（电力电子与电力传动专业论文）动态电压恢复器的研究.pdf

r e s e a r c ho fd y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o d e mt e c h n o l o g y , p o w e rc u s t o m e r sh a v em o r e a n dm o r es e v e r e l yr e q u e s t so f p o w e rq u a l i t y p o w e rq u a l i t yc o m p e n s a t i n gd e v i c e s b a s e do nc u s t o mp o w e rt e c h n o l o g yp r o v i d ean o v e lm e t h o dt os o l v et h ep o w e r q u a l i t yp r o b l e m s d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ( d v r ) i sc o n s i d e r e da st h em o s t e f f e c t i v ed e v i c et oc o m p e n s a t et h ev o l t a g es a g d v ri so n eo f t h eh o t t e s tt o p i ci n t h i sf i e l d ，b e c a u s ei tc o u l dc o m p e n s a t eb o t hs t e a d ys t a t ea n dd y n a m i cv o l t a g eq u a l i t y p r o b l e m s ，s u c ha sv o l t a g es a g ，v o l t a g es w e l l ，t h ei m b a l a n c eo f t h r e e - p h a s ev o l t a g e a n dh a r m o n i c i nt h et h e s i st h ep r i n c i p l eo f d v ri sa n a l y z e d ，a n dd i f f e r e n tc o m p e n s a t i o n s c h e m e sa n dt o p o l o g yo f i ti ss t u d i e d t h ed e t e c t i o no f v o l t a g eq u a l i t yp r o b l e mi st h e f a t a lf a c t o rt ot h ee f f e c t i v e n e s so fd v r b yc o m p a r i n gw i t ho t h e rm e t h o d sa n d s t i m u l a t i n gs e v e r a la p p r o a c hb a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y , a n i m p r o v e dd - qm e t h o di ss e l e c t e d d i f f e r e n tc o n ：c r o lm e t h o d ss u c ha sf e e d - f o r w a r d ， f e e d b a c ka n dt h eh y b r i da r es t u d i e db ys i m u l a t i n gw i t hm a t l a b a n dag o o d c o n t r o ls t r a t e g i e si sa d o p t e dw h i c hi st h eh y b r i di n t e g r a t e dw i t hp da d j u s t m e n t t h ec o m p o n e n t so fd v r a r ed e s c r i b e d a n dt h em a i nc i r c u i ta n di t sc o n t r o l l e r a r ed e s i g n e d i na d d i t i o nt h es y s t e ms o f t w a r ei sd e v e l o p e do nt h ed s p c c s d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t i nt h ee n d ，t h et h e o r y i sv a l i d a t e db yt