（控制理论与控制工程专业论文）基于ipiq算法的dsp有源电力滤波器的实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着电力电子技术的发展，各种电力电子装置和非线性负载的大量投入使 用，电网的谐波畸变现象越来越严重，对电力系统安全、稳定、经济运行带来了 极大的威胁。电力电子装置所引起的谐波和无功电流对电力系统的危害引起了人 们越来越多的重视，用有源电力滤波器补偿无功和抑制谐波已经成为电力电子技 术中的一个重大研究课题。 本文以实现负载谐波电流的检测和抑制为目标，对有源电力滤波器及相关问 题进行了深入的研究，在分析并联有源电力滤波器的研制及应用理论和技术基础 之上，实现基于f 。一算法的d s p 并联有源电力滤波器的开发与应用。 本文中的并联有源电力滤波器是采用t m s 3 2 0 c 5 4 1 6d s p 芯片作为核心控制 器，谐波和无功电流的检测采用基于瞬时无功功率理论的f 。一f 。检测法。利用d s p 芯片的高频率和高运算速度，进行谐波与无功功率的检测和计算，将计算的结果 通过串行通讯口传输到工控机上。为了方便操作人员观测、数据整理和后处理， 工控机能够实时显示并及时保存d s p 传输过来的数据，同时利用d s p 计算出电 网中谐波和无功功率，采用反向等值的方法，将得到的结果反馈到电网中，以消 除电网中的谐波和无功功率，达到提高电网电能质量和保护电网中电力电子装置 的作用。 关键词：有源电力滤波器；f p 一算法；谐波抑制；d s p ； 山东人学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，a l ls o r t so fp o w e re l e c t r o n i c d e v i c e sh a v e b e e nm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nt h ep o w e rs y s t e m t h ep r o b l e mo f h a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n tt h a ti t b r i n g sa b o u ti sb e c o m i n gm o r es e r i o u s ，w h i c h t h r e a t e nt h er u n n i n go ft h ep o w e rs y s t e mi nt h es a f e ，s t a b l ea n de c o n o m i c a ls t a t e s e r i o u s l y t h eh a r m so ft h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n t sb r o u g h ta b o u tb yp o w e r e l e c t r o n i c sh a v eb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i th a sb e e na k e yr e s e a r c hf i e l di n p o w e re l e c t r o n i ca p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yt os t u d yt h ea c t i v ep o w e rf i l t e r st o c o m p e n s a t et h er e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i cc u r r e n tp o l l u t i o nc a u s e db yp o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e s b yt h es u p p o r to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp r o g r a m m i n gp r o j e c to f w e i h a i ，s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e rb a s e do nd s pa n da s s o c i a t e dp r o b l e m sa r ed e e p l y s t u d i e d ，a n dt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fs h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e rb a s e do nd s pi s i n t r o d u c e dd e t a i l e d l yi nt h i sp a p e r t h es h u n ta c t i v e p o w e rf i l t e r i s d e s i g n e da n dr e a l i z e db yu s i n gc o n t r o l l e