【正文】 輸 入 口輸出口I O P A 6I O P A 7I O P A 3I O P A 4I O P A 51 2 34 5 6+ 5 V4 . 7 K4 . 7 K圖 鍵盤電路示意圖 基于 DSP 的控制器 PCB 制板注意事項(xiàng)控制器方案設(shè)計(jì)確定之后，最后的實(shí)施結(jié)果要體現(xiàn)在電路控制板中，本文。23 的按鍵數(shù)為 6 個(gè)，設(shè)置為功能鍵，分別為光標(biāo)上、光標(biāo)下、光標(biāo)左、光標(biāo)右、確定、取消，具體的按鍵編碼對照圖 中的標(biāo)號列成表格 。將 2407A 的 A 口定義為 I/O 口，行線 IOPAIOPA7 定義為輸出口，IOPAIOPA4 、IOPA5 定義為輸入口。液晶顯示的軟件設(shè)置將在第四章詳細(xì)介紹。它的接口電路如圖 所示。人機(jī)接口包括兩部分，顯示界面和操作控制，顯示界面以往的技術(shù)是使用LED（Light Emitting Diode）來實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)字顯示，隨著控制器智能化和低功耗技術(shù)的發(fā)展，LCD（Liquid Crystal Diodes）液晶顯示技術(shù)得到越來越多的應(yīng)用；控制操作主要是指鍵盤接口電路，鍵盤可分為編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤，編碼鍵盤能夠由硬件自動提供與被按鍵對應(yīng)的 ASCII 碼或其它編碼，但是它要求采用較多的硬件，價(jià)格昂貴，非編碼鍵盤僅提供行列矩陣，由程序來確定對應(yīng)關(guān)系。內(nèi)部有故障檢測電路和保護(hù)電路，包括模塊過溫保護(hù)、短路保護(hù)、控制欠電壓保護(hù) [43]。IPM 型號為 PM300CLV120 智能功率模塊，是三菱公司最新的第五代智能模塊，具有高集成度，小體積封裝，內(nèi)部集成了 6 個(gè) IGBT單元，每個(gè)單元有四個(gè)引腳，分別是＋15V 控制電源、電源地、信號輸入引腳、故障輸出引腳，各個(gè)單元的引腳都是相互獨(dú)立的，不能連結(jié)在一起，所以在應(yīng)用的過程中，都是使用 6 組獨(dú)立的電源來控制智能模塊。實(shí)驗(yàn)測得實(shí)際死區(qū)時(shí)間為 10μs。工程應(yīng)用中，IPM模塊需要單獨(dú)的接入驅(qū)動電平信號，實(shí)質(zhì)上是對控制器生成的 PWM 信號進(jìn)行放大，而且 IPM 模塊對驅(qū)動信號要求很嚴(yán)格，必須將信號轉(zhuǎn)換電路直接焊接在 IPM 模塊上，所以在信號出口一級增加了 IPM 模塊驅(qū)動電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)所采用的兩極光電隔離的結(jié)構(gòu)。 脈沖出發(fā)電路及 IPM 模塊驅(qū)動電路設(shè)計(jì)電力有源濾波器控制器的最終輸出為 PWM 脈寬調(diào)制信號，主處理器 2407A 自身的事件管理單元 EVB 模塊可以輸出六路 PWM 信號，為 電平系統(tǒng)，與逆變電路中的 IPM（Intelligent Power Module）模塊的+15V 的接入信號不兼容，所以必須在控制器中加入電平轉(zhuǎn)換模塊。12V 電壓，在實(shí)際應(yīng)用中，由于器件對電源噪聲很敏感，因此必須在電源 Vcc 之間加一個(gè)去耦電容 C5（通常取值為 ）。美國 MAXIM 公司生產(chǎn)的 MAX232 系列 RS232C 收發(fā)器是目前應(yīng)用較為普遍的串行口電平轉(zhuǎn)換器件。所選用的通信標(biāo)準(zhǔn)為 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)，它是現(xiàn)在應(yīng)用得最多的一種串行通信標(biāo)準(zhǔn)，除了包括物理指標(biāo)外，還包括按位串行傳送的電氣指標(biāo)。 V i nR 3R 4C 3C 4V o u t（a）環(huán)路濾波器仿真電路 （b）環(huán)路濾波器仿真結(jié)果 圖 環(huán)路濾波器的傳輸特性 串行通信接口電路的設(shè)計(jì)有源電力濾波器控制器的研制及應(yīng)用 20 在電力有源濾波器控制器的設(shè)計(jì)中，控制器需要和上位機(jī)進(jìn)行通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為此在控制器的設(shè)計(jì)中增加了通信接口的模塊，通信方式采用串行通信。