毕业设计煤矿供电网谐波抑制有源滤波器的设计

0 前言近些年来，随着煤矿企业电气自动化水平的不断提高，大量的非线性用电设备在生产中得到了广泛应用，但是非线性用电设备直接带来了谐波污染。通过对内蒙古和河北一些煤矿进行调研和了解发现，很多煤矿采用直流电动机带动绞车的运行，需要通过三相整流柜将交流电转换成直流电供给电动机，供电装置在矿井绞车加速时产生的五次、七次、十一次、十三次谐波电流污染了附近的供电网。谐波电流不仅影响了生产设备的正常运行，比如电动机绕组烧毁，也对矿区电网的安全运行造成重大威胁。不仅如此，谐波电流使电网电流和电压畸变率超过有关规定时电业局要罚款。 不论从生产实际出发，提高设备工作的可靠性，或者从经济角度出发，少罚款不罚款甚至得到奖励，研究设计煤矿供电网用谐波抑制有源滤波器都势在必行。目前煤矿变电所主要是采用LC串联谐振型无源滤波器（Passive Power Filter，PF）进行谐波抑制，但其滤波效果受到电力系统阻抗的影响较大，且只能消除特定次数的谐波，对于次数经常变化的负载滤波效果不好1。有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）是目前抑制谐波和进行无功补偿的先进方法，是用户电力技术中的一个研究热点2。与无源滤波器相比，APF具有高度可控制和快速响应特性，并且能跟踪补偿各次谐波，其特性不受系统影响，无谐波放大威胁，相对体积、重量较小。但是在较高电压等级的电网上单独使用有源滤波器因成本太高和开关耐压等因素的诸多限制，一直没有得到推广3。混合型有源滤波器将有源滤波器和无源滤波器相结合，取两者之长，补两者之短，使有源滤波器可以在较小的容量下应用到大功率场合，从而有效降低有源滤波器的成本，使其在工程中实践成为可能。随着国家对电网谐波污染治理的日益重视，“绿色电力电子”的呼声愈来愈高，有源滤波器必然会得到广泛的推广和应用。因此，研究设计谐波抑制有源滤波器对实际生产生活有着十分主要的意义。1 绪论1.1 煤矿供电网谐波产生的原因和危害国际电工（IEC，International Electrontechnical Commission）标准（IEC555-2，1982）定义谐波为：谐波分量周期为周期量在傅里叶技术中大于一的n次分量。把谐波次数n定义为：以谐波频率和基波频率之比表示的整数。电气和电子工程师协会标准（IEEE标准519-1981）定义谐波为：谐波为一个周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。总结二者，目前国际普遍定义谐波为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。定义n次谐波电压含有率以HRUn（Harmonic Ratio）表示为：(1-1)式（1-1）中，为第n次谐波电压有效值（方均根值）；为基波电压有效值。谐波电压含量定义为：(1-2)定义电压谐波总畸变率THDU（Total Harmonic Distortion）为：(1-3) 同理可以推广到电流谐波分量的定义。1.1.1 产生原因煤矿供电网谐波的产生主要是来自下列具有非线性特性的电气设备：(1)具有铁磁饱和特性的铁芯没备，如：变压器、电抗器等；(2)以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如：气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等；(3)以电力电子元件为基础的开关电源设备，如：各种电力变流设备(整流器、逆变器、变频器)、相控调速和调压装置，大容量的电力晶闸管可控开关设备等。以上这些非线性电气设备的显著的特点是它们从电网取用非正弦电流，即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压，但由于它们具有电流不随着电压同步变化的非线性的电压、电流特性，使得流过电网的电流是非正弦波形的。1.1.2 对煤矿供电网的危害煤矿供电网中谐波含量高，引起的各种故障和事故不断发生，对国民经济和生产、生活造成了不必要的损失。归纳起来，谐波对公用电网和其他系统的危害大致有一下几个方面：产生附加损耗，增加设备的温升,降低设备的效率和利用率；引起电动机的机械振动；无功补偿电容器组引起谐波电流的放大，甚至造成谐振；对继电保护、自动控制装置产生干扰和造成误动作；使测量和计量仪器的指示和计量不准确；干扰通信系统的工作。谐波对煤矿供电网的的危害除造成线路损耗外，更重要的是使电网波形受到污染，供电质量下降，危及各种用电设备的正常运行。当电网电压和电流的畸变率超过相关规定时，电业局要经济处罚，因此应该予以足够的重视和有效的管理，将危害限制在尽可能小的范围内。1.2 煤矿供电网谐波的抑制措施煤矿供电网谐波含量高，对电气设备的正常工作造成了很大的影响，同时还要面临电业局的罚款，因此不管从安全高效生产出发，还是从经济利益出发，都必须采取合适的谐波抑制手段。1.2.1 传统的抑制方法煤矿供电网采用的传统谐波抑制手段是在科学技术水平不高，技术手段缺乏的条件下采用的。