（计算机系统结构专业论文）基于双dsp的svc数字调节器的设计与实现.pdf

摘要 摘要 为适应可持续发展的战略发展目标，能源必须得到有效和充分的帚j 用，电力系 统中的无功冲击和谐波作为一种“电网污染”，严重影响了电力系统中各种设备的正 常运行，在造成能源浪费的同时，对电网的安全构成隐患。 无功补偿是提高系统运行电压、减小网损、提高系统稳定水平的有效手段。 本文设计并实现了基于b s p 的静止型动态无功补偿装置调节器。首先介绍了d s p 技术及多d s p 并行处理技术。接着对几种方案进行了分析比较，在此基础上选择 了基于双d s p 外部a d 模块的设计方案。本方案以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，外固器 件包括信号输入和调理，脉冲放大，液晶显示，键盘处理等部分。应用c 语言和 汇编语言的混合编程方法实现了调节器主程序的编写与调试，实现了数据采集模 块、计算处理模块、液晶显示模块、人机交互模块等模块的编程与调试工作。并 完成了双调节器之间的通讯协议及调节器与上位机之间的通讯协议的制定与绽程 实现。结果表明本装置的控制方法有效、可靠，动态响应速度较快，达到了设计 要求。 关键词：数字信号处理器静止型动态无功补偿装置调节器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 a b s t r a c t e n e r g ys h o u l db eu s e dm o r ee f f e c t i v ea n ds u f f i c i e n tt og e a rt on a t i o n sl a s t i n g d e v e l o p i n gs t r a t e g y v a ra n dh a r m o n i ch a sb e c a m e s e r i o u s p o l l u t i o n i n c i r c u i t ， i tr e s u l t si na b n o r m a l w o r k i n g o fv a r i o u se q u i p m e n t si n e l e c t r i cs y s t e m ， b r i n g i n ge n e r g yw a s t e ，s i m u l t a n e i t y , t h r e a t e n i n gt oc i r c u i ts a f e t y , v a r c o m p e n s a t i o nh a sb e e np r o v e da ne f f e c t i v em e a s u r et or e d u c ee l e c t r i c c i r c u i t l o s sa n dt oi n c r e a s ew o r k i n g - s y s t e ms t a b l el e v e l ，b a s e do nd s pt h i sp a p e rd e s i g na n d i m p l e m e n tak i n do fs v cc o n t r o l l e r f i r s to fa 1 1 w ei n t r o d u c et h er e l e v a n tt e c h n o l o g y o fd s pa n dm _ i 】1 t i d s pp a r a l l e lp r o c e s s i n g m o r e s o m es c h e m ew a sa n a l y z e da n d c o m p a r e di n t h ep a p e ra n dt h es c h e m et h a tb a s e do nd o u b l ed s pa n de x t e r i o r a n a l o g t ) i g i t a l m o d u l ei ss e l e c t e d i nt h es c h e m e t h ec o n t x o l l e r sc p ui s t m s 3 2 0 f 2 81 2 a n di t sp e r i p h e r a l si n c l u d es i g n a lp r o c e s s i n g ，p l u s e sm a g n i f y i n g ，l c d ， k e yp r o c e s s i n ge r e 礴ecl a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g ea r eb o t hu s e dt oi m p l e m e n t t h ec o n t r o l l e rm a i n p r o g r a ma n de a c hm o d u l ep r o g r a m 1 1 l em o d u l e sa r ed a t ac o l l e c t i o n m o d u l ea n dc o m p u t i n gm o d u l ea n dl c dm o d u