r t m s 3 2 0 c 5 416d s et h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n t sa r ed e t e c t e db yt h e i p 一 a r i t h m e t i cb a s e do nt h et h e o r yo fi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r t h ec u r r e n th y s t e r e s i s c o n t r o lm e t h o dw h i c ht h eh i g h e s tf r e q u e n c yi sl i m i t e di su s e dt oc o n t r o lt h ec u r r e n to u t p u tf r o m t h ep w mi n v e r t e r i nt h i sp a p e r , t h es y s t e ms t r u c t u r e t h et h e o r yo ff i l t e r i n ga n dt h e r e a l i z a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ei n t r o d u c e dd e t a i l e d l y t h es y s t e mc o u l d c o m p e n s a t eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n t sr e a lt i m e t h eo v e r a l ls y s t e ma l s o i n c l u d e dai n d u s t r i a lc o m p u t e ra su p p e rc o m p u t e rf o rs a v i n ga n ds h o w i n gt h ed a t a f r o mt h es h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e rb a s e do nd s p t h r o u g hc o mp o r t ，r s 2 3 2 k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ；r e s t r a i n i n gh a r m o n i c s ；i p 一a r i t h m e t i c ；d s p ； 3 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：鏖鱼型 日 期：型健蝴! 蔓旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：拉导师签名：丝日期：缝丝壁旦堡旦 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 有源电力滤波器研究的目的与意义 1 1 1 电力系统的谐波污染问题 随着科学技术的发展，许多非线性和时变性负载大量的使用，在给我们的生 活和生产带来更多方便的同时，也产生了一些无法避免的问题，其中谐波和无功 问题已经变得日益严重了。由谐波引起的各种故障和事故不断发生，所带来的危 害引起了各国专家和学者的高度重视l lj 。 电力电子装置的开关动作向电网注入了大量的谐波和无功分量，谐波使电能 的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘 老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振 或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护 和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备 和电子设备会产生严重干扰。谐波和无功治理是电能质量问题的核心内容之一， 也是现代电力生产发展的迫切要求。 采用电力滤波装置就近吸收或补偿非线性负载所产生的谐波和无功电流，是 抑制谐波和无功污染的有效措施。传统的抑制谐波和补偿无功的主要手段是由电 力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的l c 无源滤波器。无源滤波器的优点是 结构简单、投资成本低、技术成熟、运行可靠且维护方便。但由于无源滤波器是 通过在系统中为谐波提供一个并联低阻抗通路，以起到滤波作用，其滤波特性是 由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而存在以下缺吲3 】【4 】：( 1 ) 谐振频率依赖于 元件参数，因此只能对主要谐波进行滤波，不能对谐波和无功功率实现动态补偿， l c 参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定，而且滤波要求和无功补 偿、调压要求有时难以协调；( 2 ) 滤波特性依赖于电网参数，而电网的阻抗和谐 波频率随着电力系统的运行工况随时改变，因而l c 网络的设计较困难；( 3 ) 只能 消除特定次的几次谐波，而电网的参数与l c 可能产生并联谐振使该次谐波分量放 山东大学硕士学位论文 大，使电网供电质量下降：( 4 ) 谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造 成滤波器过载。