【正文】 本文采用的 PLL 器件型號(hào)為 CD4046BE，內(nèi)部由一個(gè) VCO 和鑒相器組成 ，只需在外部設(shè)計(jì) VCO 振蕩參數(shù)鑒 相 器 環(huán) 路 濾 波 器V C O 分 頻 器 1 / NP L L 電 路輸 出輸 入 信 號(hào)數(shù) 字 設(shè) 定可 編 程 分 頻 器 有源電力濾波器控制器的研制及其應(yīng)用 18 R R C1 和環(huán)路濾波器參數(shù) R C2 即可，它的內(nèi)部結(jié) 構(gòu)如圖 所示。如圖 所示，VCO 輸出經(jīng)分頻后的信號(hào)與輸入波形的相位進(jìn)行比較時(shí)，輸入頻率與分頻后的頻率為同一頻率，即 VCO 的振蕩頻率與分頻后的頻率同步 [ 42]。具體的功能為利用普通的工頻信號(hào) 50Hz 所轉(zhuǎn)換的方波信號(hào)，這在 節(jié)中的同步信號(hào)捕獲中已有介紹，進(jìn)而將方波信號(hào)倍頻成 的方波信號(hào)，以此來啟動(dòng) A/D 采樣芯片，達(dá)到每周波均勻采樣 128 點(diǎn)的要求。 硬件倍頻電路模塊的設(shè)計(jì) 鎖相環(huán)（ PLL， Phase Locked Loop）電路是用于生成與輸入信號(hào)相位同步的新的信號(hào)電路。 MAXl25 數(shù)據(jù)、地址線通過總線隔離驅(qū)動(dòng)芯片 74HC245 與 2407A 的數(shù)據(jù)線連接 ，片選信號(hào)通過74HC138 譯碼器得到，啟動(dòng)信號(hào)通過硬件倍頻電路得到，將在下一節(jié)具體介紹硬件倍頻電路。17V，簡化了信號(hào)調(diào)理電路；單路轉(zhuǎn)換時(shí)間 3μs；擁有 A、 B 兩組信號(hào)輸入端，每組四個(gè)輸入通道 。這款芯片是 MAXIM 公司生產(chǎn)的高精度型的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部集成了前端 采樣保持電路（ S/H）， 其輸入信號(hào)范圍 177。 F＋＋ RS+ 5 V 3 . 3 VT P S 7 3 3 3 QC1C2 碩士學(xué)位論文 17 雖然 2407A 內(nèi)部帶有 16 路 10 位精度的片上 A/D 模塊， 但該模塊存在以下缺點(diǎn) ：只能接收 0~ 的單極性信號(hào)輸入，對(duì)于交流信號(hào)需要另外設(shè)計(jì)限幅抬壓電路；同一排序器內(nèi)各通道串?dāng)_嚴(yán)重； 10 位的轉(zhuǎn)換精度難以滿足高性能系統(tǒng)的要求。43256785 0 181。 圖 電壓過零捕獲電路 圖中入口信號(hào)為母線 A 相電壓經(jīng)過了一級(jí) PT 之后的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，為 100V 交流信號(hào)，然后經(jīng)過了電路中的二級(jí) PT（電壓互感器）轉(zhuǎn)換為 5V交流信號(hào)，最后經(jīng)過了∏型濾波電路，兩極穩(wěn)壓管鉗住輸入運(yùn)放 LM393 的電壓為 ~+ 之間，輸入電流為零，滿足 LM393 灌電流最大值 25nA 的技術(shù)指標(biāo)。同步信號(hào)捕獲單元是為讀取母線電壓中 A 相的過零點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，目的是在過零點(diǎn)的時(shí)刻發(fā)出 PWM 調(diào)制信號(hào)，保持補(bǔ)償諧波電流的相位同步。 圖 中的電容 C1 和 C2 分別用來消除紋波和穩(wěn)壓的作用。首先， +5V 電源的得到一般可通過外部開關(guān)電源X T A L 1 / C L K I NX T A L 2P L L FP L L F 2X T A LO S CF i nC L K O U TP L LP L L 選 擇( S C S R . [ 1 1 : 9 ] )晶 振R1C1C2 有源電力濾波器控制器的研制及其應(yīng)用 16 或者交 流 220V 單相電經(jīng)變壓器、橋式整流后再經(jīng)過電容、電感濾波得到。 DSP 應(yīng)用電路一般都有 +5V 和 電源， 也就是 DSP 控制系統(tǒng)一般都是多電源系統(tǒng)。在不同的振蕩器（ XTAL1）頻率下的 R1，C1 和 C2 推薦值見表 。濾波器回路的元件為 R1， C1 和 C2，電容 C1 和 C2 必須是無極性的。 