仿真信號 Vin 為 1V，1KHz 方波信號。f m inC 1 (a) 電容 C1 與中心頻率 f0 關(guān)系曲線 （b） R2/R1 與 fMAX/ fMIN 的關(guān)系曲線圖 RRC1 參數(shù)確定曲線PLL 電路最重要的部分為環(huán)路濾波器即圖 中的低通濾波器的設(shè)計(jì)，最終是要確定 R C2 的參數(shù)值，從結(jié)構(gòu)圖中看出，由 RC 2 組成的低通濾波器為一階系統(tǒng)，實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中未能達(dá)到良好的效果，使得 PLL 的頻率偏移很嚴(yán)重，所以本設(shè)計(jì)中采用的環(huán)路濾波器為圖 （a ）所示的二階電路。由（a ）中曲線得出 R2=100kΩ，C 1=3300pF。其中 R圖 CD4046BE 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖鑒相器 環(huán)路濾波器V C O 分頻器 1 / NP L L 電路輸出輸入信號數(shù)字設(shè)定可編程分頻器碩士學(xué)位論文 19 RC 1 的參數(shù)確定可以圖 的（a）和（b）中曲線圖來確定。圖 倍頻原理圖在圖 的倍頻電路中包括兩個(gè)重要的模塊，鎖相電路 PLL 和分頻器，硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也就是對 PLL 器件和分頻器器件的選擇。倍頻電路的基本工作原理是將輸入波形與 VCO（Voltage Controlled Osillator ）振蕩波形的相位進(jìn)行比較，使其輸入頻率與 VCO 振蕩頻率同步。本文中設(shè)計(jì)的是用鎖相環(huán)元器件使輸出信號為輸入信號的 128 倍的倍頻電路。具體的采樣電路設(shè)計(jì)見附錄 1：控制系統(tǒng)原理圖。MAXl25 可以和 DSP 并行工作，從而減輕了 DSP 的工作負(fù)擔(dān)。5 V，通道最大承受過壓可達(dá)177。 F＋＋ RS+ 5 V 3 . 3 VT P S 7 3 3 3 QC1C2有源電力濾波器控制器的研制及應(yīng)用 18 了兩片精度更高的 14bit 的 4 通道同時(shí)采樣的 MAX125。本章的硬件設(shè)計(jì)采用43256785 0 181。采樣電路是控制器的重要組成部分，其轉(zhuǎn)換精度決定了控制器性能的優(yōu)劣。具體電路如圖 所示。 圖 DSP 控制器電源模塊 表 TPS7333Q 電氣參數(shù)輸入電壓/V 輸出電壓/V 輸出電流/mA 工作溫度 封裝形式最大值 典型值 最小值 5 500 40~+125℃ DIP，SO 采樣電路模塊的設(shè)計(jì)采樣電路的設(shè)計(jì)包括同步信號捕獲和外接 8 通道電流電壓采樣電路。為得到 的 DSP 控制電壓，本文采用的 DC/DC 變換芯片為 TPS7333Q，它的基本電氣參數(shù)見表 ，接線連接見圖 ，其中它的 8 號引腳可用作 DSP 的外部復(fù)位引腳。而對于多電源系統(tǒng)，采用的一把策略是將+5V 的電源經(jīng)過 DC/DC 變換得到其它數(shù)量級的電源電壓，如、 等。本文中采用的有源晶振值為 10MHz，所以查表得到 R1，C 1 和 C2 參數(shù)分別為： ； ； ??1F? F?? 圖 2407A 鎖相環(huán)時(shí)鐘模塊電路圖 表 外部濾波器元件參數(shù)表XTAL1/CLKIN 頻率/MHz R1/Ω C1/μF C2/μF 4 5 6 7 8 1 9 10 10 11 2407A 電源的設(shè)計(jì)對于任何一個(gè)電氣系統(tǒng)來講，電源是不可或缺的部分。濾波器電路回路連接到 2407A 芯片的PLLF 和 PLLF2 引腳。內(nèi)部的 PLL 時(shí)鐘模塊電路如圖 所示。全比較 PWM 輸出單元有六個(gè)輸出管腳，兩兩互補(bǔ)輸出，用于對應(yīng)銅橋臂 IGBT 控制。 