由于受到技术限制，谐波抑制的效果并不理想。传统的谐波抑制方法主要有以下几个：1）增加换流装置的相数2）增装动态无功补偿装置，提高供电系统承受谐波的能力3）加装交流滤波装置4）防止并联电容器组对谐波的放大1.2.2 新型的谐波抑制措施随着科学技术的不断进步，谐波电流的检测方法不断改进，新型的电力电子器件不断出现，由此催生了一些新的谐波抑制措施。有源电力滤波器（APF），是一种新型谐波抑制和无功补偿装置，它不同于传统的LC无源滤波器（只吸收固定频率的谐波），它能对电流和频率都在变化的无功进行补偿，可以实现动态补偿。图1-1为基本的有源电力滤波器，图中负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分构成，分别是谐波和无功电流检测电路以及补偿电流发生电路。其基本工作原理是，检测补偿对象的电流和电压，经谐波和无功电流检测电路计算得出补偿电流的指令信号，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等电流抵消，最总得到期望的电源电流，达到了抑制谐波的目的。图1-1 基本有源电力滤波器结构图Fig1-1 Structure diagram of basic APF1.3 限制电网谐波的国家标准为了保证电力系统的安全经济运行，世界上很多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定的限制谐波的规定。制定这些标准和规定的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流，把谐波电压控制在允许范围内，使在电网中的电气设备免受谐波的干扰而能正常工作。各国制定的谐波限制标准是比较接近的。我国原水利部于1984年根据原国家经济委员会批准的全国供用电规则的规定，制定并发布了SD126-84电力系统谐波管理暂行规定。国家技术监督局于1993年又发布了中华人民共和国国家标准GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波，该标准从1994年3月1日起开始实施。随后相继颁布的电能质量国家标准还有电能质量三相电压允许不平衡度（GB/T15543-1995）、电能质量电力系统允许偏差（GB/T15945-1995）、电能质量电压波动和闪变（GB/T12326-2000）和电能质量暂时过电压和瞬时过电压（GB/T18481-2001）等。这些标准的出台，一方面表明我国在电能质量要求上更加严格、更加规范化，另一方面在谐波治理的效果上有了行业标准。表1-1 公用电网谐波电压（相电压）限值Fig1-1 Harmonic voltage(phase voltage) limit value of public utility grid电网标称电压/kV电压总谐波畸变率/各次谐波电压含有率/%奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.8表1-2 注入公共连接点的谐波电流允许值Fig1-2 Hamonic current limit value of injecting into point of common coupling标准电压/kV基准短路容量()谐波次数及谐波电流允许值/A234567891011121314150.38107862396226441921162813241112610043342134142411118.5167.1136.16.810100262013208.5156.46.85.19.34.37.93.747125.18.83.84.13.15.62.64.72.22.56650016138.1135.49.34.14.33.35.92.75.02.32.6110750129.66.09.64.06.83.03.02.44.32.03.71.71.91.4 国内外研究现状早在70年代初，日本学着就提出了有源滤波器的概念。1976年，美国西屋电气公司的L.Gyugi提出了用大功率晶闸管组成PWM逆变器构成“有源电力滤波器（APF）”来消除电网谐波。其基本原理和电路拓扑结构已经确定，但由于受到当时功率半导体器件水平和控制策略的限制，有源滤波器的研制一直处于试验阶段。直到进入八十年代后，随着新型电力半导体器件的不断发展、脉宽调制技术的不断进步以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法的提出，为有源滤波器的实用化提高了必要的条件，使之在工业上得到了广泛的应用。1982年，世界上第一台APF在日本研制成功投入使用以来，经过二十多年的研究和探索，APF技术得到了长足的发展，越来越多的APF投入运行，不论从功能实现还是运行容量上都有明显改善。世界上有源电力滤波器的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。