F L A S H / R O M可 達(dá) 3 2 K 字 1 6 位 事 件 管 理 器（ E V A 和E V B )S P I S C I C A N W DA D C控 制中 斷 、復(fù) 位 等I / O 寄 存器A D CP B U S ( I F )2 X X C P U + J T A G+ 5 4 4 字 1 6 D A R A MS A R A M可 達(dá) 2 K 字 1 6 位邏 輯( I F )P B U S綜 合 的 A S I C 門P L L 碩士學(xué)位論文 15 內(nèi)部鎖相環(huán) PLL 環(huán)路濾波電路參數(shù)設(shè)計(jì) 2407A 內(nèi)部的 PLL 模塊使用外部濾波器回路來抑制信號(hào)抖動(dòng)和電磁干擾，使抖動(dòng)信號(hào)和干擾影響最小。其中的事件 管理單元 EVM 模塊的 PWM 輸出單元特別為逆變橋電路控制設(shè)計(jì)，使得三相逆變橋的 IGBT 模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成變得非常的容易。從圖中可以清晰的看出， 2407A 具有豐富的片上資源： 544 字 16 位的雙口 RAM（ DARAM）， 2K字 16 位的靜態(tài) RAM（ SARAM）， 32K 字的 FLASH，內(nèi)部鎖相環(huán)電路 PLL，串行外設(shè)接口 SPI，串行通信接口 SCI，看門狗電路， CAN（ Controller Area Network）總線控制器模塊，內(nèi)部 16 通道 10 位精度的 A/D 轉(zhuǎn)換電路以及用于 PWM 脈寬調(diào)制的事件管理單元EVA 和 EVB[41]。 MACD 指令是專門為數(shù)字信號(hào)處理中大量使用的乘加運(yùn)算而設(shè)計(jì)的與 MAC指 令類似，在對(duì)于片內(nèi) RAM 控制進(jìn)行操作，且使用的是間接尋址時(shí)， MACD 首先累加先前乘積，然后把指定的數(shù)據(jù)空間的值和程序存儲(chǔ)空間的值相乘，乘積的結(jié)果放在 PREG 中，并按 PM 的值指定的操作進(jìn)行移位，同時(shí)把指定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容拷貝到該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的地址加 1 的單元中，這樣就使得最舊的數(shù)據(jù)被拋棄，最新的值補(bǔ)充到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的底端，使數(shù)據(jù)一次通過數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 。由此可見，對(duì)于運(yùn)算較 C O T R O L D A T A A D D R E S S T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A / D 1 4 位 精 度A / D 采 樣 電路擴(kuò) 展 R A M6 1 L V 1 2 8 1 6 LL C D鎖 相 環(huán)電 路1 6 路 1 0位 片 上A / D硬 件 脈沖 互 鎖6 路 P W M輸 出擴(kuò) 展 輸入 口擴(kuò) 展 輸出 口J T A G2 3 矩陣 鍵 盤F 口P W M脈 沖上 位 機(jī)驅(qū) 動(dòng) 電路I G B T 模塊ai aubici bucu 有源電力濾波器控制器的研制及其應(yīng)用 14 復(fù)雜的算法， DSP 的速度比微處理器快很多。在 TMS320 系列中，由于具有專用的硬件乘法器，乘法可在一條指令周期內(nèi)完成。例如，執(zhí)行一條字相乘， 80C196 系列芯片要 20 個(gè)狀態(tài)周期（如 16MHz 的晶振，約要 ）。乘法速度越快， DSP 處理器的性能越高。 2407A 采用四級(jí)流水線深度，也就是說，處理器可以并行處理四條指令，每條指令處于流水線的不同階段 [40]。 TI 公司的 DSP 芯片結(jié)構(gòu)是基本哈佛結(jié)構(gòu)的改進(jìn)類型，改進(jìn)之處是在數(shù)據(jù)總線和程序總線之間進(jìn)行局部的交叉連接，這一改進(jìn)允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲(chǔ)器中，并被算術(shù)運(yùn)算指令直接使用 ，增強(qiáng)了芯片的靈活性，只要調(diào)度好兩個(gè)獨(dú)立的總線就可使處理能力達(dá)到最高，以實(shí)現(xiàn)全速運(yùn)行 [40]。