一方面是克服电网电压不对称或畸变（或电网电压不对称且畸变）给检测精度带来的不利影响；另一方面是通过对检测电路中低通滤波器的研究，力求一种延时小且滤波性能好的低通滤波器。文献[1]针对电网电压三相不对称时法检测瞬时有功电流和无功电流时存在的误差，提出了一种基于低通滤波器的基波正序电压提取单元代替传统的电压检测电路，提取单元能检测出电压正序分量的相位，从而在三相不对称时仍能检测基波有功、无功电流。文献[2]提出了在三相电压不对称并含有高次谐波的情况下采用双闭环方式检测谐波和无功电流的方法。文献[3]报道了一种并联型有源电力滤波器在非理想电源电压下的控制方法。提出了并联型有源电力滤波器在不对称、非正弦电源电压情况下补偿电流指令的计算方法。该方法基于同时对三相电压、电流进行旋转坐标变换和投影变换，所求得的补偿电流指令为非线性负载电流中除了基波正序有功分量之外的全部电流分量。关于检测电路中滤波器的研究，文献[4]应用高通滤波器同时检测高次谐波和无功电流的检测方法进行了研究，认为应略去无功电流通道的一个高通滤波器后直接连接，就能同时检测出被检测电流中的谐波和无功电流。文献[5]从基于瞬时无功功率理论的一种谐波电流检测方法，推出了采用高通和低通滤波器两种谐波电流检测电路。对两种电路的性能进行了对比，结果表明，滤波器的截止频率、阶数和类型对检测电路的动态响应过程、检测精度都有很大影响。谐波电流检测电路采用低通滤波器，无论从设计上还是从检测效果都有优势。在对基于瞬时功率理论的补偿电流检测方法研究的同时，电力科技工作者也从不同的角度提出了一些新的功率理论和功率定义，试图从另外的视眼来对负载电流中的谐波、无功和负序电流进行检测。文献[6]提出一种在电网电压畸变情况下依然适用的坐标系下的广义无功电流和无功功率的新定义，给出了广义无功电流的检测和补偿方法。文献[7]在三相电路综合矢量的基础上定义了三相电路的有功功率和无功功率，并定义基波电压综合矢量与基波电流综合矢量的点积的直流分量为有功功率，电压综合矢量与基波电流综合矢量的叉积和它们点积的脉动分量构成了无功功率。基于无畸变的电压参考矢量，直接对三相电压、电流的瞬时值运算，可以获得三相瞬时无功及谐波电流。文献[8-10]研究了基于旋转变换原理的补偿电流检测方法。近年来，一些基于新的原理和方法的补偿电流检测方法也层出不穷。数字信号处理和分析中的一些理论、自适应信号处理理论也在补偿电流检测技术中得到应用，体现出了补偿电流检测技术的前沿性和综合性。文献[11-12]提出了一种利用基于改进锁相环（EPLL）的非线性自适应滤波器进行补偿电流检测的方法。文献[13]报道了基于FFT的高精度谐波检测算法。文献针对传统的谐波检测方法快速傅立叶变换（FFT）由于存在栅栏和频谱泄漏现象，只适用于整数次谐波的分析，而不适用于非整数次谐波的检测，因此不能够实现精确的谐波分析。提出了改进算法。该算法通过对FFT算法做简单变换，减小了频谱泄漏误差，降低了谐波之间的相互干扰。文献[14-15]对基于小波变换的谐波和无功电流检测方法进行了较深入的研究。文献[14]针对常规快速傅立叶变换无法检测非整次谐波的问题，提出了利用小波变换实现检测非整次谐波的方法。小波函数是具有时域和频域良好局部化特性的函数，理论上可以用于非整次谐波的检测。但是小波变换存在着由于频谱泄露而带来的混频问题，给谐波的检测带来误差。为解决此问题，可选择分频严格的小波函数，或者选择合适的分析方法。有关基于自适应信号处理的补偿电流检测方法也有大量文献报道文献[16-24]。文献[25]、[26]和[27]分别报道了基于FBD法的三相电力系统电流检测方法、基于鉴相原理的瞬时谐波电流检测方法和基于补偿电流最小原理的谐波与无功电流检测方法。从上面的综述可以看出，补偿电流检测根据所基于的检测原理有多种方法，但从D-STATCOM装置开发和工程应用的角度出发，快速、准确、适应性强、易实现的补偿电流检测方法是研究的主要方向。第1.4节D-STATCOM的优越性配电静止同步补偿器（D-SATCOM）与传统的SVC装置相比，具有以下的优点：（1）在提高系统的暂态稳定性等方面的性能大大优于传统的SVC装置。（2）采用数字控制技术，系统可靠性高，基本不需要维护，可以节省大量的维护费用；同时，可通过调度中心EMS实现无功功率潮流和电压最优控制，是建设中的数字电力系统的组成部分。（3）控制灵活、调节速度快，在感性和容性运行状况下均可连续快速调节，响应速度很快。（4）静止运行，安全稳定，没有SVC装置那样的大型转动设备，将大大提高装置寿命。（5）对电容器的容量要求不高，这样可以省去常规装置中的大电感和大电容及庞大的切换机构，使D-STATCOM装置的体积小、损耗低。（6）连接电抗小。D-STATCOM接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存在的较高次谐波，另外起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感量并不大，也远小于补偿容量相同的TCR等SVC装置所需的电感量。如果使用降压变压器将D-STATCOM连入电网，则还可以利用降压变压器的漏抗，所需的连接电抗器将进一步减小。（7）对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，它仍然可以维持最大无功电流，即D-STATCOM产生无功电流基本不受系统电压的影响。（8）谐波量小。在多种形式下的SVC装置中，SVC本身产生一定量的谐波。如TCR型的5、7次特征谐波量比较大，占基波值的5%~10%；其他形式如SR、TCR等也产生3、5、7、11等次的谐波。这给SVC系统的滤波器设计带来了许多困难，而在D-STATCOM中则完全可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或PWM技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次如7、11等次谐波见效到可以接受的程度。（9）D-STATCOM不需要大容量的电容、电感等储能元件，在网络中普遍使用也不会产生谐波，而使用SVC或固定电容器补偿，如果系统安装台数较多，有可能会导致系统谐振的产生。（10）D-STATCOM的端电压对外部系统的运行条件和结构变化是不敏感的。当外部系统容量与补偿装置容量可比时，SVC将会变得不稳定，而D-STATCOM仍然可以保持稳定，即输出稳定的系统电压。