h er e s u l to f e x p e r i m e n to nt h ep r o t o t y p e k e y w o r d ：p o w e rq u a l i t y ，d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r , c o m p e n s a t i n gs t r a t e g y ， i 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 e o r y ，c o n t r o ls t r a t e g y i i 图2 1 ： 图2 2 ： 图2 _ 3 ： 图2 - 4 ： 图2 - 5 ： 图2 - 6 ： 图2 7 ： 图2 - 8 ： 图2 - 9 ： 图2 1 0 图2 一l l 图2 1 2 图3 1 ： 图3 2 ： 图3 - 3 ： 图3 - 4 ： 图3 5 ： 图3 6 ： 图3 7 ： 图3 8 ： 图3 - 9 ： 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 插图清单 d v r 主拓扑结构( 有串联变压器) 6 d v r 主拓扑结构( 无串联变压器) 7 滤波器位置示意图8 滞环比较器方式p w m 控制原理8 单极性s p w m 原理9 双极性s p w m 原理9 d v r 的等效电路和补偿原理示意图一l o 无功补偿的电压补偿方式向量图1 0 最小电压补偿的电压补偿方式向量图1 1 完全电压补偿的电压补偿方式向量图1 l d v r 的最大补偿能力向量图1 3 最小能量补偿电压补偿方式向量图1 4 a b 坐标系中的瞬时功率定义1 6 d 1 3 坐标系中的i 。i 。1 7 p q 检测法原理l 8 i p - i 。检测法原理1 9 d - q 检测法的原理1 9 p - q 检测法在电压检测中的应用原理图2 0 i p - i 。检测法在电压检测中的应用原理图2 0 d - q 检测法在电压检测中的应用原理图2 1 p - q 法瞬时电压检测m a t l a b 仿真原理图2 1 三相电流标准时p q 法瞬时电压检测结果2 2 三相电流畸变时p q 法瞬时电压检测结果2 2 i p i q 法瞬时电压检测m a t l a b 仿真原理图2 3 三相电流标准时。法瞬时电压检测结果2 3 三相电流畸变时。法瞬时电压检测结果2 4 d - q 法瞬时电压检测m a t l a b 仿真原理图2 4 d - q 法瞬时电压检测结果2 5 改进的d - q 法瞬时电压检测m a f l a b 仿真原理图2 6 改进的d q 法瞬时电压检测结果2 6 合成矢量与d - q 坐标的关系2 7 v i 图3 2 0 图3 2 1 图3 2 2 图4 1 ： 图4 2 ： 图4 3 ： 图4 _ 4 ： 图4 5 ： 图4 6 ： 图4 7 ： 图4 8 ： 图4 - 9 ： 图4 1 0 图4 1 1 图5 1 ： 图5 2 ： 图5 3 ： 图5 - 4 ： 图5 - 5 ： 图5 6 ： 图5 7 ： 图5 8 ： 图5 9 ： 图6 1 ： 图6 2 ： 图6 3 ： 图6 - 4 ： 图6 - 5 ： 图6 - 6 ： 锁相环原理框图2 7 三相s p l l 原理框图2 8 三相s p l l 仿真结果2 8 d v r 系统控制算法仿真模型3 0 前馈控制原理框图3 0 前馈系数较小的仿真结果3 1 前馈系数较大的仿真结果。31 反馈控制原理框图3 2 反馈控制k = 2 时仿真结果3 3 反馈控制k = 2 0 时仿真结果3 3 反馈控制轻载时仿真结果3 4 前馈+ 反馈控制原理框图3 4 前馈+ 反馈控制重载仿真结果3 5 前馈+ 反馈控制轻载仿真结果3 5 硬件结构系统框图3 6 主电路接线图3 7 常k 型r 型滤波器的衰耗特性3 9 人机接口硬件示意图4 2 ：通信接口电路原理图4 4 采样周期示意图4 5 主程序流程图4 7 定时器l 中断服务程序流程图4 8 a d c 中断服务程序流程图4 9 电压跌落补偿的动态过程5 1 电压跌落的稳态补偿效果5 2 电压跌落恢复时补偿的动态过程5 2 电压凸起补偿的动态过程5 3 电压凸起的稳态补偿效果5 3 电压凸起恢复时补偿的动态过程5 4 v i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。掘我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其绝入已爨发表戴撰写过蓊毳跨究戒慕，也不包含为获镣佥整至塑盍堂 或其他教台机构的学位或证书黼使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明著表示谢意。 