諾依曼（ Von Neuman）結(jié)構(gòu)相比，其主要特點(diǎn)是程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)具有獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，有各自獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問。每秒 3000 萬條指令（ 30MIPS）的處理速度，使 2407A 型 DSP 控制器可以提供超過傳統(tǒng)的 16 位微控制器和微處理器的能力。 主處理器模塊介紹 TI（ Texas Instruments）公司的 TMS320LF240X 系列 DSP 控制器是在 24X 的基礎(chǔ)上低功耗改進(jìn)型，它是為了滿足控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。 基于 DSP 的控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 本 章 中系統(tǒng)控制器采用的是德州公司的 TMS320LF2407A(以下簡稱 2407A)數(shù)字化 DSP 控制方案。所以， DSP 技術(shù)在有源電力濾波器中的應(yīng)用將是一個(gè)很大的契機(jī)。 20 世紀(jì) 60 年代以來，隨著計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（ DSP， Digital Signal Processing）也飛速崛起，近幾十年來，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信、自動(dòng)化等領(lǐng)域得到了極為廣泛的發(fā)展。 單片機(jī)在工業(yè)控制方面有廣泛的應(yīng)用，以往的控制器都是用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，它的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是處理速度不夠快，控制的實(shí)時(shí)性不能滿足要求。 有源電力濾波器控制器的研制及其應(yīng)用 12 第 2 章 有源電力濾波器控制器硬件研制 傳統(tǒng)的有源電力濾波器采用的是模擬控制系統(tǒng)，它的缺點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)復(fù)雜且性能不穩(wěn)定。本章主要首先概要介紹了在江西某銅箔廠的整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的展示，然后是講述了控制器在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的效果，給出 了現(xiàn)場(chǎng)的一些照片和實(shí)際的波形展示。本章主要講述了在 TI公司的開發(fā)平臺(tái) CCS2020 上進(jìn)行控制器的程序設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)程序模塊完成的功能進(jìn)行了一個(gè)由整體到局部的描述，并給出了各個(gè)子程序的軟件流程圖。本章先比較了一些常用 的諧波檢測(cè)算法，然后根據(jù)實(shí)際的工程需要提出了一種基于 DFT 滑窗迭代算法的諧波檢測(cè)算法，分析算法的機(jī)理，給出了仿真波形，并設(shè)計(jì)程序流程，最后是 DSP 的實(shí)現(xiàn)。本章主要講述了控制器的硬件設(shè)計(jì)及其它的實(shí)現(xiàn)，并以一種模塊化的思想介紹了各個(gè)模塊功能，技術(shù)特點(diǎn)，并給出了部分的設(shè)計(jì)參數(shù)。 本論文以江西某銅箔廠的諧波環(huán)境為工程背景，主要內(nèi)容為應(yīng)用成熟的有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開發(fā)一種適合于工程實(shí)際的電力濾波器控制器，這其中包括硬件的設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)以及最后的實(shí)施。研究的目的是應(yīng)用混合注入式有源電力濾波器對(duì)江西某銅箔廠進(jìn)行諧波治理和無功補(bǔ)償綜合治理。