基于DSP的配電靜止同步補(bǔ)償器控制器的設(shè)計(jì)

摘要DistributionStaticCompensatorTMS320LF2407本控制器裝置由主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路組成。本文按信號(hào)流程來闡述，最小系統(tǒng)、信號(hào)采集、信號(hào)處理。最小系統(tǒng)包括芯片、鍵盤顯示、擴(kuò)展ROM/RAM等。信號(hào)采集包括PT（電壓互感器）/CT（電流互感器）、信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換。關(guān)鍵詞：最小系統(tǒng)；信號(hào)采集；信號(hào)處理AbstractDigitalSignalProcessingDistributionStaticSynchronousCompensatorKeyWords：Digitalsignalprocessing(DSP)；DistributionStaticCompensatorD-STATCOM；DSPsmallestsystem；Signalgathering；Signalprocessing目錄摘要第1章緒論 1第1.1節(jié)課題的來源及意義 1第1.2節(jié)D-STATCOM控制器設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀 3第1.3節(jié)D-STATCOM補(bǔ)償電流檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀 5第1.4節(jié)D-STATCOM的優(yōu)越性 8第1.5節(jié)論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排 9第2章DSP器件的簡介及D-STATCOM的工作原理 11第2.1節(jié)DSP器件的特點(diǎn) 11第2.2節(jié)TMS320LF2407的特點(diǎn) 13第2.3節(jié)TMS320LF2407的結(jié)構(gòu) 14第2.4節(jié)選擇DSP芯片注意事項(xiàng) 16第2.5節(jié)D-STATCOM的基本原理 17第3章基于DSP的D-STATCOM控制器設(shè)計(jì) 25第3.1節(jié)基于DSP的D-STATCOM的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 25第3.2節(jié)控制系統(tǒng)軟件部分 36總結(jié) 41參考文獻(xiàn) 42致謝 44第1章緒論第1.1節(jié)課題的背景及意義電能作為人們廣泛使用的能源，其應(yīng)用程度是一個(gè)國家發(fā)展水平和綜合國力的主要標(biāo)志之一。在滿足工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)和人民生活對(duì)電能需求量的同時(shí)，提高對(duì)電能質(zhì)量的要求是一個(gè)國家工業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá)、科技水平提高、社會(huì)文明程度進(jìn)步的表現(xiàn)，是增強(qiáng)用電效率、節(jié)能降損、改善環(huán)境、提高國民經(jīng)濟(jì)的總體效益以及工業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)保證。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近年來，配電網(wǎng)中整流器、變頻調(diào)速裝置、電弧爐、電氣化鐵路等負(fù)荷不斷增加。這些負(fù)荷的非線性、沖擊性和不平衡性的用電特性，使網(wǎng)絡(luò)中的電壓、電流波形發(fā)生畸變，或引起電壓波動(dòng)、閃變和三相不平衡。此外，系統(tǒng)側(cè)發(fā)生的雷擊線路、投切電容器組、短路。斷路等，都給供電質(zhì)量造成嚴(yán)重干擾。另一方面，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，用電設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量更加敏感。低劣的供電質(zhì)量將導(dǎo)致低劣的產(chǎn)品質(zhì)量，特別是在重要工業(yè)生產(chǎn)過程中，供電的突然中斷將會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)美國官方統(tǒng)計(jì)，近20年來全球范圍內(nèi)因電能質(zhì)量引起的重大電力事故已達(dá)20多起，每年因電能質(zhì)量擾和電氣環(huán)境污染引起的國民經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)300億美元，電能質(zhì)量直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的總體效益。如何提高和保證電能質(zhì)量，已成為迫切需要解決的重要課題之一。