（11）运行范围大。对传统的SVC装置，其所提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，因而随电压的降低而减少。（12）D-STATCOM比同容量的SVC装置占地面积小、成本低（由于SVC装置为补偿0~100%容量变化的无功功率，几乎需要100%容量的电容器与超过100%容量的晶闸管控制电抗器，铜和铁的消耗很大，而D-STATCOM使用的电抗器和电容器远比D-STATCOM中使用的要小），在系统欠压条件下无功功率调节能力强。（13）D-STATCOM的直流如果采用较大的储能电容，或者其他直流电源（如蓄电池组）后，它不仅可以调节系统的无功功率，还可以条调系统的无功功率，还可以调节系统的有功功率，这对于电网来说是非常有益的，也是D-STATCOM装置所不能比拟的。正由于D-STATCOM具有上述优点，因而D-STATCOM作为一种新型的无功功率补偿调节装置，已经成为现代无功功率补偿补偿装置的发展方向，成为国内外电力系统行业的重点研究方向之一。第1.5节论文的主要内容及章节安排论文的主要目的是利用DSP器件设计配电静止同步补偿器的控制器。详细介绍配电静止同步补偿器的各个组成部分，包括指令信号检测部分、控制器部分、主电路部分、驱动电路部分等等。为此论文的研究内容围绕以下几个方面展开。第1章：绪论随着计算机和电力电子技术等学科的飞速发展，静止同步补偿器的技术理论、方法及实现手段也获得了飞速的发展，并且应用越来越广泛。配电静止同步补偿器数字控制器的设计内容广泛、理论复杂。配电静止同步补偿器（D-SATCOM）是目前用于电力系统中性能最好的无功补偿装置,是柔性交流输电系统的核心.综述了配电静止同步补偿器技术的发展现状。第2章：DSP器件的简介及D-SATCOM的工作原理TMS320LF240x系列的DSP（DigitalSignalProcessing）是TMS320数字信号处理器家族中的一员，LF240x系列DSP是为满足大范围的数字控制应用而设计的。本章是对当前TMS320家族作一个概述，描述LF240xDSP产品的背景和技术优势，并介绍TMS320LF2407x系列DSP。并介绍了配电静止同步补偿器（D-SATCOM）的工作原理。第3章：基于DSP的D-SATCOM控制器设计控制器的设计包括硬件系统设计和软件系统设计两部分。控制器硬件采用单CPU结构。控制系统由信号调理板，控制主板两部分组成。信号调理板将电压和电流及相位信号处理后传给控制主板；在控制主板上，由TMS320LF2407A负责进行数据采集、数据实时处理、数据显示和与上位机通讯及时对IGBT进行控制。TMS320LF2407A将A/D转换采来的数据进行实时处理，送入LCD显示各种电量参数，同时根据采样回来的数据进行控制计算。LCD可显示功率因数、电压、电流、有功功率和无功功率等。软件大体包括几个子程序模块：数字滤波模块、DQ变换模块、第2章DSP器件的简介及D-STATCOM的工作原理由于电网是一个非线性的、动态的、实时性比较强的系统，所以传统的器件很难满足系统对实时性的要求，因此，DSP器件以其高速的处理速度和丰富的片上资源被引入到我们的控制平台，在此基础上，实现了以DSP为核心的谐波的实时检测算法和数字化控制方案。在本章中先概括的介绍了DSP主要特点，接着介绍了我们课题中用的具体芯片TMS320LF2407内部结构和功能文献[28]。第2.1节DSP器件的特点目前数字信号处理（DigitalSignalProcessing，简称DSP）已经成为信号处理技术的主流。因为与早期的模拟信号相比，数字信号处理有着巨大的优势。早期的模拟信号处理主要通过运算放大电路进行不同的电阻组配实现算术运算，通过电阻、电容的组配实现滤波处理等，其中有一个很明显的问题是不灵活、不稳定，参数修改困难，需要采用多种阻值、容值的电阻、电容，并通过电子开关选通才能修改处理参数；而且对周围环境变化的敏感性强，温度、电路噪声等都会造成处理结果的改变，而数字信号处理可以通过软件修改处理参数，因此具有很大的灵活性。由于数字电路采用厂二值逻辑，只要环境温度、电路噪声的变化不造成电路逻辑的翻转，数字电路都可以不受影响地完成工作，因此具有很好的稳定性。具体来说，DSP器件有如下几个特点：（1）改进的哈佛结构：其程序和数据存储具有独立的存储空间，有各自独立的程序总线和数据总线，由于可以同时对数据和程序进行寻址，大大提高了数据处理能力，非常适合于实时的数字信号处理。TI公司的DSP芯片结构是基本哈佛结构的改进类型。改进之处是在数据总线和程序总线之间进行局部的交叉连接。这一改进允许数据存放在程序存储中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性。只要调度好两个独立的总线就可使处理能力达到最高，以实现全速运行。改进的哈佛结构还可使指令存储在高速缓存器中（Cache），省去了从存储器中读取指令的时间，大大提高了运行速度。（2）流水线操作：在流水操作中，一个任务被分解成若干个子任务，各个任务可以在执行时相互重叠。DSP指令系统的流水操作是与哈佛结构相配合的，增加了处理器的处理能力，把指令周期减小到最小值，同时也就增加了信号处理器的吞吐量。以TI公司的TMS320系列产品为例，第一代TMS320处理器（例如TMS320C10）采用了二级流水线操作；第二代产品（例如TMS320C25）采用了三级流水线操作；第三代DSP芯片（例如TMS320C30）采用了四级流水线操作。在流水线操作中，DSP处理器可以同时并处理2（3）专用的硬件乘法器：在一般的计算机上，算术逻辑单元（ALU）只能完成两个操作的加、减及逻辑运算，而乘法（或除法）则由加法和移位来实现。因此，在这样的计算机汇编语言中虽然有乘法指令，但在机器内部，实际上还是由加法和移位来实现，因此他们实现乘法运算就比较慢。与一般的计算机不同的是，DSP都有硬件乘法器，使乘法运算可以在一个指令周期内完成。如在TMS320C3x系列的DSP芯片中，有一个硬件乘法器，在TMS320C6000中则有两个硬件乘法器。由此可见，对于运算较复杂的算法，（4）特殊的DSP指令：DSP芯片为了方便数字信号处理、提高运算速度采用了一套专用的特殊指令系统，随着特殊指令的不断丰富和完善，DSP的运算效率将越来越高。（5）快速的指令周期：哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计可使DSP芯片的主频不断提高。