l ea n dm a l l m a c h i n ec o n v e r s a t i o n m o d u l e m o r e o v e r , t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt w oc o n t r o l l e r sw a ss e t e du p a n di m p l e m e n t e d t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nc o n t r o l l e ra n dm o n i t o ra l s o w a ss e t e du pa n d i m p l e m e n t e d t h er e s u l t 8s h o wt h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yi sv a l i da n d c r e d i t a b l e , n t o l e , i t sr e s p o n ds p e e di sh i g ha n ds a t i s f yt h ed e s i g nd e m a n d k e yw o r d s ：d s p s v ca d j u s t m e n tt m 8 3 2 0 1 眩8 1 2 创新性声明 y 8 5 8 6 1 5 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：里江i k日期 瑚、z 2 0 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名：亟鎏! 兰 导师签名：雌 日期 t 、z ，幻 日期兰塑董：星：至f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的来源及意义 该项目是由西电公司委托研发的横向开发项目。 随着现代电力电子设备等于扰负荷( 非线性。冲击性，不对称性) 大量接入电网， 使电网供电质量受到严重影响，其中各种电力电子开关器件的大量应用和负载的 频繁波动是最主要的干扰源，导致了一系列不良影响。 目前解决这一问题普遍使用的方法是在干扰负荷接入点同时接入静止型无功 补偿器，即s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ( s v c ) ，s v c 兼有谐波滤波和动态无功补偿及校 正三相电压不平衡度三种功能。可以有效的抑制干扰负荷对公用电网电能质量的 影响f 【l 。 以前设计的s v c 的控制是基于电子线路或单片机技术实现的，由于系统速度 较慢，很难满足复杂控制算法的要求，难以具有快速的响应速度。本文采用t i 公 司先进而又功能强大的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器( d s p ) 设计的数字化控制 器则可以织决这一闯题 2 j 。基于d s p 设计的控制器已成为现代数字控苷鹚系统发展 的趋势。 d s p 是2 0 世纪9 0 年代兴起的高速数据处理芯片，由于其具有接口简单、编程方 便、精度高、速度快、集成度高等突出的优点，已经在通信、语音、图像、雷达、 生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用【3 1 。美国t e x a s i n s t r u m e n t si n c o r p o r a t e d ( t i 公司) 是当今世界上最大的d s p 供应商，t i 公司推出的 t m s 3 2 0 系列是目前世界上最有影响的主流d s p 产品。 本论文基于t i 公司的数字信号处理器，i m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，研究并设计了静止型动 态无功补偿装置( s v c ) 数字调节器。 1 2 作者的工作内容及章节安排 作者的工作内容包括以下几个方面： 1 、对基于d s p 的静止型动态无功补偿装置数字调节器的多种设计方案进行了 研究，通过对多种方案的分析与对比，提出了实时性较高的满足用户要求的系统 设计方案。 2 、部分硬件电路的设计与实现。 基于双d s p 的s v c 数字调节器的设计与实现 3 、完成软件编程与调试工作，包括以下几部分： 静止型动念无功功率补偿算法的编程实现。 根据计算出的触发角发送触发脉冲实现实时控制。 实现双d s p 之间的通讯。 完成人枫界面的设计( 液晶显示与键盘处理) 。 实现调节器与上位机之间的通讯。 完成s v c 数字调节器各模块的功能调试、测试联调工作。 论文的章节安排： 第一章绪论 本章简要说明了静止型动态无功补偿装置( s v c ) 数字调节器研究课题的来源 及意义，介绍了作者的工作及论文的章节安排。 第二章s v c 数字调节器系统方案分析与设计 本章首先介绍了d s p 技术与多d s p 并行处理技术。然后介绍了t c r s v c 型 数字调节器的原理，其次通过对系统的性能分析，选择了合适的d s p 芯片，并对 所选择的芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的特点进行了说明。