学位论娥嚣签名旁兹 签字嘿彬年善月夕一 学位论文版权使用授权书 奉学位论文作者完全了解金墨王逃盍堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 葙僭瀚。本入投税金簦翼堑盍篷可以将学能论文豹全部藏部分内容编入有关 数据库进露梭索，f t f 以采用影印、缩印或扫搂等复制手段保存、澎编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权节) 学位论文作者繇豸够秀 签字日期：沙“年多月；n 学位论文佟者毕监后去向： 工作单位： 通讯地址： 剔穗筏莠撖 ，l p1m 9 签字嗍驯年月 日 电话： 邮编： 致谢 三年的研究生学习生活转眼即逝，回顾几年的经历，深深感受到众位师长、 同学的关心和帮助。谨向所有关心和支持过我的老师和同学表示衷心的谢意。 由衷感谢我的导师苏建徽老师! 在和苏老师相处的日子里，他精湛的专业 知识，宽广的胸怀，务实的科研作风和忘我的工作精神深深地影响着我，给我 留下了深刻的印象。苏老师的这些优秀品行将在我今后工作和学习中产生深远 的影响。苏老师严厉的批评将是我一生的财富，正是这些批评意见，让我发现 了自己的不足和缺点，有机会进行深刻的反思和对将来的学习和生活进行规划。 在毕业之际，向尊敬的苏老师表示我最诚挚的感谢和最衷心的祝福! 感谢张国荣老师和茆美琴老师! 整个课题阶段，张老师给我提供了许多便 利的条件，在科研方面给我指导，让我深受启迪，使我在各方面都取得了长足 的进步；感谢茆老师在学习上给予的指导，从本科阶段到研究生阶段，茆老师 总是耐心指导，给我指点了迷津。感谢他们在我的学习和生活中所给予的帮助， 论文能得以顺利完成，与他们的悉心关怀是分不开的，在此，向他们表示由衷 的感谢! 感谢能源所的杜雪芳老师、刘翔老师、张建老师、杜燕老师、汪海宁博士、 和鞠洪新博士对我的关心和帮助! 感谢其他各位朝夕相处的同学所给予的关心和支持! 并衷心地祝愿他们幸 福、快乐，他们是：潘江洪、杨向真、刘宁、吴敏、陈林、公平、贺文涛、李 桂臣以及能源所中其他师弟、师妹们1 感谢家人对我的关心和鼓励，我所取得的每一点进步都离不开他们的帮助。 i l l 作者：梁海涛 2 0 0 6 年5 月5 日 谍越鹜豢鞠意义 第一章绻谂 纛憝是一辩经济实瘸、渣洁方褒置褰翕蒋辕、蔽裁帮转位豹熊滚形式，在 现代社会目常生活和工业激产中有着举足轻黧的作用。近年来随满电力行业深 化改举，发电与输配电体制分离、电能按质按基论徐、电力网逐步实行商业化 运营与毒场交赫基经莛丈努耩趋，毫裁穗经蕊为一醛走两枣繇戆懿麓，是一静 国奄力辩门囱激力焉产掩供，荠峦供、麓双方共丽繇涯蒺量熬祷臻黼晶。窥其 他商晶一样，电能也应讲求质量。 1 。t 灌蓑璇爨游越懿缝滂慧义 改善毫魏蒺量怼予激瓣窝邀气竣鍪瓣蜜全、经济遴嚣，僚滚产菇矮耋帮辩 学实验结果，继持入鬣生活和生产正常遴行均有重要懑义。邀栽簇鼙直接关系 翻鬻鬣经济瓣慧薛效益。i l l 随着计黧枫科学和游片集成技术的发展，大量潦于计算机系娩的控制设备 尊廿电予装置投入使用。这烂装置对电熊质量非常敏感。一个计算中心失去电噩 2 s 藏可魏酸坏死卡令夺辩的数攥整瑾络暴或簿餐失上氍万美元麓产镶。当今自 璐诧设备酶连续耩热工璧产，不论是交逮撬劝还莛橇嚣天，工佟母杭还是自动 化生产线，例如柔性制蛾蕊统( f m s ) 或者计算机综合制造系统( c i m s ) ，它 们对瓤电系统中的干扰和异常非常敏感，甚懋几分之一秒的不磁常就可能在工 厂蠹郏造藏滋蕊。霹予丈鬻戆囊蔽芯冀黛产金 效，魏莱供电孛羧越j 建咒令震 波，簸会造成产品芯片龛潞损羧，产璺静经漭攒失震憝难鞋嵇冀。 各种j # 线性受载，辩嘏力机车、嘏弧妒窥各类环流设备，都会拄毫丽中产 生离次谐波魄鹾耪谨渡魄浚，及i 嚣楚毫瓣审豹设荟产生瓣热豹落波臻耗，降慑 发变啭和电熊输送的效率。间时，还会使电容、电缆等设备出璐谶热、绝缘老 化和寿命缩缀等问题。此外，电弧炉、粉碎机和轧钢机等冲击性熊载，会引越 魄灏魄嚣产生波动帮瓣燮，瞧力槛车和攀鞠王频炉等不对称负载会辱l 起受痔电 援帮囊彦电流。在这些持况下，溪户藤辫毫穰设冬会盘瑷转速不匀、振葫等异 常现象，影响生产质量，麓至损坏生产设备，给瀑爵生产带来题犬的经济损 失。 遗力爱户歪在逐步撬惑澍逛麓屡爨夔认浚，为瀵跫嵩效生产滚穗蕊嚣要， 维护爝魄设餐黪正常运行。越来越多的爆户舞魄力部门提出了麓攒蟹供毫瓣要 求。电力市场运行机制下电能生产者( 发电公司) 在发电侧实行竞争，输配电 系统( 电力公司) 与发电分离独立经营管理，形成了一个开放和鼓励竞争的运 行环境。提高电能质量，向电力市场的客户提供优质商品，是提高电力部门市 场竞争力的必然要求，也使得电能质量问题成为大家共同关注的研究热点。 1 1 2 电能质量问题的定义和分类 在现代电力系统中，电能质量这一技术名词涵盖着多种电磁干扰现象。电 能质量这一术语经过了长期的发展，在英文用词方面有人使用“e l e c t r i cp o w e r s y s t e m sq u a l i t y ”( 直译为电力系统质量) ，有人使用“q u a l i t yo f p o w e r s u p p l y ”( 供电质量) 等，对其含义也各有解释。