目前，TI公司的TMS320C6000系列及TMS320C5000系列的芯片的最高工作主频已经达到200Hz，指令周期已经降到5（6）良好的多机并行运行：在一定的技术条件下，DSP芯片的单机处理能力是有限的，系统的数据处理容量还是经常会超出单个DSP的处理能力。随着数字信号处理器的DSP芯片的广泛使用和DSP的芯片价格的不断降低，多个DSP芯片的并行处理已经成为近年来的研究热点，并逐渐在应用中崭露头角。多机并行类似于高性能的MPU巨型机。TI公司的TMS320C4x系列还提供了专门用于多个DSP（7）大电流、低电压、高度集成：高速信号处理芯片全速运行时电流经常在1A以上。为在大电流下减少系统功率，系统的工作电压从标准的5V降到3.3V、2.5V、1.8V，甚至0.9V第2.2节TMS320LF2407的特点[29]TMS320LF2407是TI公司基于TMS320C2xxDSP系列的CPU核的定点数字信号处理器，其中“LF”代表片内FlashEPROM（3.3V（1）由于采用了高性能的静态CMOS制作技术，因此该DSP具有低功耗和高速度的特点。工作电压3.3V，有四种低功耗工作方式。单指令周期最短为25ns（40MHz），最高运算速度可达40MIPS，四种指令执行流水线。由于采用了TMS320C2xxDSPCPU的内核，因此保证了与TMS320C24x系列（2）片内集成了32k字的Flash程序存储器、2k字的单口RAM、544字的双口RAM。因而使该芯片可用于产品开发。可编程的密码保护能够充分地维护用户的知识产权。（3）提供外扩展64k字程序存储器、64k字数据存储器、64k字I/O的能力。两个事件管理器（EV）。以及可编程看门狗定时器，保证程序运行的安全性。（4）看门狗定时器模块（WDT）。

（5）10位A/D转换器最小转换时间为500ns，可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转化器。（6）控制器局域网络（CAN2.0）。

（7）串行通信接口（SCI）模块。

（8）16位串行外设（SPI）接口模块。

（9）基于锁相环的时钟发生器。

（10）高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚（GPIO）。

（11）5个外部中断（两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断）。

（12）电源管理包括3种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。在本系统中,DSP外扩1片程序存储器(PRAM)用于存储运行程序,1片数据存储器(DRAM)用于计算过程中数据的存放,DSP本身负责完成人机接口、谐波数据的生成、合成波形数据的输出、测量数据的输入、各控制参量的计算、大环的控制、快速傅立叶变换和谐波数据的修正。系统中2片A/D分别接收由DSP发出的电压和电流数据流并依次完成转换,输出模拟波形,2路均选用16位A/D转换器。2片A/D均为16位高精度A/D,INL和DNL参数较好,分别完成电压、电流的瞬时值采样。DSP接收A/D采样的数据并计算电流电压有效值、功率值及相位、频率等,并依此对输出量实施控制和调整。第2.3节TMS320LF2407的结构[30]TMS320LF2407具有两个16位通用定时器、八个16位的PWM通道、三个捕捉单元、16通道A/D转换器、同步通信接口、异步通信接口、544字双寻址RAM（DARAM）和32k字Flash程序存储器等功能。其基本的结构分为中央处理单元（CPU）、存储器、片内外设与专用硬件电路三个组成部分。其中，CPU主要包括中央算术逻辑单元（CALU）、累加器（ACC）、乘法器（MUL）、移位寄存器和寻址单元等。存储器包括片内Flash、片内ROM、单存取RAM（SARAM）和双存取RAM（DARAM）。片内外设与专用硬件电路包括数字输入输出模块（I/O）、事件管理模块（EV）、模数转换模块（ADC）、串行外设模块（SPI）、串行通信模块（SCI）、局域网控制器模块（CAN）等。（1）中央处理单元（CPU）TMS320LF2407与所有的240x器件具有相同的CPU内核。中央处理单元CPU包括一个32位的中央算术逻辑单元（CALU）、32位累加器（ACC）、输入定标移位器、16×16位乘法器（MUL）、输出数据定标移位器、地址产生逻辑。其中中央算术逻辑单元（CALU）实现大部分算术和逻辑运算功能，包括16位加、16位减、布尔逻辑操作、位检测、移位和循环功能；而且大部分运算只需要一个时钟周期。累加器的功能就是存放CALU的操作结果，并对其单位移位或循环移位，同时将结果输出CALU或输出数据定标移位器。输入数据定标移位器的功能是将来自程序存储器或数据存储器的16位数据调整为32位数据送到CALU，因此16位输入与数据总线相连，32位输出与CALU单元相连。该移位器作为从程序或数据存储空间到CALU间数据传输路径的一部分，并不会占用额外的时钟开销。片上的硬件乘法器能实现16×16二进制补码乘法运算，输出32位结果。它将来自16位数据存储器（或程序存储器）的值与16位TREG寄存器的值乘积，结果送到32位乘积寄存器（PREG）中。（2）存储器TMS320LF2407具有192k字的可寻址存储空间：64k字程序空间、64k数据空间和64k字的I/O空间，一些芯片还通过扩展页增加地址空间。程序存储器包括32k字的Flash内部ROM和32k字可扩展的外部ROM；数据存储器它是由32k字的内部数据存储器和32k字的外部数据存储器组成。内部数据存储器有544字的双口RAM（B0、B1、B2）、2k字的单口RAM和专用寄存器，有相当一部分内部数据存储器空间是非法区；I/O空间可用于对片外设备的访问，其存储空间共64k字，两条特殊指令IN和OUT用于对这些空间进行访问。TMS320LF2407还支持地址和数据分离总线：内部地址总线可分成程序地址总线（PAB）、数据读地址总线（DRAB）和数据写地址总线（DWAB）；内部数据总线也可以相应地分成程序读总线（PRDB）、数据读总线（DRDB）和数据写总线（DWEB）。（3）中断TMS320LF2407支持软件和硬件两种中断。所谓软件中断是指由指令（即软件）INTR、NMI或TRAP请求的中断，而硬件中断是指由硬件引起的中断，根据中断源的位置不同，硬件中断又可以分为外部中断（由外部中断引脚引起的中断触发）和内部中断（由片内外设的动作引发的中断）。