至于界面的設(shè)計(jì)它又是多樣化的，可操作性和便于理解的使用性 是最先考慮的。因?yàn)楝F(xiàn)在的技術(shù)水平還不能達(dá)到工業(yè)設(shè)備的完全智能化的要求，所以在操作一臺(tái)設(shè)備時(shí)候，友好的人機(jī)界面能夠在操作人和機(jī)器之間建立一個(gè)溝通的橋梁，對(duì)于指令的準(zhǔn)確執(zhí)行起著很大的作用。在有源電力濾波器控制器的設(shè)計(jì)中的兼容性是指在設(shè)計(jì)的初期要能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)將來技術(shù)的走向，或者對(duì)于功能的全面性有一個(gè)事先的考慮，在系統(tǒng)的設(shè)施上給將來的擴(kuò)展留下接口和一些裕量，具體而言，可以將電力保護(hù)的單元逐漸 集成到有源電力濾波器中，以增加系統(tǒng)的兼容碩士學(xué)位論文 11 性；其次，在軟件的設(shè)計(jì)上可以采用模塊化設(shè)計(jì)，方便功能的修改和調(diào)整。 實(shí)現(xiàn) 控制器的可靠性，必須先滿足硬件的上的可行可靠，在硬件設(shè)計(jì)方面就要首先考慮，防止通訊干擾，設(shè)備的靜電屏蔽，強(qiáng)電弱電的耦合等等方面，這是第一個(gè)層面要考慮的；另外，還需在軟件 設(shè)計(jì)上對(duì)程序做一個(gè)合理的跟蹤，比如設(shè)計(jì)看門狗電路，防止程序跑飛以及不可預(yù)見的事件，系統(tǒng)自檢報(bào)警程序等都是可以行之有效的方法。要滿足控制器響應(yīng)速度快的要求，這就要從硬件和軟件上綜合考慮，硬件上要選用處理速度快的處理器，現(xiàn)今的 DSP 芯片最高主頻可以達(dá)到 150MHz 的速度，這里所講的芯片側(cè)重控制芯片而不是通常意義的偏重 于 計(jì)算的芯片；軟件上要選用時(shí)間效率高的算法，在有源電力濾波器中，關(guān)鍵是 設(shè)計(jì) 諧波檢測(cè)算法和控制算法，這兩個(gè)算法是控制器的核心部分。隨著電子元器件技術(shù)的發(fā)展，控制器硬件也經(jīng)歷了分立元件 —— 集成電路 —— 單片機(jī) —— DSP（ digital signal process）芯片的一個(gè)發(fā)展歷程；同樣軟件算法也從早期的與硬件電路捆綁變成如今的獨(dú)立模塊，可以單獨(dú)開發(fā)，而且算法也在不斷的改進(jìn)，它體現(xiàn)出的實(shí)時(shí) 性，穩(wěn)定性也越來越強(qiáng)。 其中控制電路的實(shí)現(xiàn)方式也是最多樣化的，它的多樣化也體現(xiàn)了控制方法的多樣性，而有源電力濾波器的控制器也是各種控制電路的集合。所以，有源電力濾波器控制器的研制及其應(yīng)用 10 存在對(duì) APF 的一般性定義：將系統(tǒng)中所含有害電流（電壓）檢出，并產(chǎn)生與其相反的補(bǔ)償電流（電壓），以抵消輸電線路中的有害電流（電壓）的半導(dǎo)體電力變換裝置 [1, 39]。在串聯(lián)型 APF 單獨(dú)使用方式基礎(chǔ)上發(fā)展出的串聯(lián)型 APF 混合型結(jié)構(gòu) [37, 38]，也都同樣存在絕緣強(qiáng)度高和難以適應(yīng)線路故障的缺點(diǎn)，本文在此就不一一闡述了。 上述描述了并聯(lián)型 APF 的發(fā)展現(xiàn)狀，有源濾波器還有另外一大類 —— 串聯(lián)型APF,圖 為典型的串連 APF 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) [ 36]。 1994 年， Akagi H.等提出一種將串聯(lián)型 APF 和并聯(lián)型 APF 進(jìn)行混合的方式，也稱為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（ Unified Power Quality Conditioner， UPQC） [35]。將 LC 對(duì)基波串聯(lián)諧振電路作為有源部分的注入電路，能夠大大降低 APF 承受的基波電壓和容量，且可以利用無源元件提供碩士學(xué)位論文 9 無功功率，但其諧波容量相對(duì)較大，而且所能提供的無功容量有限。但由于流過無源部分的基波電流都流入逆變器，所以不能利用 PF 提供大容量的無功功率。 1990 年 Fujita APF 與 PF 相串聯(lián)后與電網(wǎng)并聯(lián)的混合型方案 [32]。 1987年 Takeda APF 和并聯(lián) PF 相結(jié)合的混合型