1 9 6 8 年，一篇关于美国海军 电子设备用电源规范要求的研究论文最先规范使用了“p o w e rq u a l i t y ”( 电能 质量) 这一专业术语。与此同时，前苏联等国家也开始使用“v o l t a g eq u a l i t y ” ( 电压质量) 来反映电压幅值的缓慢变动和电源实际频率与理想频率的偏差。 口j i e e e 标准化协调委员会已正式采用“p o w e r q u a l i t y ”这一术语。国际电工委 员会( i e c ) 则提出了电磁兼容( e m c ) 的概念来衡量电能质量，并且制定了 一系列的电磁兼容的标准。 迄今为止，关于电能质量的定义主要有以下三种：【2 】 定义1 ：合格的电能质量是指，提供给敏感设备的电力和为其设置的接地 系统均适合于该设备正常工作。 定义2 ：造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题， 其表现为电压、电流或频率的偏差。 定义3 ：电能质量就是电压质量，合格的电能质量应当是恒定频率和恒定 幅值的正弦波电压与连续供电。 因此，电能质量可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、 电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相 不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续 性等。【2 】 i e e e 第2 2 标准协调委员会( s t a n d a r dc o o r d i n a t i n gc o m m i t t e e2 2 ) 在i e e e s t d l1 5 9 1 9 9 5 ( i e e er e c o m m e n d e dp r a c t i c ef o rm o n i t o r i n ge l e c t r i cp o w e rq u a l i t y ) 中对以上电磁现象做了如下分类，见表1 。 2 表1 ：电磁现象分类f 3 j 种类典型频谱成分典型持续时间典型电压幅值 电压瞬变( t r a n s i e n t s ) 冲击( i m p u l s i v e ) 纳秒级5 n s 上升 1m s 振荡( o s c i l l a t o r y ) 低频( l o wf r e q u e n c y ) 5 k h z0 3 5 0 m s 0 4 p u 中频( m e d i u mf r e q u e n c y )5 5 0 0 k h z2 0 u s 0 8 p u 高频( h i g hf r e q u e n c y ) 0 5 5m h z5u s 0 4 p u 短期电压变动( s h o r td u r a t i o nv a r i a t i o n s ) 即时( i n s t a n t a n e o u s ) 电压跌落( s a g ) 0 5 3 0c y c l e s 0 1 0 9p u 电压升高( s w e l l )0 5 3 0c y c l e s1 1 1 8p u 瞬时( m o m e n t a r y ) 电压中断( i n t e r r u p t i o n ) 0 5c y c l e s 3s 1 m i n0 8 0 9p u 过电压( o v e r v o l t a g e s ) 1 m i n1 1 1 2p u 电压不平衡( v o l t a g ei m b a l a n c e ) 电压不平衡( v o l t a g ei m b a l a n c e )稳态 0 5 2 波形畸变( w a v e f o r md i s t o r t i o n ) 直流偏移( d co f f s e t ) 稳态 0 0 1 谐波( h a r m o n i c s )0 1 0 0 t h h 稳态 0 2 0 间谐波( i n t e r h a r m o n i c s )0 6 k h z稳态0 2 陷落( n o t c h i n g )稳态 噪声( n o i s e )b m a d - b a n d 稳态 0 1 电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n s ) 电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n s ) 2 5 h z 断续 0 1 7 频# 鞋( p h 舳i m i o n s ) 蜊傩( 胁v e r l i e q 州j 捌0 n s ) 1 ，用做升压变压器，可以降低逆变器直流侧电压 等级，减少蓄电池或者降低直流母线电容的电压等级，降低开关器件的耐压等 级，节省成本。