三相四線(xiàn)制有源電力濾波器軟硬件系統的設計
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核心控制系統模塊，主要由一片高性能32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320LF2812 和一片CPLD芯片EPM7256AE以及相關(guān)外圍電路組成。其主要功能是：將數據采集電路輸出的模擬信號轉換為數字信號，計算得出補償指令電流，然后生成并發(fā)出控制逆變器的PWM驅動(dòng)脈沖信號，并且根據不同的故障狀態(tài)產(chǎn)生不同的保護動(dòng)作，協(xié)調系統內部的邏輯、擴展I/O接口、簡(jiǎn)化外圍電路等功能。
數據采集電路，主要負責電壓、電流等模擬信號的轉換等處理。由于被檢測的電壓電流量數值比較大,數值遠超過(guò)DSP允許的輸入信號范圍，因此，需要把這些模擬電信號降低，并將電流量變換為電壓量，雙極性信號變成單極性信號，并進(jìn)行電平匹配，A/D 轉換后送入DSP進(jìn)行運算。實(shí)現方法簡(jiǎn)述如下：電壓、電流信號(包括2個(gè)直流母線(xiàn)電壓、3個(gè)負載電流以及3個(gè)補償器輸出電流)經(jīng)電流型霍爾傳感器變換后，在高精度采樣電阻上形成與原信號成比例的電壓信號，再經(jīng)濾波、隔離、電平變換后，得到0～3V模擬量輸入電壓，最后經(jīng)12位A/D變換后進(jìn)入DSP內處理。模擬量輸入調理電路如圖3所示。
圖3 模擬量輸入信號調理電路
同步檢測電路，主要功能是產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓頻率、相位相同的同步工作脈沖信號以及256倍電網(wǎng)基波頻率的A/D同步采用啟動(dòng)信號。實(shí)際中，由于電網(wǎng)的頻率總會(huì )在50Hz上下發(fā)生波動(dòng)，因此為保證電網(wǎng)參數計算的準確性，在測量過(guò)程中需要跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，隨時(shí)修正A/D的采樣周期，以保證采樣速率不變。同步檢測電路實(shí)質(zhì)是一過(guò)零電壓比較器，將一相電源交流輸入信號變換成方波信號，實(shí)現三相電源電壓的相位檢測，利用方波信號的跳變觸發(fā)DSP產(chǎn)生中斷，以便計算電網(wǎng)頻率和控制DSP的A/D轉換時(shí)刻。
PWM隔離驅動(dòng)電路，是將控制系統模塊產(chǎn)生的光驅動(dòng)脈沖信號轉換為電驅動(dòng)脈沖信號，同時(shí)經(jīng)過(guò)功率放大處理后，最終輸出6路PWM信號，實(shí)現對逆變主電路IGBT的驅動(dòng)控制。當裝置出現過(guò)流、短路等故障時(shí)，立即封鎖IGBT的驅動(dòng)脈沖，并向核心系統控制模塊發(fā)送保護信號。
硬件保護電路，為了保證APF可靠穩定的工作，該補償裝置需要有完善的保護系統。當補償裝置發(fā)生短路、過(guò)流、過(guò)壓、超溫、欠壓等故障時(shí)，故障信號經(jīng)過(guò)故障檢測電路處理后，立即封鎖PWM驅動(dòng)脈沖信號，并進(jìn)行報警等處理，控制APF系統自動(dòng)退出運行，以保護系統安全。
控制系統部分主要是以DSP和CPLD 為核心,完成數據采集、相位跟蹤、指令電流運算、補償電流跟蹤控制、直流側電壓控制、PWM驅動(dòng)信號控制、系統保護、顯示等功能。其中指令電流運算和補償電流跟蹤控制是APF的關(guān)鍵環(huán)節，直接影響著(zhù)它的性能。
3.1 指令電流運算部分[2]
綜合考慮各種檢測算法的準確性，實(shí)時(shí)性和復雜性，本文采用改進(jìn)的瞬時(shí)無(wú)功功率理論進(jìn)行指令電流運算。即先求出其零序電流分量,將零序電流分量從各相電流中剔除后,就可以利用三相三線(xiàn)制情況下的瞬時(shí)無(wú)功功率理論 ， 檢測法進(jìn)行檢測,進(jìn)而求出三相四線(xiàn)制系統中的諧波、負序、零序、無(wú)功在內的補償電流指令信號。指令電流運算電路原理圖如圖4所示。圖中
圖4 指令電流運算電路原理圖
3.2 補償電流跟蹤控制部分
補償電流跟蹤控制部分，本文采用定時(shí)滯環(huán)比較的控制方法來(lái)產(chǎn)生PWM控制信號。該方法是把補償電流的指令信號 和實(shí)際的補償電流信號 進(jìn)行比較，兩者的偏差 作為滯環(huán)比較器的輸入，并用DSP內部的時(shí)鐘定時(shí)器計時(shí)，每隔一個(gè)計時(shí)周期對偏差 的比較結果進(jìn)行判斷，產(chǎn)生PWM控制信號，該信號經(jīng)驅動(dòng)保護電路來(lái)控制IGBT的通斷，從而控制補償電流 的變化，實(shí)現補償功能。
3.3控制系統軟件流程設計
由于TMS320F2812的運算速度非?？?，因而可以采用C語(yǔ)言編程，減少開(kāi)發(fā)軟件所需的時(shí)間。在程序的具體編寫(xiě)中，采用模塊化設計方法，將DSP要實(shí)現的控制功能劃分為若干個(gè)功能模塊，將每一個(gè)功能模塊用一個(gè)子程序來(lái)實(shí)現，應用時(shí)只需對相應的子程序進(jìn)行調用即可，有利于對程序進(jìn)行調試、維護和升級?？刂葡到y軟件主要分為5部分：主程序、指令電流檢測子程序、PWM控制子程序、電網(wǎng)頻率檢測子程序和數據采集子程序。為了提高控制系統的性能和穩定性，軟件設計時(shí)還增加了軟件陷阱、數字濾波、看門(mén)狗技術(shù)等抗干擾措施。
本文主程序流程圖如圖5所示。主程序實(shí)現了對系統的循環(huán)控制，工作過(guò)程簡(jiǎn)述如下：首先對系統進(jìn)行初始化，以保證DSP及所有外設的初始化狀態(tài)正常;然后系統進(jìn)入到主程序循環(huán)中，系統先進(jìn)行故障自檢，若有故障，進(jìn)行故障處理，保證系統安全、可靠的運行;若系統無(wú)故障發(fā)生，則等待同步采樣控制信號中斷的發(fā)生，系統進(jìn)入到對應的中斷服務(wù)程序中進(jìn)行頻率檢測和A/D轉換等;然后進(jìn)行直流側電壓控制;指令電流計算;軟啟動(dòng)控制等，若是啟動(dòng)過(guò)程，則采用軟啟動(dòng)方式，否則直接輸出PWM控制信號。這樣就完成了對一個(gè)采樣周期的控制，然后程序返回，進(jìn)行下一次采樣循環(huán)控制。
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