在我国，有源滤波器的研究起步较晚，研究始于八十年代末期，兴于九十年代中期，1989年才见到这方面研究的文章，基本上仍处于实验研究阶段。从九十年代中期起，我国对APF的研究全面展开，包括谐波检测、拓扑研究、系统建模、控制方法等。我国实际应用并经过鉴定的是北京电力科学研究院和冶金科学院共同制成的，用于380V三相系统的50KVA有源滤波器。从2003年起，我国的APF市场逐渐热了起来，出现了一些系列化的产品。国内许多大专院校，如西安交通大学、华北电力大学、哈尔滨工业大学、中南大学、湖南大学等对APF进行了广泛的研究目前有源滤波器研究工作的关键所在是进一步提高有源滤波器在生产实践中的实际应用水平，促进科研成果向工业化成型产品的快速转化4。1.5 国内先进产品简介及缺点分析1.5.1 西安赛博电气公司SPA系列产品西安赛博电气公司生产的SPA系列有源滤波器产品是与西安交通大学联合研制开发的，型号齐全，品种繁多。以高性能的数字处理器（DSP）为核心，采用高频电力电子变换技术，进行谐波抑制和动态无功补偿，主要应用在石化、电解铝、水泥制造、机械制造、电气化铁路等领域。图1-1 西安赛博电气公司APF产品Fig1-1 APF product of Xian Saibo electric companySPA系列治理谐波电流值有45A、75A、100A、150A几种，最大只能到200A，工作环境温度为-10+45，相对湿度要求90%（25）。从技术参数上看，补偿容量很小，对环境要求也比较高。1.5.2 北京禄智科技公司Logintel产品Logintel有源滤波器产品是北京禄智科技发展公司与清华大学联合研制的，采用并联形式，主要应用在冶金行业的电弧炉、石化企业、高层建筑、备用电源等。主要性能包括：滤除2-30次谐波，补偿无功功率，自动投切运行，补偿谐波电流0-300A。补偿容量偏小，并且还未投放市场。1.5.3 总结分析根据煤矿调研的结果和网上搜索查询，目前国内实际应用的有源滤波器产品补偿谐波电流都不大，设计容量都很小，并且对工作环境要求较高。国外生产厂商如三菱电机、西屋电气、西门子等厂家的产品也都偏向于石化、冶金等行业的应用，并且价格很高。从东荣三矿获取的电网资料得知，在重负荷情况下谐波电流最大在1000A左右，因此暂时还没有针对煤矿供电网谐波抑制的有源滤波器产品投入实际应用。综合以上分析，有必要针对煤矿供电网的实际情况，研制性能合适、价格适中的产品。1.6 本文的主要工作通过对煤矿现场谐波污染情况的调研，针对6KV变电所在谐波治理的同时要求提供较大容量的无功功率的要求，提出一种新型大功率混合有源滤波器并展开研究，主要工作有：介绍课题提出的背景和意义，谐波的基本概念、产生原因、危害、国内外的研究情况和目前市场产品的介绍。提出一种新型大功率混合有源滤波器结构,介绍了谐波电流检测方法，对电流跟踪控制技术中的滞环比较、定时比较、三角波比较等控制方法进行介绍和对比，选用滞环比较方式。在Proteus软件环境下创建了TMS320F2812PGFA型DSP芯片、PC817光耦、M57962L驱动芯片等元件的模型，并设计了基于DSP的系统整体硬件电路，包括键盘、液晶显示、IGBT主电路及驱动保护、信号采集转换等部分。对DSP编程开发软件CCS2.2进行了介绍，并设计了各部分的软件流程图，编写了部分程序。采用AT89S52单片机构建最小系统，搭建了键盘和声光报警模块，采用LCM128646液晶显示屏做出了键盘和液晶显示部分的实物，并进行了调试。2 HAPF的结构设计和检测控制本章介绍混合型有源滤波器的结构形式和工作原理，结合煤矿供电网的实际情况，提出了一种新的基波串联谐振注入式的混合型有源滤波器，分析了谐波电流检测方法和控制策略。2.1 新型HAPF结构设计 有源滤波器在工程应用中，首先需要考虑的是成本和技术上的可行性，根据煤矿企业谐波治理工程大容量、高电压、低成本和兼顾无功补偿的要求，设计一种新型的并联混合型注入式有源滤波器，其拓扑结构如图2-1所示。图2-1 新型并联混合型注入式有源滤波器结构图Fig2-1 Structure diagram of new HAPF这种结构以电压型逆变器作为主要的有源部分，采用基于IGBT模块的脉宽调制PWM逆变器，直流端为一大电容，输出端接有输出滤波器，以此来滤除开关器件通断造成的高频毛刺。有源部分通过耦合变压器经基波串联谐振注入型电路后，与以多组单调谐滤波器组成的无源滤波器PPF一起并联接入电网。注入支路由C1、L1和CC构成。其中C1和L1构成在基波频率谐振的电路，而整体作为一条无源滤波支路。由于L1C1网络在基波频率处发生串联谐振，阻抗很小，逆变器只承受很小的基波电压，因此装置有效地克服了有源滤波器的容量限制，而对于高于基波频率的谐波分量，L1C1网络阻抗较大，有源部分产生的谐波电流绝大部分将流入主电路，不会对有源部分的谐波输出产生严重影响。从图2-1可以看出，该混合型滤波器（HAPF）是将串联谐振注入型APF进一步与PPF并联混合而成，只由无源部分补偿无功功率，有源部分和无源部分共同抑制谐波，这使得其兼具较大容量的无功补偿和谐波抑制能力以及较小的逆变器容量的特点。