最后对静止型动态无功补偿装置 数字调节器的各种设计方案进行了对比分析，在此基础上提出了本课题的基于双 d s p 的设计方案。 第三章s v c 数字调节器硬件发计与实现 本章详细介绍了数据采集模块，双机通讯模块，液晶显示模块，键盘模块，实 时钟模块等模块的硬件特点及其接口设计方案。 第四章系统控制软件设计与实现 本章详细介绍了数据处理模块，双机通讯模块，人机界面模块，实时控制模块， 看门狗模块等模块的软件设计流程与方法。 第五章测试结果分析 本章首先对d s p 的开发环境进行了简要介绍，然后对基本硬件电路测试中的 一些方法进行了简单的说明。 结束语 总结了作者所做的研究工作和实验联调工作，以及在系统软硬件设计中得出的 经验，说明了该设计的创新点，并提出了改进方案。 第二章方案分析与设计 第二章s v c 数字调节器系统方案分析与设计 2 1 1d s p 技术的特点及发展 2 1d s p 技术 当今时代是计算机技术和数字信息处理技术高速发展的时代。自第一个微处理 器问世以来，处理器技术水平得到了十分迅速的提高，而快速傅立叶变换等实用 算法的提出促进了专门实现数字信号处理的一类微处理器的发展。数字信号处理 器有别于普通的科学计算和分析，强调运算处理的实时性。因此d s p 除了具备普 通微处理器所强调的高速运算和控制功能外，针对实时数字信号处理，在处理器 结构、指令系统、指令流程上做了很大改动，其结构特点如下： 1 d s p 普遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构和超级哈佛结构，比 传统的冯诺依曼结构有更高的指令执行速度。 2 d s p 大多采用流水技术，即每条指令都由片内多个功能单元分别完成取指、 译码、执行等多个步骤，从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令的执行 时间。 3 片内有多条总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，并且有辅助寄 存器用于寻址，它们可以在寻址访问前或访问后自动修改内容，以指向下一个要 访问的地址。 4 针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘法累加运算的特点，d s p 大都配 有独立的乘法器和加法器，使得同一时钟周期内可以完成乘、加、减运算，大大 加快了f f t 的运算速度。 5 许多d s p 带有d m a 通道控制器。以及串行通信口等，配合片内多总线结 构，传送速度大大提高。 6 配有中断处理器和定时控制器，可以很方便地构成一个小规模系统。 7 。具有软、硬等待功能，能与各种存储器连接。 人们对d s p ( 数字信号处理器) 技术的研究兴趣开始于二十世纪7 0 年代，主 要是研究诺如调制解调器和中心转接系统等电讯设备。贝尔实验室的d s p l 和n e c 的7 7 2 0 在】9 7 8 年的问世，宣布了d s p 处理器的诞生。 1 9 8 2 年，美国t e x a si n s t r u m e n t s 推出了采用哈佛结构的t m s 3 2 0 1 0 ，将指令 和数据存储空间分开各自具有地址和数据总线，奠定了现代d s p 处理器的基础， 成为第一代d s p 。 基于双d s p 的s v c 数字调节器的设计与实现 1 9 8 7 年问世的m o t o r o l ad s p 5 6 0 0 1 代表第二代d s p 结构走向成熟。它具有了现 代d s p 的大部分数据处理功能：器件内部采用流水线，有乘累加单元，支持零开 销，可以进行窗口寻址。同一时期的d s p 还有a t & t 的d s p l 6 a ，a n a l o gd e v i c e s 的a d s p 一2 1 0 0 等。 进入2 0 世纪9 0 年代，随着应用领域的不断扩大，d s p 进入了一个快速发展时 期。除了满足实时处理的要求外，处理能力更强大，软件开发环境更成熟，而且 更注重低功耗、低成本、高集成度的要求。第三代d s p 的典型代表是1 9 9 5 年 m o t o r o l a 的d s p 5 6 3 0 1 和t i 公司的t m $ 3 2 0 c 5 4 1 。 1 9 9 7 - 1 9 9 8 年，d s p 技术发展到了第四代，指令并行性进一步提高，从单指令 系统发展到v l l w 结构、多处理器结构。其典型代表是t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 ， 它采用v l i w 结构，将8 条指令打包成条长指令，在处理器内部同时执行多个 操作。 从第四代到现在，d s p 处理器不仅处理性能有了较大提高，而且结构和开发手 段更加成熟、可靠，随着d s p 故处理速度不断提高，成本不断降低，其应用领域 己从军事、航空、航天等尖端领域进入民用产品各领域，业已成为数字信息时代 的核心引擎，并成为目前电子工业领域增长最迅速的产品之一。据世界半导体贸 易统计组织( w s t s ) 发布的统计和预测报告显示，从2 0 0 2 年到2 0 0 5 年，全球 d s p 市场的前景非常广桶，d s p 产业将成为本世纪最具发展潜力的朝阳产业。 