由于无源滤波器存在以上其自身难以克服的缺点，因此单独使用 无源滤波器来抑制谐波和补偿无功已经难以满足现代电力生产和生活的需要。 1 1 2 有源电力滤波器的研究意义 有源电力滤波器的研究是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、 理论电工等领域的重大课题，其涉及内容广泛，理论意义和实际的经济效益都非 常重大。它体现了电力电子在电力系统自动化领域中的应用和研究方向，该装置 不但可以起到节能的作用，同时还能达到电能质量控制的目的。事实上，随着电 网容量的日益增长，负载类型和品种也各不相同，而且新产品也越来越多，家用 电器的容量也越来越大，电能质量如何得到保证、怎样防止电网污染则成为一个 很有潜力的研究方向【。这对于提高我国产业竞争力、实现低消耗可持续发展的 战略具有非常积极的意义。 随着电力电子装置的大量使用，谐波污染状况及危害程度呈急剧上升趋势， 而传统无源滤波补偿系统存在诸多不足，已经无法满足实际需要，亟需一种新型 的电力电子装置来提高电能质量，保证生活、生产的正常运行。功率半导体器件 的迅速发展，特别是m o s f e t 、i g b t 、g t o 和i g c t 等电力电子元件的出现和应用， 使新一代的电能质量改善设备得到了迅速发展，无源滤波器并联或串联的电压源 型或电流源型p w l d 整流器也已出现，为有源电力滤波技术的实现提供了充分的条 件p j 。目前国内外学者提出了许多有源电力滤波系统方案，并逐步得到应用。 1 2 有源电力滤波器的现状与发展趋势 1 2 1 有源电力滤波器的现状 有源电力滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等 工业发达国家已得到了高度重视和同益广泛的应用。特别是上世纪8 0 年代以来， 随着电力电子技术以及p w m 控制技术的发展，有源电力滤波器的研究逐渐活跃起 来，成为电力电子技术领域的研究热点之一。现在有源电力滤波器的实际应用在 日本及欧美国家越来越多【5 1 。 2 山东大学硕士学位论文 我国对有源电力滤波器的研究起步较晚，目前有源电力滤波器在我国的实际 应用并不多，与国外相比仍有较大差距，这与我国目前谐波污染日益严重的状况 很不适应【6 j 。随着我国电能质量治理工作的深入开展和对谐波问题重视程度的提 高，对有源电力滤波器的研究已经成为一个非常有意义的课题，利用有源电力滤 波器进行谐波治理具有巨大的社会意义和市场潜力，有源电力滤波技术必将在我 国得到广泛的应用。 1 2 2 有源电力滤波器的发展趋势 从近年来的国内外研究和应用中可以看出有源电力滤波器具有如下的发展 趋势1 2 】1 5 】1 6 1 ： 1 ) 通过采用p w m 调制和可提高开关器件等效开关频率的多重化技术，实现对 高次谐波的有效补偿。当有源电力滤波器的容量小于2 m v a 时，通常采用i g b t 及p w m 技术进行谐波补偿；当容量大于5 m v a 时，通常采用g t o 及多重化技术进行谐波补 偿。 2 ) 当前大功率滤波装置从经济上考虑，可以采用有源电力滤波器与l c 无源 滤波器并联使用的混合型有源电力滤波系统，以减小有源电力滤波器的容量，达 到降低成本、提高效率的目的。从长远角度看，随着大量换流器用于变频调速系 统，其价格必然下降：同时，随着半导体器件制造水平的迅速发展，尤其是i g b t 的广泛应用，混合型有源电力滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而串一并联a p f 由于其功能强大、性价比高，将是一种很有发展前途的有源电力滤波装置。 3 ) 通过单节点单装置的装设达到多节点谐波电压综合治理的有源线路调节 器( a c t i r ep o w e rl i n ec o n d i t i o n e r ，缩写为a p l c ) 的出现，表明电力系统谐波 治理正朝着动态、智能、经济效益好的方向发展。a p l c 结构与a p f 相似，从原理 上看，与a p f 的单节点谐波抑制相比较，a p l c 是向网络中某个( 或几个) 优选节点 注入消谐补偿电流，通过补偿电流在网络中一定范围内流动，实现该范围内所有 节点谐波电压的综合抑制。a p l c 代表的是谐波治理的一种更高层次，目前，国外 a p l c 的应用还处在研究和试验阶段，实时确定补偿电流、优选补偿节点及在线检 测谐波等技术难点限制了a p l c 的应用。 4 ) 国外的研究在装置技术上主要需要解决如下问题：提高补偿容量，降低 3 山东大学硕士学位论文 成本和损耗，进一步改善补偿性能，实现多功能化、有源装置小型化等。在有源 电力滤波器的应用方面主要应解决：最优配置，针对不同谐波源的相应对策，有 源电力滤波器的相互干扰，有源电力滤波器对电网上已装设的l c 无源滤波器的影 响，有源和无源滤波器结合方式的研究，等等。 1 3 本课题的内容 通过阅读大量的国内外资料，对并联有源电力滤波器的谐波和无功电流检测 方法、p w m 控制策略、系统结构、滤波原理及软硬件实现进行了深入的研究，并 利用p r o t e l l 9 9 s e 设计出以d s p 控制芯片为核心的有源电力滤波器的电路原理图， 以及p c b 图和软硬件实现方法。 