電能質(zhì)量的優(yōu)劣已經(jīng)成為電力系統(tǒng)運(yùn)行與管理水平高低的重要標(biāo)志，控制和改善電能質(zhì)量也是保證電力系統(tǒng)自身可持續(xù)發(fā)展的必要條件。電能質(zhì)量問題已不僅僅是電力系統(tǒng)中電壓和頻率等的基本技術(shù)問題，它已被提升為關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)及設(shè)備的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行，關(guān)系電氣環(huán)境工程保護(hù)，關(guān)系整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的總體效益和發(fā)展戰(zhàn)略。因此，開展電能質(zhì)量控制技術(shù)的研究及相關(guān)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義，成為了近年來電氣工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。N.H.Hingorani于1986年提出了靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）的概念。FACTS技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)重要特點(diǎn)，一是不斷采用新器件，另一個(gè)特點(diǎn)是裝置多樣化,應(yīng)用范圍更廣。一方面繼續(xù)向高壓大容量方向發(fā)展，另一方面，向中低壓配電網(wǎng)的應(yīng)用發(fā)展，宗旨是提高用戶側(cè)的電能質(zhì)量，稱之為用戶電力技術(shù)。用戶電力技術(shù)（Custompower）的概念最早于1988年由N.H.Hingoran博士提出，這是一種應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)，按用戶特定要求提供電力供應(yīng)并實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量控制的技術(shù)。我國一些學(xué)者稱用戶電力技術(shù)為DFACTS，認(rèn)為是FACTS技術(shù)在配電系統(tǒng)應(yīng)用的延伸，并做了大量的研究。1996年，日本北海道大學(xué)和茨城大學(xué)的學(xué)者正式提出了與上述概念相似的FRIENDS（FlexibleReliableandIntelligentElectricEnergyDeliverySystem），并組織“FRIENDS研究會(huì)”。兩者目的都是為了建立靈活、可靠的電力供應(yīng)系統(tǒng)，更好地滿足用戶需求。用戶電力技術(shù)是一種將電力電子技術(shù)、微處理機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)等高新技術(shù)運(yùn)用于中、低壓配電和用電系統(tǒng)中，以減小諧波畸變，消除電壓波動(dòng)和閃變、各相電壓的不對(duì)稱和供電的短時(shí)中斷，從而提高供電可靠性和電能質(zhì)量的新型綜合技術(shù)。用戶電力技術(shù)的提出為電力公司在系統(tǒng)側(cè)和用戶側(cè)以最經(jīng)濟(jì)的方法綜合解決電能質(zhì)量問題提供了一種新途徑。常用的用戶電力技術(shù)裝置有不間斷電源（UPS）、配電靜止同步補(bǔ)償器（D-STATCOM）、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）、有源電力濾波器（APF）等。配電靜止同步補(bǔ)償器（D-STATCOM）是一種重要的用戶電力技術(shù)裝置，跟其它類型的用戶電力技術(shù)裝置相比較，具有功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良、性價(jià)比高的特點(diǎn)，能綜合的解決配電網(wǎng)中電壓波動(dòng)與閃變、電流畸變、三相電壓不對(duì)稱等電能質(zhì)量問題，因此在配電網(wǎng)中頗受關(guān)注，成為了現(xiàn)階段配電網(wǎng)無功補(bǔ)償和電能質(zhì)量控制的發(fā)展方向。D-STATCOM與以往的無功補(bǔ)償裝置如自動(dòng)投切電容器組裝置和SVC相比具有如下特點(diǎn)：（1）響應(yīng)時(shí)間快。自動(dòng)投切電容器組裝置的響應(yīng)時(shí)間需要幾秒鐘，這是受電容器放電時(shí)間所限制。國標(biāo)規(guī)定電力電容器放電時(shí)間為3秒鐘，如果放電時(shí)間太少，則電容器的剩余電荷不能放電干凈，如再次投入可能會(huì)導(dǎo)致電容器發(fā)生過壓擊穿現(xiàn)象。（2）不會(huì)引起諧振短路。雖然該裝置仍然采用并聯(lián)型結(jié)構(gòu)，但是它與電網(wǎng)之間有連接電抗器，因此不會(huì)出現(xiàn)并聯(lián)諧振現(xiàn)象。