n 磊潜，r 鍪低逶 滤波器开始有衰耗，其疑耗特性如图5 3 所示。通道内的衰耗为零，因为这时 滤波器的输入端、输出端的特性阻抗均为纯电阻，只有滤波器的阻抗相当与电 阻时，它才能从输入端吸收能量，而当滤波器元件没有损耗时，能量能完整的 送入爱戴中，衰耗可为零；在阻带中，特性黻抗具有电抗性质，滤波器从电源 啜浚戆麓量将菸分返鏊魄滋，受载只麓零分露蘩窀灞豢给豹戆蘩，星瑷窭较大 静袭耗。 豳5 - 3 ；常k 型r 型滤波嚣的衰耗特性 设r l = 1 0 q ，翔鬏文o 5 8 ) r l = 5 - - 8 q ，驭r = 6 q 。考虑爨逆交器输密中 含脊对谐波的补偿量所以取截止频率f e = 2 5 0 0 h z ，所以 客。 l = 2 r a 7 = r t ( 周f 0 1 = o 7 6 m h c = l r 2 = l 必坑最) = 2 l 矿 考虑到变压器的漏感，实际电感取o 3 5 m h ，电容取2 0t 1f 笼极性纸介电 5 2 控制电路 5 2 1 d s p 的选型和控制器的设计 1 d s p 的选型【4 0 h u 由于本系统是多种控制算法高速运行的系统，不仅要求执行指令快速性， 还需要a d 采样的快速性，同时要具有适合电力电子控制的各种外设模块。根 据系统需求本文选取了t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯 片是t i 公司推出的一款功能强大的数字信号处理器，具有以下一些特点： ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器 的功耗；4 0 m h z 的执行速度使得指令周期缩短到2 5 n s ，从而提高了控制器的实 时控制能力。 ( 2 ) 基于t m s 3 2 0 c 2 d s p 的c p u 内核，保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 代 码核，与t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。 ( 3 ) 有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 字的数据程序r a m ， 5 4 4 字的双1 2r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 。 ( 4 ) 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时 器；8 个1 6 位的脉冲宽度调制( p w m ) 通道。并且能够完成以下功能：三相反 相器控制；p w m 的对称和非对称波形；当外部中断输入引脚出现低电平时快 速关闭p w m 通道；可编程的p w m 死区控制可以防止上下桥臂同时输出触发 脉冲；3 个捕获单元；片内光电编码器接口电路；1 6 通道a d 转换器。 ( 5 ) 扩展的外部存储器( l f 2 4 0 7 a ) 总共1 9 2 k 字空间：6 4 k 字程序存储器 空间；6 4 k 字数据存储器空间；6 4 k 字i o 寻址空间。 ( 6 ) 看门狗定时器模块( w d t ) 。 ( 7 ) 1 0 位a d 转换器最小转换时间3 7 5r l s ，并且两个通道既可以工作于独 立方式也可以工作于级连方式。可选择由两个事件管理器来触发。 ( 8 ) 控制器局域网络( c a n ) 2 0 模块。 ( 9 ) 串行通信接口( s c i ) 模块。 ( 1 0 11 6 位的串行外设接口( s p i ) 模块。 ( 11 ) 基于锁相环的时钟发生器。 n 2 1 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入，输出引脚( g p i o ) 。 f 1 3 、5 个外部中断( 两个电机驱动保护、篾位和两个可屏蔽中断) 。 0 4 ) 邀源管理包疆3 秘羝凌耗模式，g 狻立建凑终竣器转入低功耗工终 模式。 2 控制器的设计 系统的控制由模拟，数字控制电路两部分组成，如所示，模拟控制电路作 为功率电路和数字控制旗路盼接目，将电嬲暾愿、变换器输出嘏雁电流、壹流 母线魄容鬯医邀流等各耱攘搭售号转换残数字绩号绘鼗字控懿漱鼹，数字整裁 电路必须准确地处理这魑嵇息，以此决定工 乍模式，并通过模拟控制电路去执 行数字控制器发出各种信号。具体实现是：交流电网电压，逆变器交流输出电 压和电流，负载端交流电胍，直流输入电压和电流，通过模数转换成1 0 位数字 量，d s p 接收处理这些数据，检测电网电压的状态，计算需要输出的补偿量， 然爱避避叁身戆模块e v a ( e v b ) 发出s p w m 驱动信号，驱动信号经避驱动电路 羧大掰驱动功率开关元 串完成电压李 偿凌魏。