与其它结构的HAPF相比较，该HAPF中并联的PPF可以补偿较大容量的无功功率和滤除掉特定次数的谐波电流，谐振注入电路部分的电容也能进行较大容量的无功补偿。与此同时，基波无功电流和谐波电流都只有极少部分流入耦合变压器和逆变器，因此不会由于进行无功补偿而导致其有源部分容量的增大，而PPF滤除掉的部分特征谐波电流也不会流入有源部分，这使得有源逆变器的容量进一步减少，从而使逆变器主电路避免采用多重化的主电路结构或开关器件的串并联，大大减少了实际应用中的工程造价，有效提高了性价比。2.2实时谐波电流检测方法谐波电流的检测方法是有源滤波器设计的关键技术之一，它决定了谐波电流的检测精度和跟踪速度，进而影响有源滤波系统的各项主要性能和指标，已经成为有源滤波技术领域研究的热点之一。本文遵循有源滤波器对谐波检测方法实时性、准确性、可靠性要求较高的原则，选用基于瞬时无功功率理论的实时谐波电流检测方法。2.2.1 谐波电流检测方法的发展由于电网是一个非线性的、动态的、实时性较强的系统，因此对谐波电流检测的实时性要求很高。随着谐波电流检测技术的进步和发展，到目前为止，谐波电流的检测方法有很多种。近年来，不少文献提出了一些新方法，但大多仍处于研究、改进、仿真阶段，离实际应用还有一段距离。本文从实际应用的角度出发，介绍几种典型的检测方法，主要包括提取基波分量法910、基于FFT的傅里叶分析法1112、自适应检测法1314、基于瞬时无功功率理论的p、q算法和算法115等。2.2.2 算法的基本原理基于算法的谐波电流检测原理如图2-2所示，首先根据三相电路瞬时无功功率理论的定义，经过三相到两相的坐标变换和某相（如a相）电压的频率或周期信息，可以计算出，然后经低通滤波器（LPF）滤波得到的直流分量，再根据两相到三相的坐标变换和电网电压的频率或周期信息，由计算出负载电流基波分量，进而得到谐波电流分量。最后将得到的谐波电流分量进行取反，得到与谐波电流分量幅值、相位相反的谐波补偿指令电流。图2-2 算法的谐波电流检测原理图Fig2-2 Principle diagram of harmonic current detection based on arithmetical mode假设三相电网电压对称无畸变，三相电路各相电压的瞬时值分别为，各相电流的瞬时值分别为，通过三相至两相的坐标变换，把它们变换到两相正交的坐标系中：(2-1)(2-2)其中，赤木泰文的瞬时功率理论定义三相电路的瞬时有功电流和无功电流分别为电流合成矢量在电压合成矢量及其法线上的投影。有这个定义可推导出：(2-3)式中，为电网基波电压的角频率。式（3-3）的物理意义是：假如用一个始终与电压矢量方向相同的单位矢量来表征的频率和相位信息，那么电流矢量在这个单位向量及其法线方上的投影即为三相电路的瞬时有功电流和无功电流。分解为直流分量和交流分量，得式（2-4）：(2-4)在三相电网电压对称无畸变的情况下，前一项代表正序有功和无功电流，后一项代表负序和谐波有功及无功电流。再通过 坐标到坐标变换，即可得到对应的三相电网电流分量：(2-5)式中根据式（2-2）和（2-3），可得：(2-6)由和式（2-6）可得反变换为：(2-7)综合式（2-4）和式（2-7）可得：(2-8)被检测电流与基波分量之差就是谐波电流分量。若令上式中，即可得到基波有功电流分量，该分量与被检测电流相减可得到同时进行无功、谐波补偿时的补偿分量。2.3 有源滤波器控制策略的研究有源滤波器工作性能决定于主电路构成元件及其控制系统，APF的主电路一般由PWM逆变器组成，PWM控制原理是控制开关器件的通断，把直流电压或电流变成一系列的电压或电流脉冲，使APF中的PWM逆变器产生所需的谐波补偿电压或电流。当APF主电路确定后，控制方法成为决定其输出性能和效率的关键7。目前有源滤波器控制策略中技术比较成熟、应用比较广泛的是电流跟踪控制方法。其原理是产生的补偿电流应实时跟随其指令电流信号的变化，这就要求补偿电流有很好的实时性。2.3.1 电流跟踪控制技术的研究上一节详细论述了谐波电流的检测算法，要求在实际中谐波补偿指令电流的产生具有很好的实时性。电流跟踪控制的原理是根据谐波补偿指令电流和谐波补偿电流实际值之间的误差值，产生控制主电路各个开关器件通断的PWM信号，从而保证谐波补偿电流实时准确跟踪指令电流的变化。下面将以单相电流控制为例，详细论述了电流跟踪控制技术的几种典型控制方法。1） 三角波比较控制方式三角波比较控制方式的原理如图2-3所示。图2-3 三角波比较控制方式原理图Fig2-3 Principle diagram of triangle wave comparison control mode这种方式与其他用三角波作为载波的PWM控制方式不同，它不直接将谐波补偿指令电流与三角波比较，而是将指令电流与谐波补偿电流实际值的偏差经放大器放大之后再与高频三角波比较，所得到的PWM矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号，从而在逆变器输出端获得所需的波形。这里放大器往往采用比例放大器或比例积分放大器。