本论文的内容安排如下： 第一章：绪论。介绍有源电力滤波器的应用范围，以及有源电力滤波器在国 内外研究的现状和发展趋势，介绍了本论文的内容安排。 第二章：介绍了并联有源电力滤波器的理论基础，包括并联有源电力滤波器 的工作原理、谐波和无功电流的快速检测理论、有源电力滤波器的p w m 控制策略 以及直流侧的稳压控制。 第三章：并联有源电力滤波器的硬件设计、软件设计。硬件设计包括d s p 芯 片的选取、同步过零检测电路的设计、d s p 芯片的外围扩展、串行口的设计、数 据采样和a d 转换电路等。软件设计是在硬件设计的基础上进行的，包括主程序、 中断向量表、d s p 系统的初始化和控制中断服务等程序的设计和实现。 第四章：并联有源滤波器的改进与想法。为方便操作人员进行操作、数据整 理和后处理，将d s p 系统采样和计算的数据传输到上位机建立的数据库中，并 设计和实现上位机的人机操作界面。 第五章：结束语。总结论文工作的得失，以及所设计并联有源电力滤波器的 不足之处。 山东大学硕士学位论文 第二章并联有源电力滤波器的理论基础 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf il t e r ，简称a p f ) 是一种用于动态抑制谐 波、补偿无功功率的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变 化的无功功率进行补偿，从而克服l c 无源滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿 方法仅能对确定频率进行滤波和补偿的缺点。有源电力滤波器具有对补偿对象瞬 态响应快、受电源阻抗影响不大、不易和电源阻抗发生谐振等优点。另外，它在 补偿无功功率时不需储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量也不大。有源电力 滤波器作为一种新型的谐波抑制和无功补偿装置，引起了国内外学者的广泛关 注，其产品已在日、美等国家大量投入使用，具有广阔的应用前景。 2 1 有源滤波器的分类 如图2 1 给出了有源电力滤波器的分类。用户使用的电源类型包括直流电源 和交流电源两种，故有源电力滤波器按供电类型可分为交流有源电力滤波器和直 流有源电力滤波器。从与负载的联接形式的角度可分为并联型有源电力滤波器和 串联有源电力滤波器两大类。目前，有源电力滤波器的研究主要集中在交流有源 电力滤波器，直流有源电力滤波器的研究也在逐步开展，典型的研究之一是在直 流输电系统中的应用。 山东大学硕士学位论文 图2 1 有源电力滤波器的分类 2 2 并联有源电力滤波器的工作原理 并联有源电力滤波器工作原理如图2 2 为所示。图中与供电网连接的负载为 非线性的谐波源，它产生谐波并消耗无功功率。并联有源电力滤波器与电网相并 联，可等效为一个受控电流源。并联型a p f 将系统中所含有害电流( 谐波电流和 无功电流) 检出，并产生与负载谐波或无功功率大小相等、相位相反的补偿电流， 从而将电源侧电流补偿为正弦波。并联a p f 主要由指令电流运算电路和补偿电流 发生电路两部分组成。其中，指令电流运算电路的主要功能是检测谐波和无功电 流。补偿电流发生电路作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信 号，构造实际的补偿电流【3 l 【叭。 6 山东大学硕士学位论文 图2 2 并联有源电力滤波器系统构成 图2 2 所示的并联有源电力滤波器的基本工作原理是，实时检测补偿对象的 电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流( 谐波和无功电流) 的指令 信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中 要补偿的谐波及无功电流大小相等、相位相反，相互抵消，最终得到期望的电网 电流，使电网电流成为与电压同相位的正弦波，从而达到抑制谐波、补偿无功的 目的。例如，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿 对象负载电流t 的谐波分量么，由补偿电流发生电路产生补偿电流f c ，即与负载 电流中的谐波分量f ，。大小相等、相位相反，因而两者互相抵消，使电源电流f ，中 只含基波电流分量，不含谐波电流分量。这样就达到了抑制电源电流中谐波的目 的【7 】【引。上述原理可用一组公式描述： ( 2 1 1 ) 其中，0 为负载电流中的基波分量。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时补偿负载的无功功率，则只要在 补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。这 样，补偿电流与负载电流中的谐波及无功成份相抵消，电源电流等于负载电流的 7 美 l l 一一 l l l l 山东大学硕士学位论文 基波有功分量。 2 3 谐波与无功电流的检测方法 目前，谐波的检测方法主要有提取基波分量法【1 0 1 、基于f f t 的傅里叶分 析法【2 l i l 3 1 和基于瞬时无功功率理论的检测算法【1 4 1 【1 5 1 【1 6 】等。 