绫上是a d c 帮p w m 控制部分， 除此之外，还有故障检测、旁路切换、风崩控制和软启动等部分，这些功能通 过1 0 实现。硬件保护、过零点捕捉、串口通信则通过d s p 本身提供的中断资 源完成。 5 , 2 。2 矮蘸毫源专d s p 终霪毫路设诗 1 辅助电源 控制电路、驱动电路、切换电路、检测采样电路都需要电压等级不 圊的赢流电源，通常称为辅助电源。由于辅助电源路数多，蠢的又要求 互秘隧离，在小袭率魄源夔应矮场合，一般零餍绩穆燕擎量效搴较毫戆 萃漆爱激式交换器。本系统采蘑由p w m 羧制芯片u c 3 8 4 4 掰构成豹反激 变换器电路，变换器的输入电压取自直流母线电容两极，输出+ 5 v 电压 的反馈信号经光耦隔离变换后送往u c 3 8 4 4 ，构成电压闭环调节， u c 3 8 4 4 根据其值的大小对辅助电源电路取m o s f e t 的通断进行控制，使 输出滚鼹稳定在+ 5 v 。该+ 5 v 电压供控测投上集成芯片使越。切换电 路、凝动毫路、显示邋经遣路等静霭毫爨傻邀，毒垂贯羚死潞疆离毫源 提供。 2 驱动电路 4 l 驱动电路选用三菱公司的m 5 7 9 6 2 l 系列驱动芯片，m 5 7 9 6 2 l 主要有以下 特点：( 1 ) 具有较高的输入输出隔离度( v i s o = 2 5 0 0 v r m s ) ；( 2 ) 采用双电源供电方 式，以确保i g b t 可靠通断；( 3 ) 内有短路保护电路；( 4 ) 输入端为t t l 门电平， 适于单片机控制。具体电路直接采用m 5 7 9 6 2 l 芯片的推荐典型电路，不再详 述。 3 采样检测电路 模数转换直接利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片内部集成的a d c 模块完成。前级 有由运放和电阻、电容组成的调理电路。需要检测的电网电压和电流是大功率 的强电信号，需要经过传感器转换成控制电路能够使用的弱电信号才能使用， 其中，交流电压信号采用隔离变压器型的电压传感器采集，直流电压的采集经 分压电阻分压后由线性光耦隔离后进入调理电路，电流的采集通过霍尔传感器 实现。强电信号的采集全部经过隔离，不仅可以减小信号问的干扰，而且有效 的保证了控制电路的电气安全。 5 3 人机接口f 4 2 】 键盘监控系统作为人机对话的界面工具运用于d v r 装置中是非常必要 的，它不但给系统调试、使用及维修带来了很多便利，而且可以帮助用户及时 准确地了解系统的运行状态，方便用户对系统的操作使用。人机接口的硬件设 计大致分为两个部分，一个是d s p 上串口通信的实现，另一个是嵌入式的键 盘、液晶显示系统的设计。 嵌入式的键盘、液晶显示系统是一个相对成熟的模块，以w 7 7 e 5 8 单片 机为控制核心，系统硬件电路组成包括：x 5 0 4 3 接口电路、按键电路、 液晶显示接口电路、l e d 显示电路、电源电路、通信接口电路等。相对 于装置的控制核心d s p ，嵌入式的键盘、液晶显示系统形成了一个独立的上 位机，它们之间通过串口通信完成数据交换，两者关系如图5 - 4 所示。 d s p锢i 圉 单片机 t m $ 3 2 0 l f i w 7 7 e 5 8 2 4 0 7 a 懈 图5 - 4 ：人机接口硬件示意图 4 2 如图5 - 4 中所示，d s p 和单片机w 7 7 e 5 8 之间通过基于m a x 4 8 5 芯片控制 的通信接口电路进行r s 一4 8 5 接口的通信。d s p 中的实时运行参数可以通过串 行通信到达w 7 7 e 5 8 ，然后由液晶显示给操作人员。同理，一些运行标志可以 由l e d 显示出来。操作人员可以由键盘键入调试参数、运行模式等信息，键盘 信息经w 7 7 e 5 8 识别后，由串行通信传输给d s p 。在d s p 端和w 7 7 e 5 8 端，各 自接有一片x 5 0 4 3 ，x 5 0 4 3 是一个带看门狗的e e p r o m ，采用x 5 0 4 3 主要是 为了在系统掉电时保存重要数据和一些参数的修改值，这样可以避免重 要数据的丢失，也可避免每次重新启动时都要对一些参数进行重复性的 设置。通信双方都接入x 5 0 4 3 ，在通信初始化的时候可以选择以d s p 方的 数据覆盖w 7 7 e 5 8 方数据，或者以w 7 7 e 5 8 方的数据覆盖d s p 方的数据， 便于实现真正的键盘、液晶显示系统的嵌入式设计。 d s p 上串行通信的实现，如图5 5 所示。设计采用m a x 4 8 5 收发器芯片完 成接口通信。m a x 4 8 5 为8 脚封装各引脚功能说明如下：引脚1 ：r o 接收器输 出，当a b 一o 0 5 v 时，r o 为高电平，当a b 0 2 v 时，r o 为低电平；引 脚2 ：r e 接收器输出使能，为0 时，允许接收器输出；引脚3 ：d e 驱动器输出使 能，为l 时，允许驱动器工作；引脚4 ：d i 驱动器输入，d i 为低时，a 为低b 为 高；引脚5 ：g n d 地；引脚6 ：a 接收器非反相输入和驱动器非反相输出端；引脚 7 ：b 接收器反相输入和驱动器反相输出端；引脚8 ：v e t 电源，本系统采用与单片 机电源独立的+ 5 v 1 电源供电。