（3）可以發(fā)出連續(xù)可調(diào)的感性無功和容性無功。該裝置不僅可以應(yīng)用在感性負(fù)荷場合，還可以應(yīng)用在容性負(fù)荷的場合，可以提高補(bǔ)償效果，降低線路損耗。（4）精準(zhǔn)電壓控制。該裝置除了可以按照功率因數(shù)或者無功功率控制之外，還可以按照電壓幅值來控制，確保用戶獲得的電壓的平穩(wěn)性，降低電壓紋波。（5）具有自適應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng)。（6）可同時(shí)對(duì)諧波和無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償無功功率時(shí)不需要儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需儲(chǔ)能元件的容量不大，且補(bǔ)償無功功率的大小可以做到連續(xù)調(diào)節(jié)。（7）受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不容易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振；且可以跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，故補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響。目前已經(jīng)研制成功以及正在運(yùn)行的STATCOM所使用的功率器件大多為GTO，電壓及容量較小的配電系統(tǒng)用STATCOM（D-STATCOM）使用IGBT。德國西門子公司已生產(chǎn)出用于高電壓的IGBT，電壓可達(dá)到5000V以上，日本東芝公司于1993年開發(fā)研制出的IEGT（電子注入增強(qiáng)門極晶體管）已經(jīng)形成商用產(chǎn)品，其額定參數(shù)可達(dá)到4.5kV3000A，ABB公司于1996年開發(fā)研制出了IGCT（集成門極換向晶閘管），開通、關(guān)斷時(shí)間與開關(guān)損耗進(jìn)一步減?。P(guān)斷時(shí)間小于5Ls），目前IGCT的額定參數(shù)可達(dá)到10kV4500A20kHz，而且可在無關(guān)斷吸收電路條件下工作。目前人們正在對(duì)碳化硅和金剛石等禁帶很寬、擊穿電場很高、同時(shí)又具有高熱導(dǎo)率的新型半導(dǎo)體材料進(jìn)行不斷探索與研究，并已獲得了初步成果。將此類新型電力電子功率器件用于D-SATCOM中，開關(guān)頻率提高、裝置損耗降低、體積減小、運(yùn)行效率提高、使PWM技術(shù)在中壓中小容量D-SATCOM中的直接應(yīng)用成為可能。在中小容量D-SATCOM的場合，應(yīng)用多重化技術(shù)的D-SATCOM裝置結(jié)構(gòu)與控制復(fù)雜，占地面積大，功率密度小，成本較高，而直接采用PWM控制技術(shù)的D-SATCOM裝置可以克服上述缺點(diǎn)，同時(shí)省去了多重化變壓器，避免了由于多重化變壓器的非線性磁飽和引起的過電流，而且可以將研究成熟多種三相PWM變流器控制方法（如相幅控制、滯環(huán)電流控制、三角波比較電流控制、空間矢量控制、直接功率控制等）直接運(yùn)用于D-SATCOM裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中?？梢婇_展應(yīng)用于中低壓系統(tǒng)的基于VSI-SPWM結(jié)構(gòu)D-SATCOM的研究符合新型電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)，可以為將來實(shí)現(xiàn)第1.2節(jié)D-SATCOM控制器設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀在中低壓配電網(wǎng)中裝設(shè)D-SATCOM裝置能有效的解決配電網(wǎng)中常見的電能質(zhì)量問題。隨著電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于電力電子技術(shù)的D-SATCOM裝置得到了廣泛和深入的研究。從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，國外發(fā)達(dá)工業(yè)國家，如美國、日本等在這方面的研究起步較早，已有工業(yè)裝置在電網(wǎng)和工業(yè)企業(yè)中投運(yùn)。而我國由于受多種因數(shù)的制約，對(duì)D-SATCOM的研究還處于理論研究和實(shí)驗(yàn)階段，真正應(yīng)用于電網(wǎng)和工業(yè)企業(yè)中的工業(yè)裝置不多見，其主要原因是一些關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)問題以及設(shè)備的成本問題尚未得到解決。SATCOMSATCOMSATCOMSTATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOM第1.3節(jié)D-SATCOM補(bǔ)償電流檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀當(dāng)D-SATCOM用來補(bǔ)償負(fù)荷中的諧波、無功和負(fù)序電流時(shí)，補(bǔ)償電流檢測是決定D-SATCOM補(bǔ)償性能好壞的重要環(huán)節(jié)。補(bǔ)償電流的檢測引起了廣泛的研究，眾多學(xué)者在補(bǔ)償電流檢測方面做了不懈的努力，提出了很多新的思想和方法。但他們幾乎都朝著這么一個(gè)方向努力，那就是檢測的精度和速度。從目前國內(nèi)外文獻(xiàn)所報(bào)道的情況來看，補(bǔ)償電流的檢測方法主要有基于瞬時(shí)無功功率理論的檢測方法及其改進(jìn)、基于變換的檢測方法、基于FFT的檢測方法、基于自適應(yīng)原理的檢測方法、小波變換檢測法等。日本學(xué)者赤木泰文提出的瞬時(shí)無功功率理論在補(bǔ)償電流檢測中得到廣泛應(yīng)用。基于瞬時(shí)無功功率理論的補(bǔ)償電流檢測方法有兩種運(yùn)算方式，即運(yùn)算方式和運(yùn)算方式。這兩種檢測方法在電網(wǎng)電壓對(duì)稱且無畸變的情況下具有形同的檢測結(jié)果，都能精確的檢測出負(fù)載電流中的諧波、無功和負(fù)序電流。而當(dāng)電網(wǎng)電壓不對(duì)稱和畸變條件下，運(yùn)算方式會(huì)有檢測誤差，而方式在檢測諧波時(shí)無檢測誤差，但檢測出的無功電流有誤差。運(yùn)算在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱且畸變（或畸變）條件下檢測的誤差來源來源于這種檢測方法本身的缺陷。當(dāng)三相電壓中不含有負(fù)序和高次諧波分量時(shí),根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論計(jì)算出的瞬時(shí)實(shí)功率對(duì)應(yīng)于基波有功功率,瞬時(shí)虛功率對(duì)應(yīng)于基波無功功率,瞬時(shí)實(shí)功率和瞬時(shí)虛功率中的交流成分對(duì)應(yīng)于負(fù)序和諧波部分。分別對(duì)基波有功功率、基波無功功率和瞬時(shí)實(shí)功率和瞬時(shí)虛功率中的交流成分進(jìn)行反變換,則可得三相系統(tǒng)的基波有功、基波無功和負(fù)序正諧波電流。但當(dāng)電壓中含有負(fù)序和諧波成分時(shí),瞬時(shí)實(shí)功率將由正序有功功率、負(fù)序有功功率和諧波功率構(gòu)成,由其反變換得到的有功電流將是與電壓具有相同的頻率、相位和波形的畸變波,使補(bǔ)償系統(tǒng)不能正常工作。日本有數(shù)臺(tái)采用法的諧波補(bǔ)償裝置,售出后因其使用場合的網(wǎng)壓存在諧波和不對(duì)稱情況,已不能繼續(xù)運(yùn)行,說明這一問題相當(dāng)突出。運(yùn)算方式檢測補(bǔ)償電流的誤差來源于由鎖相環(huán)電路所得到的與a相電網(wǎng)電壓同相位的正弦和余弦信號(hào)。當(dāng)三相電網(wǎng)電壓不對(duì)稱時(shí)，電壓中將包含負(fù)序分量和零序分量。由PLL及正余弦信號(hào)發(fā)生電路得到的正余弦信號(hào)的相位由a相電壓確定，其中，正弦信號(hào)與a相電壓同相，即與a相電壓的正序分量、負(fù)序分量及零序分量之和同相。而期望的正弦信號(hào)應(yīng)與a相電壓的正序分量同相。這樣，實(shí)際的正弦信號(hào)與期望的正弦信號(hào)之間就有相位差，從而引起了無功電流檢測誤差，但不會(huì)影響到諧波電流的精確檢測。在以上兩種檢測方法的基礎(chǔ)上，有很多文獻(xiàn)報(bào)道了對(duì)以上兩種檢測方法的改進(jìn)。對(duì)以上兩種檢測方法的改進(jìn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是克服電網(wǎng)電壓不對(duì)稱或畸變（或電網(wǎng)電壓不對(duì)稱且畸變）給檢測精度帶來的不利影響；另一方面是通過對(duì)檢測電路中低通濾波器的研究，力求一種延時(shí)小且濾波性能好的低通濾波器。文獻(xiàn)[1]針對(duì)電網(wǎng)電壓三相不對(duì)稱時(shí)法檢測瞬時(shí)有功電流和無功電流時(shí)存在的誤差，提出了一種基于低通濾波器的基波正序電壓提取單元代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電壓檢測電路，提取單元能檢測出電壓正序分量的相位，從而在三相不對(duì)稱時(shí)仍能檢測基波有功、無功電流。文獻(xiàn)[2]提出了在三相電壓不對(duì)稱并含有高次諧波的情況下采用雙閉環(huán)方式檢測諧波和無功電流的方法。文獻(xiàn)[3]報(bào)道了一種并聯(lián)型有源電力濾波器在非理想電源電壓下的控制方法。提出了并聯(lián)型有源電力濾波器在不對(duì)稱、非正弦電源電壓情況下補(bǔ)償電流指令的計(jì)算方法。該方法基于同時(shí)對(duì)三相電壓、電流進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和投影變換，所求得的補(bǔ)償電流指令為非線性負(fù)載電流中除了基波正序有功分量之外的全部電流分量。