从CPU处理中断的角度来讲，中断又可以分成可屏蔽中断和不可屏蔽中断两类。可屏蔽中断都是硬件中断，当这些中断被触发后，与其相对应的标志位被置位，但用户可以用软件设置使这些中断使能（不屏蔽）或者根本不响应（屏蔽）。而不可屏蔽中断包括所有的软件中断和两种最重要的硬件中断（复位中断和不可屏蔽中断），这些中断总是被CPU响应。（4）片内外设TMS320LF2407总线结构支持对丰富的片内外设的访问。绝大多数的外设通过外设总线进行访问，如双模拟—数字转换器（A/D）、串行外设接口（SPI）、串行通信接口（SCI）、看门狗（WD）。对这些外设的每次访问需要多于一个的周期，而事件管理器能直接与数据总线相匹配，从而得到全速的CPU处理能力。串行通信接口（SCI）是一个标准的通用异步串行口（UART），可以和RS-232格式的设备接口。SCI支持DSP与其他异步串口采用标准不归零（NRZ）模式进行异步串行数字通信。SCI有空闲线和地址位两种多处理器通信方式；两个输入/输出引脚；通过波特率选择寄存器编程选择64K种不同的波特率。SCI支持半双工和全双工操作，发送器和接收器的操作可以通过中断或转换状态标志来完成。串行外设接口（SPI）是一个高速的同步串口，可以和其他具有标准SPI口的器件直接通信，该接口有四个外部引脚：SPISIMO（SPI从动输入，主动输出引脚）、SPISOMI（SPI主动输入，从动输出引脚）、SPOCLK（SPI的位移时钟）、（SPI从动发送使能，实际上相当于数据的帧同步信号），在不使用SPI模块时，上述四个引脚均可以作为通用输入输出（GPIO）引脚使用。看门狗定时器（WD）是一个增量计数器，用来监视DSP的运行状况。当系统进入不可预知的状态而造成“死机”时，WD将产生一个系统复位操作，从而使DSP进入一个已知的起始位置重新运转。大多数芯片异常操作和CPU非正常工作的情况都可以通过WD来清除和复位，因此WD的监视功能可增强CPU的可靠性，以确保系统安全稳定地运行。事件管理器（EV）有两个事件管理器模块EVA和EVB，用于运动控制和电机控制。每个事件管理器模块包括通用定时器（GP）、比较单元、捕获单元、正交编码（QEP）单元以及16通道A/D转换器。通过编程，事件管理器模块中的通用定时器可以在外部或内部CPU时钟的基础上运行。EV模块中的所有输入都由内部CPU协调同步。DSP（1）精度：表数格式（定点或浮点），通常可以用定点器件解决的问题，尽量用定点器件，因为它经济、速度快、成本低，功耗小。但是在编程时要关注信号的动态范围，在代码中增加限制信号动态范围的定标运算。（2）字长的选择：一般浮点DSP芯片都用32位的数据字，大多数定点DSP芯片是16位数据字。而MOTOROLA公司定点芯片用24位数据字，以便在定点和浮点精度之间取得折中。字长大小是影响成本的重要因素，它影响芯片的大小、引脚数以及存储器的大小，设计时在满足性能指标的条件下，尽可能选用最小的数据字。（3）存储器安排：包括存储器的大小，片内存储器的数量，总线寻址空间等。片内存储器的大小决定了芯片运行速度和成本，例如TI公司同一系列的DSP芯片，不同种类芯片存储器的配置等硬件资源各不相同。

（4）开发工具：在DSP系统设计中，开发工具是必不可少的，一个复杂的DSP系统，必须有功能强大的开发工具支持。开发工具包括软件和硬件两部分。软件开发工具主要包括：C编译器、汇编器、链接器、程序库、软件仿真器等，在确定DSP算法后，编写的程序代码通过软件仿真器进行仿真运行，来确定必要的性能指标。硬件开发工具包括在线硬件仿真器和系统开发板。在线硬件仿真器通常是JTAG周边扫描接口板，可以对设计的硬件进行在线调试；在硬件系统完成之前，不同功能的开发板上实时运行设计的DSP软件，可以提高开发效率。甚至在有的数量小的产品中，直接将开发板当作最终产品。

（5）功耗与电源管理：在一些手提便携式的消费类电子产品中，供电电源的节省是很重要的问题，因而目前DSP生产厂商越来越重视这方面。它通常包括供电电压的选择和电源的管理功能。

供电电压一般取得比较低，实施芯片的低电压供电，通常有3.3V，0.9V等，在同样的时钟频率下，它们的功耗将远远低于5V供电电压的芯片。加强了对电源的管理后，通常用休眠、等待模式等方式节省功率消耗。例如TI公司提供了详细的、功能随指令类型和处理器配置而改变的应用说明。（6）成本和厂家的销售后服务：特别要注意DSP芯片的生产和主推产品，以便以低的成本实施来要求产品。但低价位的芯片必然是功能较少、片内存储器少、性能上差一些的，这就带给编程一定的困难。（7）支持多处理器：近来各类软件在无线电产品及雷达中的应用中，都需要能处理高数据率、大运算量的应用系统。单一的处理器系统已难以承担这类复杂任务，因而采用多个处理器并行工作。这种情况下，各处理器之间连接和通讯功能是必须要作为主要因素予以考虑的。近年新推出的DSP芯片系列都改善了这方面性能，注意增加专门的接口或DMA通道，来支持多处理器的DSP运行。第2.5节D-SATCOM的基本原理2.5.1D-STATCOM的工作原理配电网静止无功补偿器为D-SATCOM（DistributionStaticCompensator）是用户电力技术的重要装置之一,控制器作为其关键部分,决定了其补偿性能的好坏。他通过产生并控制驱动开关器件的脉冲控制为D-SATCOM的各种行为,完成D-SATCOM所需完成的任务。本文采用高性能数字信号处理处理器TMS320LF2407的核心控制器,利用其快速强大的运算和处理能力以及并行运行的能力,以满足为D-SATCOM的实时性、多功能和多目标协调控制、处理算法复杂等的要求。D-SATCOM的基本原理就是将换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现无功补偿的目的。控制器设计为D-SATCOM的控制器应实现功能:必须能实时准确地检测出负荷所需无功功率；必须能根据计算出的参考电流波形,实时输出相应波形。本文设计的为D-SATCOM控制器由内环控制器和外环控制器两部分组成。外环控制器输出的控制信号作为内环控制器所需的无功电流（或无功功率）、有功电流（或有功功率）的参考值。内环控制器产生一个同步的驱动信号,使逆变器的输出电流和无功及有功指令之间建立一种线性的关系,实现对电流快速控制的目的。