该控制方式的特点有以下几点：跟随误差较大；输出电流中含有与三角波相同频率的谐波；实现电路简单，器件的开关频率固定，且等于三角波的频率；电流动态响应速度比瞬时值方式慢；开关损耗大，在大功率应用中受到限制。2）无差拍控制方式无差拍控制方式是一种全数字化控制技术，它是等间隔地将输出补偿参数波形划分成若干个取样周期，在取样周期中心对称的方波脉冲作用下，依据电路在每一取样周期的起始值，预测电路变量在取样周期末尾时的值。控制方波脉冲的极性和宽度，就能使输出补偿波形与要求的参数波形重合。通过对每一取样周期内方波脉冲的极性与宽度的不断调整，获取谐波失真小的补偿输出。也就是根据空间矢量理论计算出逆变器下一时刻应满足的开关模式。本控制方法动态响应很快，易于计算机执行，但是对系统参数的依赖性较强且计算量大。3）单周控制方式单周控制方式具有调制和控制的双重性技术，它是通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的，在每个周期内迫使可控开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例，适用于各种脉宽调制软开关的逆变器。本方法具有控制电路简单，反应快，开关频率恒定，鲁棒性强，抗电源干扰，易实现等优点，在电流型PFC、电压源型APF等三相换流器方面已应用该技术。4）滞环比较控制方式滞环电流控制是目前应用最广泛的一种非线性闭环电流控制方法，它利用滞环比较器形成一个以给定电流为中心的死区或滞环，通过反馈电流与给定电流的滞环比较误差来控制逆变器的开关动作。滞环比较控制方式的原理如图2-4所示。图2-4 滞环比较控制方式的原理图Fig2-4 Principle diagram of hysteresis comparison control mode这种方法是将逆变器的实际电流与指令电流的上、下限相比较，交点作为开关点。指令电流的上下限形成一个滞环。将谐波补偿指令电流与谐波补偿电流实际值进行比较，两者的偏差输入到具有滞环特性的比较器，并输出PWM控制信号，PWM信号经驱动电路控制有源滤波器主电路开关器件的通断，从而使谐波补偿电流实际值实时跟踪指令电流的变化19。滞环比较器输出特性如图2-5，当时，比较起输出为1，控制有源滤波器的逆变器开关使补偿电流减小；当时，比较器输出为0，控制有源滤波器的逆变器开关使补偿电流增加；而当时，比较器的输出与原来的输出一样，即保持逆变器开关的状态不变。这样可以使有源滤波器输出的电流在一个2H宽的带中跟踪参考电流。通过调节H的大小可以控制有源滤波器电流跟踪的精度及改变开关的频率。图2-5 滞环比较器输出特性Fig2-5 Output characteristics of hysteresis camparator这种控制方式有如下几个特点：(1)滞环电流比较控制能够实现有源滤波装置输出电流对谐波电流的跟踪，具有开关损耗小、动态响应速度快、鲁棒性好的优点，而且对负载的适应能力强，输出电压中不含特定频率的谐波分量。(2)滞环电流控制本质是一种隐含载波的变频SPWM调制方式，在三相高功率因数整流器中，滞环控制的隐含载波频率随电网电压作周期性变化，变化频率为工频的2倍；(3)滞环电流控制输出频谱范围宽，滤波较困难，谐波能量均匀分布在较宽的频带范围内。但是，系统的开关频率、响应速度及电流的跟踪精度会受到滞环环宽的影响。环宽固定时，则电流跟随误差范围是固定的，但是电力电子器件的开关频率不固定，会随谐波补偿电流与指令电流质检的误差范围的变化而变化。如果环宽设定较大，电流跟随误差较大，跟踪精度不高，而对器件的开关频率要求不高；如果环宽设定较小，电流跟随误差小，跟随精度高，但对器件的开关频率要求很高，甚至可能超出期间可能允许的最高工作频率而导致器件损坏。因此，采用滞环比较控制方式要保证器件开关频率在其允许的最高工作频率之内。2.3.2 总结在以上的补偿控制策略中，三角波比较控制和滞环比较控制方式是可以优先考虑选用的方法，目前已通过多重化技术、自适应滞环等改进措施来克服固有的缺陷，提高其使用效率。采用无差拍控制方式的APF逆变器的输出可以很好的跟踪参考谐波电压信号，使负载端的电压波形接近于正弦波，即使在开关频率比较低的情况下也有很好的动静响应；随着DSP的运算速度不断提高，将成为一种很有前途的控制方法。单周控制方式具有电路简单可靠、控制效果好的优点，也具有很好的工程应用价值。这几种控制方式都有自己的优缺点，但是煤矿生产环境复杂，设备的工作条件恶劣，那些工作原理复杂实现困难的方式在恶劣的工作环境中可能不稳定，影响滤波性能的发挥，因此采用实现过程简单、可靠性好的滞环控制方式。3 基于DSP控制器的硬件电路设计有源滤波器的性能不仅取决于其主电路以及相关器件参数的选择，还依赖于数字控制器的性能指标。本文采用TI公司的DSP芯片作为其数字控制器提高系统性能。为了完成有源滤波器的相关功能，在此之前要先进行模拟信号的采样，并通过相应的信号调理电路来满足DSP芯片对输入信号的要求。软件系统充分地应用DSP的许多功能模块，如PWM单元、定时器、片内A/D、看门狗等。根据有源滤波器对谐波检测和补偿电流控制的需要，设计了基于DSP的硬件电路，如图3-1所示。