圖 2407A 型 DSP 系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)2407A 豐富的片內(nèi)外設(shè)單元使得我們控制器的硬件設(shè)計(jì)變得非常的簡單，需要擴(kuò)展的外圍接口電路很少。MACD 指令是專門為數(shù)字信號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)存儲單元的內(nèi)容拷貝到該數(shù)據(jù)存儲單元的地址加 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)（5）豐富的片內(nèi)外設(shè)圖 是 2407A 的系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)。由此可見，對于運(yùn)算較復(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。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。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)存儲具有獨(dú)立的存儲空間，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 TMS2407LF240X 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)字信號處理技術(shù)（DSP，Digital Signal Processing）也飛速崛起，近幾十年來，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信、自動化等領(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，所以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。碩士學(xué)位論文 13 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)場數(shù)據(jù)的展示，然后是講述了控制器在現(xiàn)場應(yīng)用的效果，給出了現(xiàn)場的一些照片和實(shí)際的波形展示。本章主要講述了在 TI 公司的開發(fā)平臺 CCS2022 上進(jìn)行控制器的程序設(shè)計(jì)，對各個(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)測將來技術(shù)的走向，或者對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)的兼容性；其次，在軟件的設(shè)計(jì)上可以有源電力濾波器控制器的研制及應(yīng)用 12 采用模塊化設(shè)計(jì)，方便功能的修改和調(diào)整。追求控制器的可靠性，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。控制器的可靠性是適應(yīng)工業(yè)上的要求，對于電氣設(shè)備都是全天候的工作，所以控制器的工作場合也必須是時(shí)間連續(xù)，而且要求控制精度的準(zhǔn)確性，這也就是控制器的可靠性。設(shè)計(jì)一個(gè)好的控制器會從如下幾個(gè)方面來考慮問題：? 控制器的實(shí)時(shí)性? 控制器的可靠性? 控制器的兼容性? 控制器的可操作性一個(gè)性能完備的控制系統(tǒng)要求動態(tài)跟蹤性能快和穩(wěn)態(tài)誤差小，從動態(tài)特性方面考慮，控制器的實(shí)時(shí)性也就是控制器的響應(yīng)速度必須要滿足系統(tǒng)的要求，具體而言，一個(gè)性能優(yōu)良的有源電力濾波器控制器的響應(yīng)速度一般在一個(gè)工頻周期也即 20ms 的時(shí)間之內(nèi)。有源電力控制器一般包括硬件電路和軟件算法兩部分。有源濾波器一般由三大部分組成：檢測電路、控制電路和功率變換電路。 有源電力濾波器控制器的技術(shù)特點(diǎn)雖然有源濾波器發(fā)展至今，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制原理都發(fā)生了變化，但都是從最早期的并聯(lián)型 APF，根據(jù)對偶原理或通過混合逐步演變而來的。變 流 器APF 諧 波 源