D-SATCOM的工作原理图2.1为典型的PWM控制方式下VSI型三相D-SATCOM原理电路,L为VSI与电网之间的连接电抗。理想情况下,VSI可在其输出端产生与电网电压同频同相的三相正弦电压,从而在Ｌ中产生无功电流。通过控制系统适当调节逆变器输出电压的大小,则可以调节的大小和方向,达到双向连续调节无功功率的目的。图2.1D-STATCOM的主电路结构D-SATCOM外环控制策略外环控制器应用无功电流检测方法,其原理见图2.2所示。图2.2检测方法原理图该方法采用1个锁相环（PLL）和1个正、余弦信号发生电路得到1个与A相电网电压ea同步的正弦信号sin和对应的余弦信号cos,负载电流经过变换算出其有功与无功分量,,再通过LPF滤波得到其基波有功分量和基波无功分量,在稳态情况下均为直流信号。作为补偿的无功电流参考值,通过控制补偿装置就可发出负荷所需的无功功率,减少无功在系统中的流动。因此必须通过装置与交流系统的有功交换控制直流侧电容电压在其正常范围之内,通常采用PI控制方法确定装置应从系统吸收的有功电流（或有功功率）。D-SATCOM内环控制策略内环控制是D-SATCOM装置的控制核心,配电网补偿装置一般容量较小,对其响应速度有较高的要求,本文内环控制器采用预测电流控制的策略,主要是利用当前采样时刻的状态信息,预测下一个采样周期补偿电流的轨迹,从而确定逆变器的开关函数,使补偿电流跟随电流参考值变化。D-SATCOM设计容量为10kvar,系统频率50Hz，装置与系统的连接电感为100mH，装置直流侧电容为470F,主电路由基于IGBT2.5.2dq变换及反变换dq变换又称PARK-CLARKE变换，其原理如图2.3所示，变换矩阵如式（2.1）、（2.2）所示。从变换矩阵中我们可以看出，PARK变换关键是根据已知，求出sin，cos值求法有查表法、实时计算和插值法等。考虑到计算方法的快速性和精确度，本文采用了一种查表法和插值法相结合的方法（查表插值法）。图2.3dq变换原理图C32=（2.1）（2.2）图2.4为查表插值法示意图，首先把0-2的单位正弦值制成一个200点的表格，很显然不同的，对应的sin，cos值不可能全部落在这200个点上，一般位于两点之间，由于Xi与Xi+1之间相差1.8度，正弦函数误差很小，而X又在Xi与Xi+1之间，所以Xi、Xi与Xi+1，可看作是一条直线。因此，X的近似函数值如式2.3所示：Y=（2.3）采用此方法，LF2407A计算第一次sin，cos值只需要2左右，满足实时性要求。图2.4线性插值法计算2.5.3D-STATCOM的控制方法所谓间接控制，就是将D-STATCOM当交流电压源看待，通过对交流器输出电压基波的相位和幅值进行控制，来间接控制D-STATCOM的交流侧电流。对电流间接控制方法的介绍都是以变流器交流侧输出电压为方波作为例子的，实际上，为了减小谐波，可以采用多个变流器多重化联结、多电平技术或者采用PWM控制技术，然后控制原理是一样的。只不过方波变流器中对方波脉冲宽度的控制，在多重化变流器中变成了对每个变流器输出方波脉冲都要进行同样的控制，而在PWM变流器中变成了对一个周波中的每个PWM脉冲进行成比例的脉冲宽度控制。电流的间接控制方法多应用于较大容量（如输电补偿用）场合，因为容量较大时，受电力半导体器件开关频率的限制，一般无法像直接控制法那样对电流波形进行跟踪控制。此外，由于同样的原因，在大容量场合，D-STATCOM减少谐波也只能用多重化的方法，或者结合多电平技术，即使采用PWM技术，也是一个周波仅含有几个PWM脉冲，而且一般多重化方法相结合使用。本文采用的控制方法为电流的直接控制法。所谓电流的直接控制，就是采用跟踪型PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制，或者应用瞬时无功功率理论、变换进行电流的直接控制。其中的跟踪型PWM控制技术可以采用滞环比较方式，也可以采用三角波比较方式，其简单原理分别如图2.5所示。a)采用滞环比较器的瞬时值比较方式原理图b）三角波比较方式原理图图2.5两种电流跟踪控制方法原理图采用PWM技术的直接控制方法从原理上来说可以有效地滤除系统中的无功电流和全部有害电流。与间接控制方法相比较，直接控制方法具有更高的响应速度和控制精度，但它要求开关频率高，因为大功率器件很难以高开关频率运行，因此不采用电流直接控制。一般来说，电流直接控制适合于小功率场合。但从目前世界上运行的无功补偿器的情况看来，电流直接控制在中、大容量系统也有应用。日本新农用于输电80Mvar的STATCOM和日本神户用于钢厂负荷补偿20Mvar的STATCOM均采用了电流直接控制方式。前者在电网严重不对称，甚至短路时仍可照常工作；或者对炼钢电极短路引起的电网电压闪变有很好的抑制作用。电流直接控制的D-STATCOM控制系统有两种基本结构。图2.6abc轴下瞬时电流控制第一种控制结构如图2.6所示，采用了轴下的瞬时电流控制系统。控制系统完成两个功能：1、直流侧的电压恒定控制；2、无功电流的实时跟随。直流电压指令D-STATCOMD-STATCOMD-STATCOM采用电流直接控制后，其响应速度和控制精度将比间接控制法有很大提高。在这种控制方法下，D-STATCOMD-STATCOM以上介绍了D-STATCOM的两类控制方法：电流的间接控制和电流的直接控制。通过对比可以得到如下结论：

（1）电流的间接控制方法相对简单，技术相对成熟，但间接控制与直接控制相比，控制精度较低，电流响应速度较慢。

（2）电流直接控制法对电力半导体器件开关频率要求高，因此适用于较小容量D-STATCOM控制；间接控制法适用于较大容量D-STATCOM控制。

（3）采用电流间接控制的大容量D-STATCOM可采用多个变流器多重化连接、多电平技术或PWM控制技术来减小谐波。而采用电流PWM跟踪控制的直接控制方法电流谐波少。2.5.4逆变器的PWM控制方法D-STATCOM的工作原理是建立在电压型变流器基础之上的，其基本构成单元，变流器模块通常采用单相桥二电平变流器、三相桥二电平变流器和三相桥三电平变流器三种形式。