2 i 2d s p 的分类 一、根据数据格式分类，可以将d s p 分为定点型和浮点型 定点d s p 的运算速度高，但是数据的动态范围小。常见的1 6 位定点d s p 动态 范围仅为9 6 d b ，每增加一位，动态范围只增加6 d b 。早期的d s p 都是定点的，定 点的d s p 可以胜任大多敬数字信号处理的应用，但在某些要求数据动态范围很大 的场合，定点处理会发生数据溢出或下溢出，严重时处理无法进行。浮点d s p 的 出现解决了这些问题，它拓展了数据动态范围，3 2 位浮点数据的动态范围为 1 5 3 6 d b 。 在我们进行静止型动态无功补偿装置数字调节器的设计时，我们选用运算速度 快，价位适中的定点d s p 器件。 二、根据d s p 处理器的用途可分通用型和专用型 根据d s p 器件使用的广泛性，d s p 器件可分为通用d s p 和专用d s p 。通用 d s p 一般指可以用指令和软件编程的d s p ，而专用d s p 是针对某种具体应用而设 计的，其针对特定算法用硬件直接实现，从而达到很高的数据处理能力。专用d s p 第一章方案分析与设计 只能通过加载数据、控制参数或在管脚上加控制信号来使其具有有限的可编程能 力。 衡量专用d s p 性能的主要指标是它完成相应处理任务的速度以及字长，评价 通用d s p 最常用的指标是每秒百万次指令执行个数m i p s 。通用d s p 的运算和处 理是用软件实现的，而专用d s p 的运算是用硬件直接实现的，其内部结构简单， 通常可以容纳很多相同的运算单元，因此专用d s p 在做指定运算时，速度远高于 通用d s p 。缺点是灵活性差，几乎都是定点型的，精度和动态范围有限，需要较 多外围控制器件和严格的时钟同步信号，且专用d s p 几乎不具备自适应处理能力。 常见的专用d s p 器件有f f t 专用d s p 、卷积及相关器、求模及相角等。由于 它们内部结构规则，可以达到很高的数据吞吐率，片内有许多并行工作的处理单 元，因而在专项应用中，运算速度远快于通用d s p 。专用d s p 要求数据按节拍以 规则的方式输入和输出d s p ，时钟和同步控制严格。 在进行静止型动态无功补偿装置数字调节器的设计时，我们采用灵活控制、通 用性好的通用d s p 器件。 2 1 3d s p 内部结构的并行性 新代的d s p 在片内应用了许多并行处理技术，采用了大量并彳亍功能模块， 使得d s p 的性能得到迅猛发展。 首先是位级的并行，即微处理器内部总线的并行化。随着半导体技术的不断提 高，微处理器内部总线的位数由4 位迅速发展到8 位，1 6 位。8 0 年代中期，出现 了3 2 位微处理器，成为广泛使用的发展潮流。9 0 年代中期以后6 4 位微处理器逐 渐在高性能处理器中使用。 其次是哈佛结构的应用，即片内程序总线和数据总线的分离。它的主要特点是 将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互 独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统 中设置了程序总线和数据总线两条总线，从而提高了数据吞吐率。由于程序和数 据存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠运行。 指令级的并行在8 0 年代中期到9 0 年代占主导地位，指令级并行是提高指令执 行速度的一条主要途径之，其实现的方法有流水线技术( p i p e l i n et e c h n o l o g y ) 、 超标量技术( s u p e r e a l a rt e c h n o l o g y ) 、超长指令字技术( v l i w ) 等。 流水线技术( p i p e l i n et e c h n o l o g y ) 就是把个处理过程分成若干个子过程，每 个子过程都可以与其它子过程同时进行，就像一个管道一样源源不断地执行任务。 对于d s p 来说，常用的三级流水线包括取指、译码和执行。在这三级流水操作中， 取指、译码和执行可以独立地处理，这可使指令执行完全重叠。在每个指令周期 6 基于双d s p 的s v c 数字调盯器的设计与实现 内，三个不同的指令处于激活状态，每个指令处于不同的阶段。芯片内c a c h e ( 高 速缓存) 的使用，使得微处理器又一次快速发展。c a c h e 能提供高速存取速度，使 得指令获取、数据获取在多数时l 日j 内都可以在单周期内完成，这样，指令处理的 基本步骤( 指令译码、整数算术运算、地址计算等) 皆可在个周期内执行完成。 超标量技术( s u p e r c a l a rt e c h n o l o g y ) 是在微处理器内设置多个可同时工作的独立 功能部件。处理器单个芯片包括了整数算术运算、存储器操作、分支操作、浮点 操作等功能单元，在同一时刻可以俘获多条指令，如果有可能，就分配到不同功 能单元。这种形式的指令并行为芯片资源更进步的开发提供了种自然的方法， 即更多函数单元，同时获取更多的指令，多个指令可以在一个时钟周期分配到功 能单元。目前实用的微处理器中大多采用了超标量技术，如i b m p o w e r 6 0 0 0 等。 超长指令字技术( v l i w ) 技术也是实现指令并行的种方法。