图3-1 基于DSP的有源滤波器硬件框图Fig3-1 Function block diagram of hardware circuit based on DSP chip 3.1 DSP芯片的选择数字信号处理器（DSP）已经那个发展了20多年，最初仅在信号处理领域内应用。近年来，随着半导体技术的发展，其高速运算能力使很多复杂的控制算法和功能得以实现，同时将实时处理能力和控制器的外设功能集于一身，在控制领域内也得到了很好的应用。数字控制系统克服了模拟控制系统电路功能单一、控制精度不高的缺点，它抗干扰能力强、可靠性高，可实现复杂控制，增强了控制的灵活性。DSP芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。不同的应用场合和目的，DSP芯片的选择可能是不同的。一般来说，选择DSP芯片时应综合考虑运算精度、硬件资源、功耗、开发工具、价格和生命周期等均。TMS32OC2000系列是美国TI公司推出的最佳测控应用的定点DSP芯片产品分为四个系列C20x、C24x、C27x、C28x。其中C28x系列是TI公司最新推出的的DSP芯片，是目前国际市场上最先进、功能最强大的32位定点DSP芯片。它既具有数字信号处理的能力，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，如工业自动化控制、电力电子技术应用、智能化仪器仪表及电机、马达伺服控制系统等。本设计采用C28x系列的TMS320F2812 DSP芯片。该款芯片是控制专用、内含闪存以及高达150MIPS的数字信号处理器，专门为工业自动化、光学网络及自动化控制等应用而设计。本设计需要设计外围AD输入电路和跟IGBT模块连接的控制和保护电路，才能组成有源滤波器。C28X系列芯片的主要性能如下:时钟周期为6.67ns;程序总线和数据总线分开的哈佛总线结构;具有一个硬件乘法器可以完成16x16或32x32位的定点乘法运算两个事件管理器(EVA，EVB)可以方便的产生具有可编程死区的6路PWM信号。TMS320F2812 DSP芯片是C28x系列的一个主要片种，具有上述几种主要性能指标。以该芯片为控制核心的有源电力滤波器能够满足滤除谐波的实时性和精确性要求。3.2 DSP外围电路设计设计采用DSP作为核心控制器，为了保证其正常工作必须设计相应的时钟、复位、电源等电路，同时还要设计电流电压信号采集转换电路。3.2.1时钟电路设计选择系统的时钟时主要关心时钟频率、信号电平、沿特性和驱动能力等。采用无源晶体的优点是价格便宜，但是驱动能力比较差，一般不能提供多个器件共享，而且它可以提供的频率范围也比较小。本设计采用有源晶体振荡器，低电压型号，可以直接接到DSP的XTAL1引脚上。有源晶体的驱动能力较强，频率范围也很宽。由于采用了外部振荡器获取时钟源，PLLF2和PLLF引脚也要按如图32所示的方法连接。图3-2 DSP时钟电路Fig3-2 DSP clock circuit3.2.2复位电路设计与DSP相关的复位包括上电复位、手动复位和看门狗复位。其中上电复位和手动复位是外部复位，通过向DSP复位引脚输入一个低电平有效信号使系统复位；看门狗复位是内部复位。图3-3 手动复位电路Fig3-3 Manual reset circuit因为DSP内部有复位电路，因此可以直接在复位引脚外面连接一个上拉电阻即可。为了调试方便，常采用图3-3所示手动复位电路。RC电路是为了防止按键抖动，低电平送给DSP芯片的复位端。3.2.3 键盘模块 键盘是用来设定控制参数的最基本的手段。为节省空间，本装置采用4*l的键盘，用户通过键盘可用来设定控制参数，还可以选择显示内容等。键盘有编码键盘间和非编码键盘两种：编码键盘程序设计简单，但硬件电路复杂，价格较高;非编码键盘用软件来实现识别按键，编码转换，去抖功能，硬件电路简单，价格便宜。因此本设计中采用非编码键盘设计方式。本装置的4个按键都可以复用，当有按键按下时，DSP单片机根据对应的I/O口的电平来识别按下的键，并根据当前程序的状态来决定所执行的程序，TMS320F2812与键盘接口原理图如图3-4所示。图3-4 DSP与键盘接口原理图Fig3-4 Principle diagram of DSP and keyboard interface四个按键的功能依次是电网三相谐波电流显示、三相补偿电流显示、电压和电流畸变率显示、功率因数显示。电压和电流畸变率需要DSP用傅里叶变换去计算，可能会增加运算时间，对谐波补偿的实时性有一定影响。3.2.4 液晶显示模块 在现代智能仪器设备中，能显示汉字的图形点阵液晶和可以输入信息的小键盘己成为智能设备的人机界面中必不可少的组成部分，同时低功耗特性也贯穿于中文人机界面的设计始终。近年来，随着低价格、高性能DSP芯片的出现，DSP己越来越多地被应用于数字化电机控制、高速信号采集、语音处理、图像分析处理等领域中，并且日益显示其巨大的优越性。而液晶显示屏更以其显示直观、便于操作的特点被用作各种便携式系统的显示前端。传统的液晶显示往往采用单片机控制，但在系统有大量高速实时数据的情况下，单片机由于受到处理速度的限制就显得力不从心。