采用单相桥变流器模块的明显优点是便于进行分相控制，这对于D-STATCOM在系统电压不对称运行时，特别是不对称故障时的控制是一个重要的优点。但若D-STATCOM的设置是为解决三相对称条件下的电压稳定问题，则采用三相系统较之单相系统更为经济。三相桥三电平逆变器作为一种特殊的串联形式，由于其输出端口电压可在（–Uc,0,Uc）三个电平中间变化，从而在方波工况下其脉宽可以如单相桥一样调节，并且作为中点钳位式的逆变器，其串联的每个开关器件始终工作在1/2的直流中间电压，从而既利用串联方式提高了装置容量又避免了常规器件串联时所遇到的器件选配和动静态均压问题。较之三相桥二电平，它还具有更低的谐波含量。三电平逆变器这些优点使得它在柔性交流输电系统（FACTS）的各个领域得到越来越广泛的应用，在500kvar的D-STATCOM中亦有应用。从理论上看，可以通过不断增加电平次数来使输出电压阶梯增多，从而达到增加装置容量和抑制谐波的双重目的。但在实际应用中每增加一个电平即意味着每臂要增加一对钳位二极管从而使电路变的复杂，且多电平逆变器的正常工作需维持各部分直流电容上电压相等，这导致控制上的困难，因此虽然近年来对其讨论的文章很多，但真正达到实用水平的多电平逆变器仅是三电平逆变器。三电平逆变器的PWM控制方法主要有：正弦载波PWM（SPWM）选择性消谐波PWM（SHEPWM），空间矢量PWM（SVPWM）。在此主要介绍下正弦载波。正弦载波PWM（SPWM）利用期望得到的三相正弦波作为调制波，与一公用的三角载波相交，会得到三组矩形脉冲，用这三组矩形脉冲分别触发三相逆变器的六个桥臂的功率开关器件，则会得到等效于调制波的PWM波形。利用此方法，可以实现补偿电流的正弦化，有效降低谐波成分。通过改变PWM波形的相位和占空比，可以实现对补偿电流基波分量的相位和大小的控制，从而实现对系统无功的动态补偿。第3章基于DSP的D-STATCOM控制器设计20世纪60年代以来，随着计算机和信息科学的迅速发展，数字信号处理技术（DSP，DigitalSignalProcessing）也飞速崛起，近几十年来，数字信号处理已经在通信、自动化等领域得到了极为广泛的发展。无论从硬件的完备性，数据处理的快速性，还是算法的兼容性上讲，它既发挥了单片机的各种优势，也克服了以前单片机系统的一些客观的弱点。所以，DSP技术在控制器设计的应用中将是一个很大的契机。正是基于这样一种背景下，本章将讲述控制器的硬件系统结构及其软件设计。控制器具备以下功能：（1）脉冲同步。根据从电网取回的同步脉冲，产生出与电网电压同步的脉冲信号，使D-ATATCOM产生的阶梯波电压与电网电压保持同步，从而使D-SATACOM能正确并网运行。（2）控制D-STATCOM行为。这包括电流跟踪、提供规定的超前或者滞后无功电流、控制直流侧电容电压保持基本稳定，保证该电压在IGBT的安全工作范围之内运行。（3）产生触发脉冲。产生一定规律的触发脉冲，经门极驱动电路放大后去控制IGBT的导通和关断，使D-STATCOM能产生正确的阶梯波电压。（4）保护功能。当D-STATCOM运行在电压、电流、过载或其他不正常状态下，控制器应发出封锁脉冲封锁IGBT，使得D-STATCOM停止工作，防止发生危险。第3.1节基于DSP的控制器系统的硬件结构本章中系统控制器采用的是德州公司的TMS320LF2407A（以下简称2407A）数字化DSP控制方案。如图3.1所示，整个控制器包括：处理器模块、A/D采样模块、数据存储器扩展模块、液晶显示模块、矩阵键盘输入模块、硬件锁相环模块、PWM硬件死区延时模块和通信模块。在控制板上，由TMS320LF2407A负责进行数据采集、数据实时处理、数据显示和与上位机通讯及时对IGBT进行控制。TMS320LF2407A将A/D转换采来的数据进行实时处理，送入LCD显示各种电量参数，同时根据采样回来的数据进行控制计算。LCD可显示功率因数、电压、电流、有功功率和无功功率等。TI（TexasInstruments）公司的TMS320LF2407x系列DSP控制器是在24x的基础上低功耗改进型，它是为了满足控制应用而设计的。2407A是此系列中的一个分支，通过把一个高性能的DSP内核和微处理器的片内外设集成为一个芯片的方案，2407A成为传统的微控制单元（MCU）和昂贵的多片设计的一种廉价的替代品。每秒3000万条指令（30MIPS）的处理速度，使图3.1DSP控制器系统硬件结构图3.1中控制核心采用TI公司生产的16位快速定点DSP芯片TMS320LF2407，该芯片外设资源丰富，具有32k×16kFlashEPR0M，32k×16kRAM，BootR0M及事件管理阵列，一个1O位片内模数转换器A/D，5路外部中断，JTAG兼容仿真口，6路16位高速PWM输出，及串行通信接口SCI与串行周边接口SPI，可以管理64k程序ROM，64k数据RAM，以及64k的输入输出I/O。所有的LF240x/240xADSP都包括两个事件管理模块：EVA和EVB。每个事件管理器模块包括通用定时器、比较单元、捕获单元以及脉冲倍频电路。由于TMS320LF2407芯片内部的1O位A/D转换单元精度不够，无法满足现场的需要，本文采用2片MAXIM公司的MAX125高精度A/D采样芯片对所需电压信号和电流信号进行采样。该芯片具有2组8路输入通道，每个通道的A/D转换时间为3s，能够实现高速采样。电流信号和电压信号分别经相应的隔离和调理电路进入2片MAX125的模拟输入通道，再通过TMS320LF2407控制2片A/D转换器的启动和转换结果的读取。采样时问基准由同步采样电路和TMS320LF2407的捕获单元共同提供。TMS320LF2407将所需电压信号和电流信号经过检测算法运算后得到相应的无功电流值，通过控制算法给出要求的补偿信号，补偿信号再通过TMS320LF2407内部PWM模块产生SVPWM控制信号送至驱动电路，最终通过功率电子器件产生相应的补偿电流注入电网。3.1.1锁相环时钟模块电路LF2407ADSP的锁相环的时钟模块电路如图3.2所示。2407A内部的PLL模块使用外部滤波器回路来抑制信号抖动和电磁干扰，使抖动信号和干扰影响最小。电路中存在大量的噪声，在设计电路时还需要通过实验确定。滤波器回路的元件为R1，C1和C2，电容C1和C2必须是无极性的。滤波器电路回路连接到2407A芯片的PLLF和PLLF2引脚。在不同的振荡器（XTAL1）频率下的R1，C1和C2推荐值见表3.1。本文中采用的有源晶振值为10MHz，所以查表得到R1，C1和C2；；图3.22407A锁相环时钟模块电路图表3.1外部滤波器元件参数表XTAL1/CLKIN频率/MHzR1/ΩC1/μFC2/μF44.73.90.08255.62.70.05666.81.80.03978.21.50.03389.110.0229100.820.01510110.680.015基于锁相环（PLL）的始终模块提供了以下两种操作：（1）晶振。