它是在一条指令 中设置多个独立的操作字段，每个字段可以独立的控制各个功能部件并行工作。 t i 公司高端的通用d s p 在超流水线技术、超标量技术的基础上也多采用了v l i w 技术，如t l 公司的t m s 3 2 0 c 6 x 系列d s p 。由于它的内部集成了2 个乘法器和6 个算术运算单元，且它们是高度正交的，使得在一个指令周期内最大能支持8 条 3 2 b i t 的指令。超长指令字技术加上其特有的内部结构，可使d s p 在一个时钟周期 内并行执行几条指令。 另外，d s p 的双处理内核的应用，也进一步提高了d s p 片内并行度。根据单 片微处理器内核运算单元的数量及相互关系，可将微处理器分为s i s d ( s i n g l e i n s t r u c t i o ns i n g l ed a t a ) ，s i m d ( s i n g l ei n s t r u c t i o nm u l t i p l ed a t a ) 和m i m i ( m u l t i p l e i n s t r u c t i o nm u l t i p l ed a t a ) 。以往所常用的d s p 都是s i s d 型的，随着v l s i 的发展 和s o c 设计方法的出现，s i m d 、m i m d 技术也被大量运用。这样，在单个芯片 上就集成了多个处理单元，各单元间进行并行的、独立的运算，而共享一个大的 存储空间，这就构成了一个微型化的并行处理系统。 2 , 2 多d s p 著行处理技术 并行处理是由若干处理单元以某种结构互连构成的系统，系统中的处理单元能 够互相通信、互相协同完成大型快速计算。按存储器的组织分布可将多处理器系 统分为共享存储器处理器系统和分布式多处理器系统。按多处理器间的互联通信 途径划分，有总线通信方式、开关网络方式、多端口存储器通信方式及采用点对 点的通信端口方式等。多处理系统可以采用单级共享总线系统，也可以使用多级 总线构成更大规模的系统。 多处理器系统中处理器间的互联方式决定了多处理器互相协同工作的性能。下 面就共享总线式和分布式并行处理结构对构成的多处理器系统的构成方式和性能 第二章方案分析与设计 7 做些比较。 一、分布式并行多处理器结构 分布式并行系统是各处理器通过链路口或者通信口连接在一起组成的并行系 统。分布式系统属于松耦合系统，每个处理器节点可以有各自的处理器空间和自 己的外围设备。各个处理器间采用消息传递机制进行通信。处理器间连线少，d s p 之间耦合松。可以组成总线型、星型、环型、树型、网格型和超立方体等多种形 式。 分布式并行结构的系统适合多通道和流水线处理。每片d s p 近乎独立进行数 据处理。多通道处理中，每片d s p 都是执行相同的指令而对不同的数据进行处理， 流水线操作中，每片d s p 都是对同一组数据进行处理，但不是同时进行操作。 与共享总线结构相比，分布式结构具有负载轻、没有总线竞争、系统可扩展性 能好等优点。但是这种结构的系统软件编程复杂，所需的存储器较多，并且由于 数据的相关性，处理器间需要频繁地进行数据交换、数据转发时，就会明显地降 低系统的效率。 二、共享总线式多处理器系统 多个处理器、存储器模块通过公用总线相连，总线上的存储器为多个处理器所 共享，构成共享存储器的紧耦合系统。因为多个处理器同时访问总线时，需要通 过总线仲裁获得总线控制权，互相之间的耦合作用较为紧密，所以是一种紧耦合 的系统。 紧祸合系统的优点在于它的结构规则，可以对总线上的所有设备进行统一的编 址，因此，软件编写简单、易行。t i 公司和a d i 公司的d s p 都支持共享总线的处 理器组合方式。a d i 公司的s h a r c 系列d s p 都有多处理器接口和总线仲裁逻辑， 可以方便地将至多6 片d s p 的外部总线连接在一起且无需外加控制逻辑。按在总 线上的外部存储器和各个d s p 的片内存储器及片内存储器映射器都被统一编址， 作为共享资源能被各个d s p 访问。但是它的最大缺点在于由于处理器分时占用总 线，带宽低，处理器数的增加会增大访问总线冲突的可能性而导致系统效率的急 剧下降，所以，它只适合处理器数目少的场合。 上面介绍的两种典型的多处理器连接的方式，在实际的设计中多为混合使用。 在设计静止型动态无功补偿装置调节器时，我们使用双d s p ，通过m c b s p 串口实 现双d s p 的互连。属于分布式系统连接方式。 基于双d s p 的s v c 数字调节器的设计与实现 2 3 1 概述 2 3 静止型动态无功补偿装置原理简介 静止无功补偿器( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r s v c ) ，全称为静止型动态无功补偿装 置，它是一种可以控制无功功率的补偿装置。通常是由并联电容器组( 或滤波器) 和一个可调节电感量的电感元件组成。s v c 与一般的并联电容器补偿装置的区别 是能够跟踪电网或负荷的无功波动，进行无功的适时补偿，从而维持电压的稳定。 目前的s v c 主要有三种型式：滤波电容器组( f c ) + 晶闹管控制的电抗器( t c r ) ， 一般记作t c r s v c ；f c 十自饱和电抗器( s r ) ，一般记作s r - s v c ；晶闸管投切的滤 波电容器组( t s c ) 一般记作t s c 。