为了解决些问题，本文提出了一种基于高速低功耗的DSP芯片TMS320F2812控制的液晶显示屏的设计，有效地解决以上所遇到的问题。设计中，采用TMS320F2812作为系统的控制芯片，通过选择合适的液晶显示模块在3V电平构建了一个低功耗的中文人机界面。本文设计的五个人机界面如下图所示。图3-5缺省显示画面 图3-6 K1键按下显示画面Fig3-5 Default diagram Fig3-6 Diagram of prssing button K1图3-7 K2键按下显示画面 图3-8 K3键按下显示画面Fig3-7 Diagram of prssing button K2 Fig3-8 Diagram of prssing button K3图3-9 K4键按下显示画面Fig3-9 Diagram of prssing button K4根据所设计的界面，每行汉字最多六个，宽度为6个1616汉字宽度，最多四行，因此选用12864的即可。为实现友好的中文人机显示界面，液晶模块选用北京青云科技公司的LCM128646。该液晶显示模块的供电电压典型值为3V-5V，工作电流典型值为 2.7mA，其显示范围为128x64点阵，8x4行，点大小为0.4x0.56mm2,点间距0.04mm。显示类型为STN黄绿模式，6：00视角，正向显示，有LED背光，控制器为T6963C，芯片封装COB。采用改进增强型液晶显示模块，美国专用DC-DC电源。T6963C控制器是中规模图形液晶显示模块中常用的一种。用户无需了解T6963C对液晶屏的现实驱动、点阵扫描、显示存储器管理等操作，这一切都由其自动运行。用户需要了解的是T6963C的各种数据指令格式、显示存储器的区间划分和接口引脚的功能定义。微处理器对T6963C的操作有四类十三条：一是读状态字指令（1条），在T6963C中有一个一字节的状态 字，微处理器在对T6963C的每一次操作前都要读这个状态字并对其中的相应位加以判断，以决定是否可以对T6963C进行操作；二是设置指令（9条）， 该类指令用于设置显示的区域、方式及数据地址指针，设置光标的形状和数据的读写方式等；三是位操作指令（1条），该指令专用于对液晶屏上的像素（点）操 作；四是数据的读/写指令（2条），该指令读/写的数据即为液晶屏上所显示的内容。在液晶显示模块中配备有显示存储器（RAM）， T6963C最大可控制64K。该存储器经设置指令设置（区域、方式）后，存储器中被设置的空间内的每一个“位”都与液晶屏上的一个像素（点）相对应，而 “位”的二值性就表示液晶屏上像素是否“显现”。T6963C则将存储器中设置区域的内容不断地、扫描式地送向液晶屏，用户则通过显示模块对外的接口将需 显示的“数据” 送入存储器中的设置区域即可。LCM128646模块的引脚定义如表3-1所示表3-1 LCM128646模块的引脚定义表Tab3-1 Pin definition of LCM128646 module序号符号状态功能说明1FG框地2Vss0V地3Vdd+5V工作电压4VO屏操作电压（调节对比度）5/WRL信号写6/RDL信号读7/CEL片选8C/DL 数据 H 命令9/RSTL/HL 初始化T6963CH 正常10-17DB0DB7L/H数据线18FS字体选择L：8x8 H:6x819SLALED背光灯正极20SLK0VLED背光灯负极21VOUT负电压输出TMS320F2812与LCM128646模块的接口电路如图3-10所示图3-10 TMS320F2812与LCM128646模块的接口电路Fig3-10 Interface circuit of TMS320F2812 and LCM128646 module图中FG和Vss引脚接地，Vdd接+5V电源，VO对比度调节接到了一个可变电阻上，电阻的另一端接Vout，读写和片选信号都接到了独立的I/O口上，DB0-DB7接到了D0-D7引脚上，字体选择引脚FS接地，选择8x8字体。3.2.5 JTAG接口电路同单片机的应用系统一样，一个完整的DSP应用系统必须具有仿真器的标准接口，通过这个接口用户可以通过PC调试、下载应用软件到指定的应用板。TI DSP芯片提供片上仿真支持，使CCS能控制程序的运行并实时监视程序的活动。仿真器提供与主机通信的JTAG口，主机与目标DSP通信时通过JTAG接口来完成的，这种连接方式对DSP目标系统的实时性能没有太大的影响，片上仿真接口提供以下功能：运行、停止或复位DSP芯片；将代码和数据加载到DSP芯片中；3）检查硬件指令或数据相关的断点4）各种计算功能，包括精确到指令周期的刨切功能；5）提供主机和目标系统间的实时数据交换。一般情况下，在系统成功应用之前，我们要做大量的调试工作，以确保板卡和软件程序的正常工作，为了方便软件调试，JTAG接口尤为重要，只有JTAG接口设置好，才能通过仿真器被CCS识别，从而进行大量的仿真测试实验。如图3-11是F2812与JTAG接口电路。