晶振工作模式允许使用一个外部晶体振荡器或者谐振器，来提供器件的时钟基频。（2）外部时钟源。这种工作模式允许内部的振荡器被旁路。器件的时钟来自于连接到XTAL1/CLKIN引脚的外部时钟源输入。这种情况下，外部震荡器时钟连接到XTAL1/CLKIN引脚。3.1.22407A电源的设计对于任何一个电气系统来讲，电源是不可或缺的部分。DSP应用电路一般都有+5V和3.3V电源，也就是DSP控制系统一般都是多电源系统。而对于多电源系统，采用的一般策略是将+5V的电源经过DC/DC变换得到其它数量级的电源电压，如3.3V、1.8V、2.5V等。首先，+5V电源的得到一般可通过外部开关电源或者交流220V单相电经变压器、桥式整流后再经过电容、电感滤波得到。为得到3.3V的DSP电源电压，本文采用的DC/DC变换芯片为TPS7333Q，它的基本电气参数见表3.1，接线连接见图3.3，其中它的8号引脚可用作DSP的外部复位引脚。图3.3中的电容C1和C2分别用来消除纹波和稳压的作用。图3.3DSP控制器电源模块3.1.3采样电路模块的设计采样电路的设计包括同步信号捕获和外接8通道电流电压采样电路。同步信号捕获单元是为读取母线电压中A相的过零点而设计的，目的是在过零点的时刻发出PWM调制信号，保持补偿谐波电流的相位同步。具体电路如图3.4所示。图中入口信号为母线A相电压经过了一级PT之后的标准信号，为100V交流信号，然后经过了电路中的二级PT（电压互感器）转换为5V交流信号，最后经过了型滤波电路，两极稳压管钳住输入运放LM393的电压为-0.7V~+0.7V之间，输入电流为零，满足LM393灌电流最大值25nA的技术指标。图3.4电压过零捕获电路在周期性电参数的测量中，进行同步采样是准确测量实时信号的关键。使用软件定时同步采样法，硬件实现简单，但是需要DSP计算和干预，而且易产生误差。而利用硬件实现同步采样，采用锁相环频率倍增技术控制采样的定时和速率，从而实现用硬件保证采样的同步性，从根本上消除因采样不同步造成的误差。本文采用的锁相环同步采样电路如图3.5所示，他由同步计数器CD4052，与非门74LS00，低通滤波器以及单片集成锁相环CD4046组成。图3.5同步采样电路图中选用的二进制同步加计数器CD4052作为同步采样的分频器，电网的一个周波设计为同步采样128点。对压控振荡器的编出进行整形，以满足启动A/D转换芯片和控制采样保持器的需要。采样电路是控制器的重要组成部分，其转换精度决定了控制器性能的优劣。虽然2407A内部带有16路10位精度的片上A/D模块，但该模块存在以下缺点：只能接收0~3.3V的单极性信号输入，对于交流信号需要另外设计限幅抬压电路；同一排序器内各通道串扰严重；10位的转换精度难以满足高性能系统的要求。本章的硬件设计采用了两片精度更高的14bit的4通道同时采样的MAX125。MAXIM公司生产的高精度型的A/D转换芯片，MAX125是一个高速、多通道的同步采样数据获得系统。它包含一个3微秒的14位分辨率的模数转换器，一个+2.5V内部参考电压，一个参考输入缓冲器，四个同步采样/保持，一个可编程序列发生器，还有四个存放转换数据的14位RAM。四个连续的读信号可访问四个转换数据。每路具有±17V的输入故障保护，避免外界对芯片冲击而造成的损失。MAX125可广泛地应用在多相位马达控制、电网同步、电力系数监控、数字信号处理、振动与波形分析等领域。内部集成了前端采样保持电路（S/H），其输入信号范围±5V，通道最大承受过压可达±17V，简化了信号调理电路；单路转换时间3μs；拥有A、B两组信号输入端，每组四个输入通道。MAXl25可以和DSP并行工作，从而减轻了DSP的工作负担。MAXl25数据、地址线是通过总线隔离驱动芯片74HC245与2407A的数据线连接，片选信号是通过74HC3.1.4硬件倍频电路模块的设计锁相环（PLL，PhaseLockedLoop）电路是用于生成与输入信号相位同步的新的信号电路。本文中设计的是用锁相环元器件使输出信号为输入信号的128倍的倍频电路。具体的功能为利用普通的工频信号50Hz所转换的方波信号，进而将方波信号倍频成6.4kHz的方波信号，以此来启动A/D采样芯片，达到每周波均匀采样128点的要求。倍频电路的基本工作原理是将输入波形与VCO（VoltageControlledOsillator）振荡波形的相位进行比较，使其输入频率与VCO振荡频率同步。如图3.6所示，VCO输出经分频后的信号与输入波形的相位进行比较时，输入频率与分频后的频率为同一频率，即VCO的振荡频率与分频后的频率同步。在图3.6中的倍频电路中包括两个重要的模块，锁相电路PLL和分频器，硬件设计的重点也就是对PLL器件和分频器器件的选择。本文采用的PLL器件型号为CD4046BE，内部由一个VCO和鉴相器组成，只需在外部设计VCO振荡参数R1、R2、C1和环路滤波器参数R3、C2即可，它的内部结构如图3.7所示。图3.6倍频原理图图3.7CD4046BE内部结构图3.1.5串行通信接口电路的设计现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通讯的系统，也称为开放式、数字化、多点通讯的底层的控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广阔的应用前景。控制器局域网属于现场总线的范畴，它是有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。在DSP芯片TMS320LF2407A内部集成符合CAN2.0B协议要求的CAN总线控制器，其内部集成的CAN控制器与其他CAN控制器一样，完全支持CAN2.0B图3.8通信接口电路对于TMS320LF2407A的CAN控制器而言，如需实现多个CAN节点之间的多点通讯，必须增加CAN控制器的驱动能力。本设计中是通过外加CAN控制器驱动芯片PAC82C250T来实现的。它能提供总线的差动发送能力和总线对CAN控制器的差动接受能力。而对于同一网络内的其他节点也必须添加PAC82C250T接口芯片，才能使整个网络的发送和接受功能正常运行。