0 4 k v 低压系统常用t s c ；在6 k v ，1 0 k v ，3 5 k v 中压系统多采用t c r s v c ；s r s v c 因噪声较大，不太常用。本文主要研究 t c r s v c 型数字调节器的系统设计及其实现。下面简要说明t c r s v c ( 以下简称 s v c ) 的工作原理”1 。 2 3 2t c r - s v c 补偿原理 由于冲击负荷一般产生大量的谐波电流，t c r 型s v c 通常由一个可调节电感 量的电感元件( t c r ) 和几组l c 滤波回路组成( 见图2 1 ) ，兼顾滤波和动态无 功补偿。 圈2 1s v c 单相等效接线图 由图2 1 可得稳态下无功功率和谐波电流平衡方程： 珐= 幺+ o r q ( 2 1 ) ih = i i h + im i ? h q 图中o ，表示负载无功功率( 随机的) ，绕为补偿电抗器的感性无功功率。q 为固定电容器组提供的容性无功功率，珐为系统无功功率。厶为谐波电流。s v c 如图2 1 接入系统中，电容器提供固定的容性无功q f ，补偿电抗器通过的电流决 第一：章方案分析与设计 9 定了补偿电抗器输出感性无功q ，的大小，感性无功和容性无功互相抵消，只要能 做到系统无功g = 骁+ g 一骁= 常数( 或o ) ，则能实现电网功率因数= 常数， 电压几乎不波动。关键是准确控制晶闸管的触发角，得到所需的流过补偿电抗器 的电流。l c 滤波器的设计，理想情况下使流入系统的谐波电流j 。= ，。+ ，。一l c h = 0 。现场要求滤波器投入后使注入系统的各次谐波电路和电压谐波总畸变率在国际 限值以内。 图2 2 是s v c 无功功率补偿原理曲线。从图中看出，负载中的无功功率变化 是随机的，不可控制的。幺是可以控制的，硫q ，变化而变化，最终控制系统中的 无功功率q 为一恒定值，从而维持其端电压实际上不发生变化。这种恒电压的特 性可以有效抑制电压波动与闪变。 和卜 ，、 p 一 聿b 仁k 茸= = = = = ? 钿 _ _ 】- - _ _ _ - - 。4 。_ 。“。_ 图2 2s v c 无功功率补偿曲线 2 4 系统设计中主芯片的选择 根据系统控制精度的要求，个周期要得到6 4 个采样点。即按3 2 点1 0 m s ， 每一点都要进行计算处理，采样间隔时间3 1 2 5 0 0 n s ，预计采样及其计算处理要两 三万多条单周期指令，一般的单片机难以实现如此复杂的实时计算的要求。本系 统决定选用d s p 芯片进行设计。 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的个环节。只有选定了d s p 芯片才能进一步设计外围电路系统的其它电路。总的来说，d s p 芯片的选择应根 据实际的应用系统需要来确定。般来说，选择d s p 芯片时应考虑如下因素。 一、d s p 芯片的运算速度 运算速度是d s p 芯片的一个最重要的性能指标，也是选择d s p 芯片时所需要 考虑的一个主要因素。因此我们进行硬件设计之前，首先要根据处理要求来选择 合适的d s p 处理芯片。d s p 芯片的运算速度主要以指令周期来衡量，指令周期就 是执行一条指令所需要的时间，通常以n s 为单位。 二、d s p 芯片的硬件资源 基于双d s p 的s v c 数字调节器的设计与实现 d s pj 苎= 片的硬件资源包括外部各种通讯接口、d m a 通道以及外部扩展存储器 容量的大小等等，d s p 的硬件资源也是我们选择d s p 时要加以考虑的重要因素， 因为d s p 硬件资源的多少直接影响系统内部各个d s p 单元之间数据交换的速度， 从而影响程序的效率。 i 、d s p 芯片的价格 d s p 芯片的价格在系统设计的成本中占很大的比例，因此我们要充分考虑系统 的性能价格比，尽量达到花费最小的成本达到最大的性能。 四、d s p 芯片的丌发工具和语言 d s p 芯片的开发工具直接关系到程序开发的时间，拥有一个良好的开发工具及 技术支持会大大的缩短工程的开发周期，目前t i 公司和a d i 公司都拥有自己的开 发工具来支持自己的产品，而且两个公司d s p 开发工具的技术支持也很全面，因 此用户可以不必考虑。开发语言方面，般的d s p 都支持汇编语言，c 语言，但 有些公司的特有的编程语言更为简明方便。 五、其它的因素 如芯片的功耗、封装的形式、质量标准和生命周期等，用户可以根据具体情况 来选择合适的芯片。 应用系统的运算量是确定选用处理能力多大的d s p 芯片的基础，还有d s p 的 硬件资源也是影响系统性能的关键因素，所以我们选用d s p 主要从这两个方面来 考虑。 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列是美国t 1 公司推出的最佳测控应用的定点d s p 芯片， c 2 0 x 、c 2 4 x 、c 2 7 x 和c 2 8 x 。c 2 0 x 可用于通信设备、数字相机、嵌入式家电设备 等；c 2 4 x 主要用于数字马达控制、电机控制、工业自动化、电力转换系统等。c 2 8 x 系列芯片，进一步增强了芯片的接口能力和嵌入功能。t m s 3 2 0 f 2 8 x 系列是t i 公 司最新推出的d s p 芯片，是目前市场上最先进、功能最强大的3 2 位定点d s p 芯 片。