提取基波分量法是最早出现的谐波检测方法之一，其原理是从需要补偿的电 流中提取基波分量，它与原信号之差就是所需补偿的谐波分量。但是这种方法的 缺点是设计难、误差大、对系统频率波动和电路元件参数十分敏感等，因此极少 被采用。 基于f f t 的傅里叶分析法原理比较清楚，通过f f v r 将检测到的一个周期的电 流信号进行分解，得到各次谐波的幅值和相位参数，将拟抵消的谐波分量通过傅 里叶变换得到所需的误差信号，再将该误差信号进行f f t 反变换，即可得到补偿 信号。这种方法思路简明、原理清楚，但是具有一定的延时，检测的结果实际上 是较长时间前的谐波和无功电流，实时性较差，再加上其较为复杂的运算，使这 种方法的应用范围受到了很大的限制。 基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测算法，进行的大都是瞬时值运 算，响应速度很快，特别适合于变化快、冲击大的无功和谐波补偿。该方法在只 检测无功电流时，能够完全无延时地得出检测结果：检测谐波时，因被检测对象 中谐波的构成和采用滤波器的不同，会有不同的延时，但最多不会超过一个电源 周期，可见基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测算法具有很好的实时 性。 现代电力电子开关如m o s f e t 、i g b t 的开关时问为微秒级甚至更少，由这些 电力电子开关构成的变流器的响应时间为几毫秒甚至更少。有源电力滤波器在检 测到谐波后可以在5 m s 以内即产生所需的谐波电流或电压，具有很快的响应速度 i 嗡j 。为了充分发挥有源电力滤波器的快速性，提供其快速补偿能力，本文采用基 于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流快速检测方法。 2 3 1 瞬时无功功率理论 8 瞬时无功功率理论最初由同本学者赤木泰文于1 9 8 4 年提出1 1 5 1 1 1 们，后经许多 山东大学硕士学位论文 专家学者的完善和发展，现已基本成熟，它突破了传统功率理论的限制，以电气 量的瞬时值为基础，成为当前谐波分析的一种基本的理论工具。 本文研究三相三线制并联有源电力滤波器，三相三线制电网中电流和电压的 瞬时值分别为i 、0 和、心，满足+ + = 0 、1 4 a + - t - 心= 0 ，因而 电流和电压信号实际上只有两相是独立的，为此利用电力系统分析中常用的 口一变换，可以将三相电流、电压信号变换为正交的口一坐标系中的向量， 如图2 3 所示，得到两相瞬时电压、和瞬时电流、i p 。 d 0 0 图2 3 口一坐标系电压、电流矢量图 具体变换过程如下： 阱后 卧店 5 其中g z2 詈 l一!一1 22 o 鱼一鱼 22 l一! 一1 22 o 鱼一鱼 2 2 l 一!一1 22 o 鱼一鱼 22 小：豳 亿2 ， 小：豳 亿2 2 ， 9 山东大学硕士学位论文 根据赤木泰文的定义，瞬时有功功率为电流矢量f 与电压矢量u 的点积，即 p = i 材= 屯+ 珞 ( 2 2 3 ) 而瞬时无功功率为电流矢量i 与电压矢量h 的叉积，即 写成矩阵形式为 其中= 心 q 2 2 x l ，2 乞一z 乞0 ( 2 2 4 ) 孑 = 2 u 乞p _ _ u a f 乞i f l = 乏 c 2 2 5 ， 习 瞬时有功电流和瞬时无功电流分别为矢量f 在矢量m 及其法线上的投 影，即 i p = i e o s o ( 2 2 6 ) l 口。ls i n t p 其中t p = 纯一仍，纯、仍分别是矢量”和矢量i 与口方向的夹角。 2 3 2 谐波和无功电流的检测算法 ( 2 2 7 ) 瞬时无功功率理论在电力系统功率、电流、电压的瞬时检测以及谐波和无功 电流的动态跟踪补偿中都有重要的应用。以三相电路瞬时无功功率理论为基础， 并以计算p 、q 或、为出发点分别可以得出三相电路谐波和无功电流检测的 两种算法，称为p q 检测法和f p 一检测法6 1 7 1 。 2 3 2 1p - q 检测法 p q 检测法是以瞬时无功功率理论为基础，从瞬时有功功率p 和瞬时无功 功率g 的定义出发，首先计算出p 和q ，再经过低通滤波器( l p f ) ，得到p 、q 的 直流分量；、q 一。当电网电压波形无畸变时，一p 由基波有功电流与电压作用产生， 1 0 山东大学硕士学位论文 一q 由基波无功电流与电压作用产生。因此，经过矩阵的逆变换后，, n - m v j , m 7 、 ；计算出被检测电流、之的基波分量0 、0 、芬为： 除硼 ( 2 2 8 ) l q i , , 、与0 、0 、+ d 7d 6d 5 d 4 d 3d 2 d ld o s 1 - a r tp r o g ec u (s w p wm o d e c h s e l ( 2 - 0 ) s e lo cs e ld ns e l o ：o ：0 ：o ：o ： d ( 2 - o ) 输入扫描通道 硬件开小t内部时正常模单通道 o h o o ，l 始钟式模式 l ：i ：l ：l ：l ： l h i o ，i ，2 ，3 软件开 e o c 外部时省电模扫描模 2 h 2 o ，i ，2 , 3 4 ，5 始钟式式 3 h3伊一8 4 h 4n a 5 h 5n a 6 h 6n a 7 h 7n ，a 山东火学硕士学位论文 控制寄存器1 ( c r l ) ： 表3 - 2t l v l 5 7 8 