TMS320LF2407A与PAC82C250T接口电路如图3.8所示，电阻R25，R26，R27及二极管D3组成的电路为电平转换电路，因为TMS320LF2407A用3.3V供电，而PAC823.1.6脉冲触发电路及IPM模块驱动电路设计数字控制器的最终输出为PWM脉宽调制信号，主处理器2407A自身的事件管理单元EVB模块可以输出六路PWM信号，为3.3V电平系统，与逆变电路中的IPM（IntelligentPowerModule）模块的+15V的接入信号不兼容，所以必须在控制器中加入电平转换模块。另外，IPM模块中的单元同一桥臂IGBT是需要死区时间，至少3μs以上的时间，保证IPM模块的正常工作，2407A中的PWM输出是可以通过软件设置的，但是实际系统在上电的一瞬间PWM引脚的状态是不确定的。工程应用中，IPM模块需要单独的接入驱动电平信号，实质上是对控制器生成的PWM信号进行放大，而且IPM模块对驱动信号要求很严格，必须将信号转换电路直接焊接在IPM模块上，所以在信号出口一级增加了IPM图3.9IPM驱动电路光电隔离驱动电路设计见图3.9。IPM型号为IGBT每个单元有四个引脚，分别是＋15V控制电源、电源地、信号输入引脚、故障输出引脚，各个单元的引脚都是相互独立的，不能连结在一起，所以在应用的过程中，都是使用6组独立的电源来控制智能模块。3.1.7信号调理电路由于MAX125芯片的输入电压为±5V，但电流霍尔传感器输出的是电流信号，因此必须将电流信号转换为可用的电压信号。电流调理电路如图3.10所示，由四部分组成，由电容滤波Cl和精密采样电阻R构成，将电流信号变换为电压信号；由R和C构成一个截止频率为10kHz左右的低通滤波器；一个同相跟随电路进行幅值变换和隔离；两个稳压管将输出值限定在士5V之间。图3.10电流信号调理电路基于TMS320LF2407A的配电静止同步补偿器（D-STATCOM）控制器充分利用了TMS320LF2407A芯片的运算速度快、精度高、扩展性好的特点,应用只需要进行同相隔离和幅值变换即可，通过调节可变电阻R5的大小，即可实现对输出电压的调节。图3.11电压信号调理电路经过电压互感器PT变送的电压信号的调理比较简单，调理电路如图3.11所示。3.1.8液晶显示和矩阵键盘电路设计一个功能完整的控制器，除了性能优良的控制算法之外，还必须有友好的人机接口电路。人机接口包括两部分，显示界面和操作控制，显示界面以往的技术是使用LED（LightEmittingDiode）来实现简单的数字显示，随着控制器智能化和低功耗技术的发展，LCD（LiquidCrystalDiodes）液晶显示技术得到越来越多的应用；控制操作主要是指键盘接口电路，键盘可分为编码式键盘和非编码式键盘，编码键盘能够由硬件自动提供与被按键对应的ASCII码或其它编码，但是它要求采用较多的硬件，价格昂贵，非编码键盘仅提供行列矩阵，由程序来确定对应关系。本文中选用的LCD分辨率为320×240点阵，液晶内置控制器为S1D1335，它是一款既能进行图形显示和汉字显示控制的液晶控制器，内部集成了西文字符，显示的点阵为5×7，可以根据用户需求自建汉字字库，显示点阵为16×16，简洁实用的软件控制命令来设置显示模式，8位并行的数据传输方式，工作电压为+5V。它的接口电路如图3.12所示。由于2407A工作电压为3.3V，当它与SED1335进行数据传输的时候需要进行电平转换，所以电路中加入了两片LVC4245芯片，分别用于控制总线和数据总线的电平转换图3.12LCD接口电路图键盘电路采用2×3矩阵键盘电路设计，接线示意图为3.13。将2407A的A口定义为I/O口，行线IOPA6、IOPA7定义为输出口，IOPA3、IOPA4、IOPA5定义为输入口。硬件延时消抖电路采用阻容滤波电路，2×3的按键数为6个，设置为功能键，分别为光标上、光标下、光标左、光标右、确定、取消，具体的按键编码对照图3.13中的标号列成表格3.2。键盘编码的规则为先行线全扫描，确定按键1、2、3的键码，然后IOPA6输出低电平扫描确定按图3.13键盘电路示意图表3.2键盘编码表键盘编号键盘编码键码释义按键10X00B0修改参数或者进入下一级界面按键20X00A8返回上一页或者返回确认前操作按键30X0098光标上一个单位按键40X0030光标下一个单位按键50X0028光标左一个单位按键60X0018光标右一个单位第3.2节控制系统软件部分3.2.1系统软件开发环境及前期数据格式设计在系统进行软件开发之前，必须对整个系统作规划设计，包括设计所使用的语言，软件的运行环境，系统的数据格式等等，这相当于软件开发的可行性分析。本系统软件设计所用的开发环境为CCS2000开发环境版本。3.2.2DSP开发环境程序开发流程DSP软件开发流程可以按如下的步骤来进行：（1）用汇编语言、C语言或者汇编与C语言的混编来编写程序，然后将它们分别转化成TMS320的汇编语言并送到汇编语言编译器进行编译，生成目标文件；（2）将目标文件送入链接器进行连接，得到可执行文件；（3）将可执行文件调入到调试器（包括软件仿真、软件开发系统、评测模块、系统仿真器一般在系统调试中，仿真器是最常用的）进行调试，检查结果运行是否正确。如果正确进入第四步；如果不正确，则返回第一步；（4）进行代码转换，将代码写进EEPROM并脱离仿真器运行程序，检查结果是否正确，如果不正确，返回第三步，如果正确，进入下一步；（5）软件测试。如果测试合格则软件调试完毕；不合格就返回第一步。3.2本节主要介绍系统的软件设计思想及相应的程序流程。控制系统总体流程如图3.14所示。软件大体包括以下几个子程序模块：数字滤波器模块、DQ变换模块、低通滤波模块、PI调节器模块、DQ反变换模块、PWM发生模块。图3.14控制系统软件总体流程图3.2.4系统的PWM脉冲发生器模块主要完成发出PWM脉冲驱动IGBT的功能。PWM脉冲发生是和系统电压同步的。系统的保护程序主要完成封锁PWM信号，触发制动IGBT等功能，为确保在系统故障情况下，IPM不被损坏，还应编写相应的软件保护程序，考虑到系统的实时性要求，该子程序用中断方式编写，又因该子程序的功能为保护功能的实现，因此，应选用相对较高的中断加以实现，本设计中选择中断的INT1级中断来实现功能。下面为保护中断子程序流程图，如图3.15所示。图3.15保护中断子程序的流程图3.2.5过零检测模块主要功能是外部过零脉冲触发TMS320LF2407中CAP单元中断，图3.16过零中断子程序的流程图中断子程序置过零标志。在本模块计算周期值，由周期值计算出电网电压频率，若电网电压频率满足：49.5<<50.5，则使，否则，则认为系统故障，发出封锁脉冲IGBT，结束程