它即具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能， 特别适用于有大批量数据处理的测控场合。几种定点d s p 的性能参数及部分硬件 资源如表2 1 所示t 4 。 表2 1 三种定点d s p 的性能及部分硬件资源 功能t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 at m s 3 2 0 l f 2 4 0 3t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 指令周期 2 5 n s2 5 n s6 ，6 7 n s 片内f l a s h3 2 k + 1 61 6 k + 1 61 2 8 k + 1 6 第二章方案分析与设计 片内s r a m 2 k 1 65 1 2 1 61 8 k + 1 6 事件管理器e v a ，e v 8e 、r ae v a ，e v b 通用定时器42 4 m c b s p 多通道缓冲 无无有 串行接口 捕获( c a p ) q e p 6 ，43 26 2 数字l t o 引脚( 复用) 4 12 15 6 c a n 口 有有有 执仃- 力祭事旨令所 7 5 0 u s7 5 0 u s2 0 0 1 t l $ 需时间 经过分析、估算，本系统预计采样及其计算处理要两三万条单周期指令，l o r e s 采样3 2 点，采样间隔时间3 1 2 5 0 0 n s 。t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列产品中的高端产品 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器速度1 5 0 m h z 单指令周期6 6 7 n s ，执行3 万条指令要 2 0 0 1 0 0 n s ，在采样间隔时间3 1 2 5 0 0 n s 以内，能完成采样间隔期的各种计算及处理 任务，另外t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器有丰富的片内外设，支持c 语言和汇编语言编程。 在综合考虑各个方面的性能后，决定选用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器进行系 统设计。 2 5 系统设计方案的分析与对比 静止型动态无功补偿装置是由相对独立的两部分组成，调节器部分与监控器部 分。调节器部分主要进行数据采集，计算处理及其实时控制，监控器主要是对高 压晶闸管、高电位板和触发品闸管动作的触发信号及系统其他相关信号的监测与 控制。本文主要讨论调节器部分的设计与实现。 在高压s v c 装置数字调节器中，需要对三相交流电的六路模拟信号( u a b 、 u b c 、u c a 、i a 、i b 、l c ) 进行高速、同步数据采集，对各信号进行数字滤波，对每 周6 4 个采样点进行多次h 呵计算，根据计算结果查表，得到控制输出的参数，根 据该参数控制启动输出操作。 通过上节分析我们选用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器进行系统设计。根据系 统的功能、性能、实时性方面的要求，初步考虑以下几种设计方案。 一、方案一 1 2 基于般d s p 的s v c 数字调节器的设计与实现 i a 电 p 1 0 流 j a ，i b ，i c i b 互a d c l n a 0 2 i c 感 滤 _器 p i o u a ，u b u c l a d c i n b o2 波 r t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 放 1 过零检1p 1 0 u a 电 测 压 大 p 1 0 。e v a u b l 锁相l 互 感 u c 器 吲2 3 万榘一 控制电路检测来自p t 和c t 的六个输入量：三相电压u a ，u b ，u c ，三相电 流l a ，i b ，i c 。检 贝i l 量经过各自互感器后变成了弱电信号，经隔离、滤波、放大、 连接到d s p 的a d 端口，然后每路分别送入t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部自带的a d 的采 样输入端，经转换存入存储器中，然后由d s p 完成全部的数字信号处理工作，包 括计算处理，实时控制，人机界面、与上位机的通讯等。 二、方案二 i a 、 电 i b 流 1 a ，i b ，l c ，互 a d c i n a 0 2 感 1 c 滤 m c b s p器 u a u b u c a d c t n b 0 2+ 波 i 数据采集 处理 放计算处理 控制 u a 、 电 n 嗣d s pa d s p b 大1 检测1 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 t 璐3 2 0 f 2 8 1 2 u b 压 丁 互 感 u c 锁相l p i o”x i n t 器 ；e v a 图2 4 方案二 信号输入部分的电路与单d s p 类似，6 路信号送入t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部自带的 a d 的采样输入端，经转换存入存储器后，通过双d s p 完成全部的数字信号处理 第一二章方案分析与设计 工作。