芯片控制寄存器1 设置 入 d 7d 6 d 5 d 4 d 3d 2d 1d o ia ( i ：0 ) - 0 1 、 i r e s e ro s c s p r e s e ri 址s e ro u t cr e a ds t e ss t e s l r o v e ddv e dv e d o d er e gt i 0 ：0 ： o ：0 ：0 ：o ： c r l ( 1 一 i 迮a d r e g = 0 保留 玳t o s 保留 保留 二进位自捡使 o ) 执行 c s l o 能检测 o h 输出= 转换结 w 果 l ： i ： l ： 仆r r o s 2 s 补偿寄存器i h输出= 自检l c f a s t 返回使的结果 能 2 h 输出= 自检2 的结果 3 h输出= 自检3 的结果 o hr e a d r e g = l 输出c r 0 内容 l h 输出c r i 内容 2 h 保留 3 h保留 由c r 0 和c r l 的设置情况可以看出，满足8 通道扫描软件启动模式，只要 设置c r o d 3 = l 、c r 0 d 7 = i 和c r i d 7 = 0 三者同时满足的情况下就可以设置成为 8 通道扫描软件启动模式了。简单的一段初始化程序如下： a s m ( “s t m # 7 f f f h ，s w w s r ”) ； a d p o r t = 0 x 0 0 8 3 ； d e l a y ( 1 0 ) ； a d p o r t = 0 x 0 10 2 ； a s m ( “s t m9 4 0 4 2 h ，s w w s r ”) ； 经过这样的一次初始化，控制寄存器c r o = o x 0 0 8 3 、c r i = 0 x 0 1 0 2 ，t l v l 5 7 8 芯片采用的是其内部时钟，而芯片的其他控制引脚则通过与t m s 3 2 0 c 5 4 1 6d s p 山东大学硕士学位论文 芯片的连接进行控制，方法是将d s p 的w r 、r d 引脚连到a d 芯片的读写线上， 这样就可以完成a d 转换模块的设计。 当然，a d 转换模块的前端是需要一个接口来将霍尔互感器采样的信号传输 到此模块上的，因此，设计了一个常用的2 5 孔接口，就完全满足了设计要求。 如图3 6 所示。 t l vl5 7 8 s o p 3 2 j 1 0 a g n d 图3 6a d 转换模块的链接原理图 3 3 2 同步过零检测电路 采样周期信号可以由t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 内部定时器产生，但定时器周期是固定的， 倘若电网周期不是标准的5 0 h z ，则将影响谐波和无功电流的检测精度，所以本文 采用锁相环倍频电路产生采样周期信号。 除了采样周期信号外，本文采用的谐波和无功电流检测的一算法还有一 山东大学硕士学位论文 个关键的信号需要由外部提供，这就是与a 相电网电压同步的过零信号。f p 一算 法要用到一个工频周期与a 相电压同步的正弦值和余弦值，这在系统软件设计中 用查表法实现，a 相电压过零信号作为正弦表和余弦表的指针复位信号。 图3 7 同步过零信号产生电路 同步过零信号产生电路如图3 7 所示。网侧线电压眈。经变压器降压后，再经 过足和c i 构成的3 0 0 移相器，得到与电网a 相电压同相位、幅值为一5 + 5 v 的电压 信号叱，再通过由运放与r 、心构成的过零比较电路产生一方波信号，该方波 信号通过与非f - 4 0 1 0 6 整形后，为确保送入t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 的信号范围在o + 5 v 之 问，通过两个肖特基二极管将信号分别接至0 v 和+ 5 v ，然后送入d s p 的c a p 3 口，c a p 3 口检测其下降沿作为与a 相电压同步的过零信号。一旦过零信号产生，即产生捕 获中断，转入到中断服务子程序中处理。 3 3 3 复位电路 复位电路的基本功能是：系统上电时提供服务信号，直至系统电源稳定后， 撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以 防止电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。r c 复位电路可以 实现上述基本功能，但解决不了电源毛刺和电源缓慢下降等问题，而且调整r c 常数会令驱动能力变差。为了解决这个问题，本文采用电源监控电路，如图3 8 所示。 电源监控电路是带电压监控的复位电路。监控电路具备如下功能：1 ) 上电复 位：保障上电时能正确地启动系统；2 ) 掉电复位：当电源失效或电压降到某一电 压值以下时复位系统。监控电路由美信公司生产m a x 7 0 6 s 实现，m a x 7 0 6 s 体积小， 山东大学硕士学位论文 功耗低，而且可选门槛电压，可保障系统在不同的异常条件下可靠地复位，防止 系统失控。图中的开关s 实现手动复位，其中引脚4 、5 、6 、8 悬空，高祖态。 3 3 v s 3 r e s 王汀 3 3 4 串行通讯接口电路 图3 8 复位电路 基于t m s 3 2 0 c 5 4 1 6d s p 芯片中3 个多通道缓冲串口( m c b s p ) 。