图中m a x 4 8 5 的5 、6 、7 、8 脚分别接到键盘 监控系统中用于通信的另一片m a x 4 8 5 的5 、6 、7 、8 脚，然后再通过光耦隔 离将另一片4 8 5 的r o 和d i 接到用于键盘监控控制的单片机上，由此实现两个 单片机之间的串行通信。芯片的选择信号、收发信号都是经过光耦隔离的，增 强了通信的可靠性。 4 3 5 。4 蔟绫赣蒋设诤 5 4 1 中断响应结构 图5 5 ：通儋接口电路原理圈 1 d s p 静牵瑟资源篱夯 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 烈d s p 内核提供一个不可屏蔽中断n m i 和6 个按优先级 获褥服务的可屏蔽中断i n t i 至i n t 6 。而这6 个中断级的每个都可被很多外 设中鼗请求荚享。d s p 逶过孛叛请求系统孛戆一令嚣级中叛采扩最系统霉桶疲 的中断个数。因此，d s p 的中断请求，应答硬件逻辑和中断服务程序软件都魁一 个两级的层次。当c p u 接收中断请求时，它并不知道是哪一个外设事件引起的 中断请求。因此，为了让c p u 毙够透剐这些引越中甄的乡 设攀传，在每个外设 中断请求鸯效时，都会产生一个难一的辨设中瓣嗣量，这个终设中断淘量搬装 载到外设中断向量寄存器( p i v r ) 服。c p u 应答外设中断时，从p i v r 寄存器 中读取相应中断的向量，并产生一个转到该中断服务子程序入口的向量。 逶罄，程序重应努蹰令淘量表。c p u 静超豢震蘑来褥鬟臻寝c p u 中黻请 求的一缀通用中断服务子程序( g i s r ) 。外设向爨表用来得到莱一特定外设事 件的特定中断服务子程序( s c s r ) 。这样，g i s r 中的程序代码读出p i v r 中的 僮，在缳存必要的上下文之后，用p i v r 中的僵寒产生一个转穆到s i s r 救向 量。 2 实际系统的资源占用和分配 霜一 在d v r 装置样椒中，震要完成爨工终任务露：a d e ，采榉数据处理，过 零点摘援，串日通信，电网状态判断，补偿量计髯，p w m 笈波控稍，装爨运 行状态判断和控制( 如投切、软启动、风扇管理昝) ，硬件保护中断等。和d s p 的资源对应，可眺做出如下资源分配 表2 ：毯务秘资源分辩荚系表 软件分配任务d s p 资源p l v i n l h l硬件保护p d p i n t a 中断0 0 1 9 h 电瓣状态判鞭， 偿量计 荆下2 算骶h 疆r 1 中断 0 0 2 7 h p w m 发波控制，a d c 启动 i n t 3辅助时钟t i m e r 2 中断0 0 2 b h 1 n t 4 过零点捕捉，锁糖c a p 4 中断0 0 3 6 h 掰稻 拳纷逶嫠s c i 孛蝰渊、粥 i n t 6 采样数据处理a d c 中断0 0 0 4 h 采样数据处理。通信数据 m a i n 函数 处理，装置状态判断和控 囊等 3 中断资源的系统级管理和软件框架 如装2 所示，为究成d v r 的工作任务，共分配了6 个中断和一个主循坏。 足个孛叛之润煮黄霾蠢联系，镶麓：i n t l 霹班终壹戮砭豹运行，戮砭耪 i n t 4 、i n t 5 、i n t 6 裔共享数据，m a i n 函数更怒使用了中断中的全局变摄。 所以，几个中断的运行需要良好的酉己合，才能保证每个任务的正确执行。 图5 - 6 ：采样周期示意图 表3 ：时间段定义 黯闯段珏务 资滚 t ， 电网同步，定时器同步，a d c 扁动，电 网状态判断，补偿计算，p w m 发波控制 i n t 2 4 5 t 2 辅助时钟操作 i n t 3 3 采样数据娃理 l n 下6 采样数据处理，通信数据处理，装置状 t 4m a i n 态判麟弹控制嚣 t 5 过零点捕捉，锁相计算i t 6 串行通信接收、发送i n t 5 t 7 电潮弱步，定时器同步d 礴2 t 8 a d c 转换时间硬件 p w m 调箭的载波周期时间由定时器t 1 的周期中断确定，每个载波进行一 次a d c ，所以载波周期同时又是采样周期b 。所有的任务执行，都是在采样 两麓t s 基稿上进行管理。粕表3 所示，t l 寝示t t m e r i 中断i n t 2 执行时间，t 2 表示t i m e r 2 中断i n t 3 执行时间，t 3 表示a d c 中断i n t 6 执行时间，t 4 表示 主镶环执行辩蓠，t 5 表示c a p 4 耩撼中断i n w 执行辩闻，t 6 表示s c i 中断i n t 5 执行时间，t 7 表示1 n t l 中断里定时器同步等操作耗费的时间，t 8 表示a d c 转 换巍藏瘊耗簧豹嚣雩瓣。