如图2 4 ：处理器d s p a 完成数据的采集，数据的计算处理，算出一个参 数，电力上称之为触发角：处理器d s pb 完成实时控制，人机界面的交互，与上 位机的通讯等。 三、方案三 图2 5 方案三 此方案中增加了三个单片机专用于发脉冲，这样d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 用来采集 计算、实现秒中断处理、液晶显示、键盘处理、人机界面以及与上位机的通讯等 功能。用另外的三个8 9 c 5 1 单片机专门负责a 、b 、c 相的发脉冲功能。 四、方案四 电 流 互 + i 感 滤 同翮+ b s p + 器 丫 数据采集处理 波 放 l 过零检 计算处理 控髑 d s p d s pb 电 测 t m s 3 2 0 f 2 8 1 5t s 3 2 0 f z 8 1 2 压 大 厂 互 + p i c x i n t 感 器 锁相e v a 图2 6 方案四 本方案在方案二的基础上增加t # f 部的a d 采样电路，其余与方案二相同。 基于舣d s p 的s v c 数字调1 7 器的设计与实现 五、j ! 马种方案的比较 方案用的是单d s p ，在该系统中，系统的控制过程与测量过程是同步进行 的，控制过程可能出现在两个连续的采样点问的任何时刻，因此采集与控制过程 产生时间冲突，因此必须采用多d s p 的并行结构，使两者能够并行执行。 方案二用了双d s p 并行结构，但是用的是内部采样电路，内部采样电路有两 个采保电路，同时能够采样两路，但是计算发脉冲参数的公式中用到了6 路信号， 也就是同一时刻采到的6 路信号，同时刻虽然不是严格意义上的同时，但是6 路信号的采集必须在2 u s 以内。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部2 个采保，需要采样三次，经 过试验测试勉强可以满足采样与a d 转换时间在2 u s 以内。但是，内部a d 采样的 精度经过试验测试不能满足要求。所以，对于实时性要求很高的本系统，最好不 要用此种方案。 方案三与方案一不同的地方在于用了三个单片机来发脉冲，这样发脉冲受到处 理其它功能模块时的影响变小。各模块功能明确，精确计算与实时控制都能够得 到满足，但是用了3 个单片机，整个系统的稳定性降低，另外，对于开发人员来说 要花费更多的时间熟悉更多的器件，因此，此方案也不是理想方案。 方案四中用了高速采样芯片a d s 8 3 6 4 ，它是1 1 1 公司新推出的高速、低功耗，六 通道同步采样1 6 位模数转换器，这样六路信号可以达到真正意义上的同时，经过 测试，用a d s 8 3 6 4 进行外部采样后，采样精度足以满足系统要求。 另外，要考虑处理器d s pb 在对其它功能模块处理时给实时控制带来的影响。 处理器d s pb 中对发脉冲造成影响的主要是中断处理，有秒中断时间显示处理， 按键中断处理，c a n 中断处理等，这些功能模块的实时性要求都不是很高，可以通 过在各中断子程序中置相应的标志位，进而在主程序里面通过检测标志位处理相 应的功能。通过测试，在中断里面置标志位处理需要的时间小于2 u s ，即对实时控 制影响微小，可以忽略。 在方案四中，数据采集、运算与控制是并行完成的；每一组采样点间总可用时 3 2 0 u s ，信号采集时间为5 0 u s ，对每个通道的计算、查表时间为2 1 0 u “6 ，这样采 样及其计算处理占用系统总时间的8 0 。 综上所述，从性能、成本等方面进行综合考虑，决定采用方案四。 2 6 本章小结 本章对d s p 技术及多d s p 并行处理技术进行了详细说明，对静止型动态无功 补偿装置的原理进行了简要介绍，并且对d s p 芯片的选择进行详细讨论，最后通 过对几种设计方案进行分析比较，得出最佳方案。 第三章s v c 数字调节器硬件设计与实现 第三章s v c 数字调节器硬件设计与实现 静止型动态无功补偿装置数字调节器的硬件结构框图如图3 1 所示。这个系统 的功能是依据一定的调节策略，将负荷电压、电流等参数作为输入信号，经过a d 采样后得到六路信号，对采样得到的六路信号进行计算处理后得到晶闸管的控制 角a ，从而控制补偿器向系统提供的容性无功。本系统测量6 路电压、电流信号， 最终目标是要产生t c r 触发信号。 h 陌 叫鎏l滤 m c b s p 一秦i 波 獬 数据采集 + 处理 计算处理 控制 d s p l i s pb 喧田 放 u t h s 3 2 0 f 2 8 1 2 1 1 巧3 2 0 f 2 8 1 2 一要k大 一要 l f ! 三- jp i cx i n t 图3 1 硬件结构框图 本系统由两个d s p 处理器组成，如图3 1 所示，处理器d s pa 实现多通道高 速a d 同步采样，数据实时处理；处理器d s pb 实现实时控制，与上位机的通讯， 人机界面的处理( 液晶显示、键盘处理) 等。通过双d s p 实现了高速信号采集与 系统实时控制的并行工作。本系统通过多通道缓冲串行口m e b s p 实现双机通讯。 其功能模块划分如下： 数据采集模块 同步信号检测模块 双机通信模块 键盘、显示电路模块 处