图3-11 JTAG仿真接口电路Fig 3-11 The circuit of JTAG simulation interface标准的JTAG接口是5线：TCK为测试时钟输入；TDI为测试数据输入，数据通过TDI引脚输入JTAG接口；TDO为测试数据输出，数据通过TDO引脚从JTAG接口输出；TMS为测试模块选择，用来设置JTAG接口处于某种特定的测试模式；TRST为测试复位输入引脚，低电平有效。在保证电路设计正确的前提下，还要注意以下几点：(1) 的计算机与DSP应用系统可靠共地。(2) 禁止带电插拔要求安装仿真器JTAG接头。(3) 正确的操作顺序是：先退出计算机系统的仿真窗口，然后再将DSP应用板断电，否则可能出现仿真器不能正常运行的情况。3.2.6 RAM扩展在设计DSP应用系统的时候，一般都会设计存储器外围扩展电路。外扩存储器不仅可以方便程序调试，而且也便于系统升级。当控制器访问片外的存储空间时，PS引脚、DS引脚和STRB引脚（外部存储器访问有效选通）都处于低电平状态，外部存储器被选通。DSP可以访问的程序存储空间为256K，根据MP/MC引脚的电平决定其配置方式。当MP/MC为低电平时，片内FLASH存储空间使能，地址范围是0000H7FFFH，8000HFFFFH的地址留给外部程序存储器。当MP/MC为高电平时，片内FLASH被禁止，256K字存储空间全部位于外部程序存储器中，即只能从片外存储器中读取数据，使得仿真调试时通过仿真器对程序修改比较容易。2407有64K的16位数据存储器空间，32K字的内部存储器地址范围是0000H7FFFH，包括存储器映射寄存器、DARAM和外设映射寄存器。另外，地址范围是8000HFFFFH的32K字留给外部数据存储器空间。 图3-12 SRAM与DSP接口电路Fig 3-12 Interface circuit of SRAM and DSP片外存储器的选择主要考虑电压、容量、速度等指标。这里采用工作电压3.3V，容量64K*16位，访问时间15ns的高速静态RAMIS6lLV6416作为片外存储器，与DSP接口电路如图3-12所示。片外存储器的数据、地址线分别与DSP对应相连；输出使能引脚OE和输入使能引脚WE分别与DSP的读选通引脚DSPRD和写选通引脚DSPWE相连。仿真调试时，用跳线把片选引脚CE与DSP的程序空间选通引脚DSPWE相连，当外部程序存储器用。程序烧写到片内FLASH后，把片选引脚CE与GAL16V8的输出引脚RAMCS相连，当外部数据存储器用。3.2.7 电源电路 电源电路的选择是系统设计的一个重要部分，设计好坏对系统影响很大。对于DSP芯片而言，一般有以下四种电压需要电源电路提供：1）DSP CPU内核电压。现代DSP为了省电，通常把内核电压和外围电路的供电分开，内核工作于低电压减少功耗，外围电路与其他器件采用相同的电压规范。2）DSP外设电压。主要给DSP的片内外设供电。3）Flash编程电压。这仅对于有片上Flash的C2000序列芯片。4）模拟电路电压。这也仅对于有丰富片内外设的C2000系列芯片。首先需要注意的是，为了减少电源噪声和互相干扰，数字电路和模拟电路一般都要独立供电，数字地和模拟地一般也要分开，并最终通过一个磁珠在一点连在一起。对于电源芯片的选择，需要从以下几个方面考虑：1）输入电压和输出电压。恶就是说外部提供给系统的电压是多少，系统需要多大的电压。本系统外围供电为5V，但是我们需要3.3V的电压。2）输出电流。也就是输出功率，设计的电路板需要多大的功率，这就要考察每个器件的最坏情况（同时消耗各自的最大电流），看看所选用的芯片能否提供这么大的功率。3）转换效率。对于功率要求严格的地方，比如手持设备，是至关重要的。4）成本和空间。成本是所有选型都必须考虑的，空间则是系统布板所要求的。本系统结合典型应用，选择了TPS7333，输入电压5V，输出电压3.3V，最大输出电流500mA，连接电路图如图3-13所示。图3-13 DSP电源电路Fig3-13 Power circuit for DSPDSP系统只需要3.3V电源，但是很多整体设计中需要提供很多不同的电压，如很多DSP本身就需要分内核和外围电压，此时就需要考虑上电次序的问题。一般来说，CPU内核先于外围上电，后于外围掉电；但是两者相差不能太大，否则会损坏芯片。3.3信号采集及转换电路3.3.1 A/D转换电路TMS320F2812芯片内部包含两个12位A/D转换模块，内置双采样-保持器，总共16位模拟量输入通道，能同时采样和转换两路输入通道，并且单个转换时间为200ns，单路转换时间为60ns，即使只采用其中的一组8位模拟量输入通道，最大延时为1.6s，能满足采样法电力参数测量中同步采样多路输入里参数精度的要求。其主要特点如下:(1)12位ADC核，内置双采样-保持器；(2)序列采样模式或者并发采样模式；(3)模拟输入:0V-3V；(4)快速转换时间运行在25MHZ，ADC时钟或12.5MSPS；(5)自动序列化，在单一时段内最大能提供16个自动转换。每个转换可编程对16个输入通道中的任何一个进行选择；(6)序列发生器可按两个独立的8状态序列发生器或一个16状态序列发生器（即两个级联8状态序列发生器)