其中，t 1 t 6 缀或一令完整懿蠢，订秘绣是蘸定篷( t 7 固定，才能保证采样间隔致) ，和t l 、t 2 霞叠，艇叠的意义在于补偿计算和 a d c 转换可以芳嚣，节省等德时阅。 4 3 1 每个采样周期t s 都会消耗的时间段有t l 、t 2 、t 3 、t 4 ，有通信任务时，t s 中甑含t 6 ，滋硬件硷溺虱外部遥零点时，飘中包含t 5 。显然，应该满足 t 1 + t 2 + t 3 + t 5 + t 6 t s 和t 7 + t 8 t l + t 2 两个约束条件。第一个条 牛保证主循环有时间 褥到运行，第二个条 牛徐涯在下一次采祥数据处理拜亨a d c 转换已经完成。程 序的执行秩序大致如图5 - 6 所示。 5 4 2 软件算法流程 软件程序的算法和结构如前所述，其中定时器1 中断，a d c 中断和主循环 程序是整个软件系统的主体和关键部分，它们的程j 葶流程如下图所示。其中， a d c 中断服务程序瓣酌校零是指交流通道豹校零。t i 公司的d s p 芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 内集成的a d c 模块是单极性的，测量范围是0 3 3 v ，所以 交流信号进入d s p 游经了鲞流谝鹫( + 1 6 5 v ) 。令范鬣 6 5 v + 1 6 5 v 静 待测信号上凝加一个直流分摄+ 1 6 5 v ，转换到测量范围o 3 3 v 内。由于硬件 电路元器l 孛参数豹离散性窝隧援蛙，叠麓静矗滚分鬟其鸯一定静镶豢，繇渡遥 过交流通道的校零可以准确地把直流偏置的信号还原成待测交流信号。 图5 _ 7 ：主程序流程豳 4 7 豳5 8 ；定时器l 中麟瓣努程序涟程蜜 4 8 5 5 本章小节 阔5 - 9 ：a d c 中断服务程序流程图 1 。 选取了一静台溪瓣主惫路据癸结稳，势在蘧基礁上送行元器薛参数设 计。 2 以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 作为核心器件进行控制系统的硬 件设计，详细阐述了控制系统的结构和各部分功能，简述了人机接口的实现。 3 从控制系统的需求出发，说明了系统软件的设计过程。具体的讲解了 d s p 的资源利用情况和采样周期内各工作任务的配合和管理，并给出了主要部 分的软件流程。 5 0 6 1 实验结果 第六章结束语 因为项目时间管理不合理、本人主观认识的不足和客观上一些原因，样机 的研制还没有完成，只能做一些原理验证的实验。 受硬件条件限制，为了方便观察实验结果，实验时的参数如下：直流母线 电压1 0 0 v ，给定电网参考电压1 2 0 v ( 均方根值) ，电网电压跌落和上凸幅度 约1 0 ，负载为纯阻性负载。实验结果用r i g o l 公司的d s l1 0 2 c d 型示波器 观测所得。其中，通道1 为电网电压( 图中蓝色) ，通道2 为负载电压( 图中 红色) 。 6 1 1 电压跌落的补偿 当电网电压跌落时，经过d v r 装置的补偿，负载电压基本维持不变。在 电压跌落发生的前两个周波，负载电压也有少量下跌，d v r 装罱未能完全补偿 ( 如图6 - 1 所示) 。之后的稳定补偿时，负载电压和电网电压跌落前一样( 如 图6 2 所示) 。在电压跌落恢复时，前两周波负载电压跟随上升少许，d v r 装 置补偿过量，之后仍然和电网参考电压一致( 如图6 3 所示) 。 图6 - 1 ：电压跌落补偿的动态过程 5 1 图6 2 ：电压跌藩的稳态补偿效果 图6 - 3 ：电压跌落恢赛时补偿酌动态过程 6 。1 ，2 耄器凸起戆誊 偿 和电网电压跌落炎似，当电网电压曲起时，经过d v r 装置的补偿，负载 蠢压基本维籍不变。在邀压凸怒发生熬蓠两令翔渡，受载惫援遣寄少纛主凸， 5 2 d v r 装置未能完全补偿( 如图6 - 4 所示) 。之后的稳定补偿时，负载电压和电 网电压凸起前一样( 如图6 5 所示) 。在电压凸越恢复时，前两周波负载电压 藤陡下洚少许，d v r 装置羚绥过垂，乏螽爨然秘瞧瓣参考藏压一致( 翔鹜6 - 6 所示) 。 图6 4 ：电压凸趣补偿的动态过程 匿昏嚣：毫压凸怒靛稳态蛰撩效果 5 3 豳6 - 6 ：电压曲起恢复时补偿的动态过程 6 。1 3 实验结果的结论 以。l 的实验旨在骏证补偿原理的正确性，只是对a 相电聪进行了实验骏 涯，莱双戆是弱葙静缮戆枣 嫠策蝰。姣实验臻鬈霹戳看凄，巍迄网遗匿发，妻毫 压跌落和电压凸趋时，负载电压基本维持不变，说明了补偿原理的正确性。由 于电压畸变发生和恢复时两周波内，负载电压均有少量变化，说明d v r 裴鼹 的动态性能还不够好，需要改进。 6 2i 作展望 由于样机的研制并来完成，因此还有很多工终震要继续傲。在理论磺究方 面，零论文对电弱邀疆的酶变量稔溅算法敲了大燕工佟，蔼对于控铡策略方嚣 的研究相对不足，缺溅定量的分析。在样机研制方面，还没有做出给直流母