m c b s p ( m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a lp o r t s ) 是具有全双工、多通道通信，最多可达1 2 8 个发送和接收通道，具有两级发送缓冲数据寄存器和三级接收缓冲数据寄存器， 支持连续传送方式；能够使用独立的发送帧同步信号、时钟信号和接收帧同步信 号、时钟信号；有外部时钟发生器和可编程内部时钟发生器；可编程选择帧同步 信号和时钟信号极性；具有工业标准的编解码器接口，串行a d 、d a 接口；可 与多种串行通信协议接口通信：数据位数有多种选择，可为8 位、1 2 位、1 6 位、 2 0 位、2 4 位和3 2 位格式；在8 位数据格式时可选先传送最高位m s b 或最低位 l s b 。m c b s p 的多通道功能主要用于进行时分复用( t d m ) 数据流的通信。使 用单相帧可实现多信道发送和接收的独立选择，每帧所包含的字数表示所选择的 通道数量。m c b s p 接口支持多种通信协议，同时，当m c b s p 在时钟停止模式下， 提供了与s p i 协议的兼容性。 本系统的串行通讯接口电路是利用t l l 6 c 7 5 0 p m 芯片设计了一个6 4 字节的 先进先出高性能通用异步接收发送装置( u a r t ) ，完成r s 2 3 2 和r s 4 2 2 两 山东大学硕士学位论文 个串行通讯接口。 由于上位机p c 都带有r s 一2 3 2 接口，所以可利用上位机的串行口与 t m s 3 2 0 c 5 4 1 6d s p 进行r s 一2 3 2 通信，以完成上位机和t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 之间的数 据交换，实现计算机对现场的监测和控制。系统利用t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 的串行通信 接口与r s 2 3 2 串行口进行d s p 与p c 机之间的异步通信。r s 一2 3 2 标准规定了串 行传输中，主控模块与从属模块之间的物理连接线路的机械、电气、功能和过程 特性，两端都必须遵循的共同规定。r s 2 3 2 标准总线为2 5 线，但在实际应用中 常用其简化了的9 线接口。整个接口电路简单，可靠性高。为了方便用户使用， 同时也设计了r s - 4 2 2 串行通讯接口作为备用，r s 一4 2 2 是以差动方式发送和接收， 不需要数字地线。而差动工作是同速率条件下传输距离最远的根本原因，因为 r s 2 3 2 是单端输入输出，双工工作时至少需要数字地线。而r s 4 2 2 的发送线和 接收线三条线( 异步传输) ，可以加其他控制线完成同步等功能，并且r s - 4 2 2 在1 9 k p b s 下能够传输1 2 0 0 米，这就扩大了本系统的适应范围。 3 3 5t m s 3 2 0 5 4 16d s p 的外围扩展 3 3 5 1 外围存储空间扩展 虽然t m s 3 2 0 c 5 4 1 6d s p 芯片片内有1 6 k 字r o m ，6 4 k 字d a r a m 和6 4 k 字s a r a m ( 其中r o m 只能被分配在程序存储器空间) ，仍然不能满足系统设计 的要求。因此，我们将对t m s 3 2 0 c 5 4 1 6d s p 芯片进行外部的存储空间扩展。 为了保证c 5 4 1 6 访问外部存储空间时不影响系统运行速度，选用了高速s r a m 进行外部扩展，使系统工作于全速运行方式。c 5 4 1 6 芯片与高速s r a m 连线非常 简单，只需将s r a m 的地址线、数据线和c 5 4 1 6 的地址线、数据线相连，并辅以 片选线和控制线即可。本系统选择的是一块c y p r e s s 半导体公司生产高速静态随 机存储器的c y 7 c 1 0 4 1 b 来实现外围存储空间的扩展。c y 7 c 1 0 4 1 b 是一种采 用c m o s 工艺制成的2 5 6 k 、1 6 位的高速s r a m 芯片，其片选访问时间仅为 1 2 n s ，是完全满足c 5 4 1 6 对存储器读访问所需的时问，因此c 5 4 1 6 的引脚 r e a d y 端可直接与上拉电阻相连。该：芷：片单电源+ 5 v 供电，输入输出电平与t t l 电平兼容。t 姗s 3 2 0 c 5 4 1 6 与c y 7 c 1 0 4 1 b 的接口电路如图3 9 所示。 山东大学硕士学位论文 d s p a d d r o d s pa d d ri5 c y 7 c 1 0 4 l b a 0 a 1 4i 0 0 一i 0 1 5 c e o e w e a t a l 5 图3 9t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 与外部存储器接口电路 因为c 5 4 1 6d s p 芯片具有b o o t l o a d e r 功能，系统通常可以将程序固化在d s p 外部的程序存储空间，或者外部数据存储器空问的e p r o m 、f l a s hr a m 或者 e e p r o m 中。这样就满足了本系统上电或复位后，能自动运行程序，系统可以 作为一个独立的智能仪表进行检测和补偿工作。本系统将对c 5 4 1 6d s p 芯片外 部扩展一块f l a s h 存储器，用于固化程序。f l a s h 存储器选用的是a m d 公司 的a m 2 9 l v 4 0 0 b 芯片，此块芯片是采用c m o s 工艺制成的5 1 2 k 字8 位存储器 或者可以作为2 5 6 k 字1 6 位的f l a s h 存储器来使用，一般它的工作电压在3 v 至3 6 v ，这样它就能够满足与工作电压在3 3 v 的高性能微处理器进行工作，而 且在此工作电压下，它的读取时间周期只有5 5 n s 。a m 2 9 l v 4 0 0 b 芯片自带一个 复位引脚，这是为了满足d s p 复位后，从a m 2 9 l v 4 0 0 b 芯片f l a s h 存储器中 重新装载固化的程序，使系统进入重启状态。如图3 1 0 所示，为a m 2 9 l v 4 0 0 b 芯片的连接图 b s pa d d r o d s p _ a d d ri5 d s pr e s e t a m 2 9 【4 0 0 b a 0 - a 1 4 d q 0 - d q l5 c e r e s e t o e w e 图3 ，1 0t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 与a m 2 9 l v 4 0 0 b 的连接图 d a t a o d a t al5 f l a s hc e r w w e 山东大学硕士学位论文 3 3 5 2 外围其它扩展 键盘和显示器是进行人机对话不可缺少的设备，系统通过7 4 h c 5 7 3 扩展了一 个4 4 的1 6 键小键盘，其中包括0 - 9 十个数字键和六个功能键。键盘采用中断 扫描方式，当键盘上有键闭合时，向c 5 4 1 5 发出中断请求，c 5 4 1 5 在中断服务子 程序中对键盘进行扫描，中断扫描方式可以大大提高系统工作效率。点阵字符型 液晶显示模块( l c d 模块) 由于其功耗低、寿命长、可靠性高等优点，已在数字 控制系统中得到广泛应用。同时点阵字符型l c d 模块有着统一的接口标准和电气 特性，给设计带来很大方便。下面详细介绍c 5 4 1 6 与l c d 模块的接口设计。 本系统采用的是北京青云公司生产的带有中文字库的l c d 模块，型号为 l c m l 2 8 6 4 z k ，它的特点是：显示内容1 2 8 x 6 4 点阵，点大小o 5 0 x 0 5 0 m m 2 ，点 间距0 0 5 r a m ；内带8 0 0 0 多g b i 、2 中文汉字字库液晶显示模块，串行并行两用 接口；显示类型：s t n 黄绿模式，6 ：0 0 视角，正向显示；s t n 蓝模式( 蓝底白 字) ，6 ：0 0 视角，负向显示；f s t n 黑白模式( 白底黑字，蓝底黑字) 6 ：0 0 视 角，正向显示；控制器s t 7 9 2 0 ，芯片封装c o b ；l e d 背光：黄绿、蓝、白背光。 点阵字符型l c d 模块内部由液晶显示器( l c d ) 、微控制器和驱动电路三部分 组成。其中，微控制器s t 7 9 2 0 承担了所有l c d 模块与m p u 通讯的功能。其特点 是r s 和r w 信号可以同步操作，读写操作时序是由使能信号e 完成的。在接口 设计时，关键是要设计出合理的e 信号，以满足s t 7 9 2 0 与c 5 4 1 6 的读写时序， 继而完成显示和控制。 l c d 模块与m p u 的通讯接口设计可以采用直接或间接访问方式。前者使用m p u 的读写和地址信号综合生成时序控制信号；后者使用软件模拟l c d 模块时序控制 多根数字i o 端口输出的方法产生控制信号。由于在设计的控制系统中，c 5 4 1 6 存在剩余可用的复用数字i o 端口少、需实时处理的事件中断多等资源限制问 题，所以采用c 5 4 1 6 直接访问方式进行二者通讯。具体设计的接口电路如图3 1 l 所示 3 l 山东大学硕士学位论文 c 5 4 1 6d s pl c m l 2 8 6 4 z k d 0 一d 7一1 卜、d b o d b 7 i s 竭卜 es t r b v a l 5 删i v w a or s 3 3 6 无源滤波器的设计 图3 1 ld s p 与l c d 连接图 无源滤波器是传统的谐波补偿装置，由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组 合而成，与谐波源并联，滤波支路在该次谐波频率下串联谐振，形成低阻抗旁路， 使该次谐波不再注入电网，达到谐波抑制的目的。除了滤波作用外，无源滤波器 还兼有无功补偿的功能【3 6 1 。系统中使用的无源滤波器包括单调谐滤波器和高通滤 波器，器原理图如图3 1 2 所示。 图3 1 2 单调谐滤波器( a ) 和二阶高通滤波器( b ) 电路原理图 单调谐滤波器是利用l 、c 串联谐振原理构成的，其参数的设计是针对滤除 谐波和无功补偿两个要素展开的。滤波器对n 次谐波( q = 甩吐) 的阻抗为： z 。= 尺。+ m q 一面1 ) ( 3 4 1 ) 其中心为系统额定基波角频率：h 5 面l ，表示第n 次单调渚滤波器。 3 2 山东大学硕士学位论文 在谐振点处，乙= r ，因足很小，所以n 次谐波电流主要由r 分流，即n 次 谐波电流几乎只流过n 次单调谐滤波器，很少流入电网。而对于基波和其它次谐 波，乙 r ，滤波器分流很少。因此，只要将滤波器的谐振次数设定为与需要 滤除的谐波次数一致，则该次谐波将大部分流过滤波器，从而起到滤除该次谐波 l c 滤波器各次滤波器的电容量可按以下