關(guān)于檢測電路中濾波器的研究，文獻(xiàn)[4]應(yīng)用高通濾波器同時(shí)檢測高次諧波和無功電流的檢測方法進(jìn)行了研究，認(rèn)為應(yīng)略去無功電流通道的一個(gè)高通濾波器后直接連接，就能同時(shí)檢測出被檢測電流中的諧波和無功電流。文獻(xiàn)[5]從基于瞬時(shí)無功功率理論的一種諧波電流檢測方法，推出了采用高通和低通濾波器兩種諧波電流檢測電路。對(duì)兩種電路的性能進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，濾波器的截止頻率、階數(shù)和類型對(duì)檢測電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程、檢測精度都有很大影響。諧波電流檢測電路采用低通濾波器，無論從設(shè)計(jì)上還是從檢測效果都有優(yōu)勢(shì)。在對(duì)基于瞬時(shí)功率理論的補(bǔ)償電流檢測方法研究的同時(shí)，電力科技工作者也從不同的角度提出了一些新的功率理論和功率定義，試圖從另外的視眼來對(duì)負(fù)載電流中的諧波、無功和負(fù)序電流進(jìn)行檢測。文獻(xiàn)[6]提出一種在電網(wǎng)電壓畸變情況下依然適用的坐標(biāo)系下的廣義無功電流和無功功率的新定義，給出了廣義無功電流的檢測和補(bǔ)償方法。文獻(xiàn)[7]在三相電路綜合矢量的基礎(chǔ)上定義了三相電路的有功功率和無功功率，并定義基波電壓綜合矢量與基波電流綜合矢量的點(diǎn)積的直流分量為有功功率，電壓綜合矢量與基波電流綜合矢量的叉積和它們點(diǎn)積的脈動(dòng)分量構(gòu)成了無功功率?；跓o畸變的電壓參考矢量，直接對(duì)三相電壓、電流的瞬時(shí)值運(yùn)算，可以獲得三相瞬時(shí)無功及諧波電流。文獻(xiàn)[8-10]研究了基于旋轉(zhuǎn)變換原理的補(bǔ)償電流檢測方法。近年來，一些基于新的原理和方法的補(bǔ)償電流檢測方法也層出不窮。數(shù)字信號(hào)處理和分析中的一些理論、自適應(yīng)信號(hào)處理理論也在補(bǔ)償電流檢測技術(shù)中得到應(yīng)用，體現(xiàn)出了補(bǔ)償電流檢測技術(shù)的前沿性和綜合性。文獻(xiàn)[11-12]提出了一種利用基于改進(jìn)鎖相環(huán)（EPLL）的非線性自適應(yīng)濾波器進(jìn)行補(bǔ)償電流檢測的方法。文獻(xiàn)[13]報(bào)道了基于FFT的高精度諧波檢測算法。文獻(xiàn)針對(duì)傳統(tǒng)的諧波檢測方法快速傅立葉變換（FFT）由于存在柵欄和頻譜泄漏現(xiàn)象，只適用于整數(shù)次諧波的分析，而不適用于非整數(shù)次諧波的檢測，因此不能夠?qū)崿F(xiàn)精確的諧波分析。提出了改進(jìn)算法。該算法通過對(duì)FFT算法做簡單變換，減小了頻譜泄漏誤差，降低了諧波之間的相互干擾。文獻(xiàn)[14-15]對(duì)基于小波變換的諧波和無功電流檢測方法進(jìn)行了較深入的研究。文獻(xiàn)[14]針對(duì)常規(guī)快速傅立葉變換無法檢測非整次諧波的問題，提出了利用小波變換實(shí)現(xiàn)檢測非整次諧波的方法。小波函數(shù)是具有時(shí)域和頻域良好局部化特性的函數(shù)，理論上可以用于非整次諧波的檢測。但是小波變換存在著由于頻譜泄露而帶來的混頻問題，給諧波的檢測帶來誤差。為解決此問題，可選擇分頻嚴(yán)格的小波函數(shù)，或者選擇合適的分析方法。有關(guān)基于自適應(yīng)信號(hào)處理的補(bǔ)償電流檢測方法也有大量文獻(xiàn)報(bào)道文獻(xiàn)[16-24]。文獻(xiàn)[25]、[26]和[27]分別報(bào)道了基于FBD法的三相電力系統(tǒng)電流檢測方法、基于鑒相原理的瞬時(shí)諧波電流檢測方法和基于補(bǔ)償電流最小原理的諧波與無功電流檢測方法。從上面的綜述可以看出，補(bǔ)償電流檢測根據(jù)所基于的檢測原理有多種方法，但從D-STATCOM裝置開發(fā)和工程應(yīng)用的角度出發(fā)，快速、準(zhǔn)確、適應(yīng)性強(qiáng)、易實(shí)現(xiàn)的補(bǔ)償電流檢測方法是研究的主要方向。第1.4節(jié)D-STATCOM的優(yōu)越性配電靜止同步補(bǔ)償器（D-SATCOM）與傳統(tǒng)的SVC裝置相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)：（1）在提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性等方面的性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的SVC裝置。（2）采用數(shù)字控制技術(shù)，系統(tǒng)可靠性高，基本不需要維護(hù)，可以節(jié)省大量的維護(hù)費(fèi)用；同時(shí)，可通過調(diào)度中心EMS實(shí)現(xiàn)無功功率潮流和電壓最優(yōu)控制，是建設(shè)中的數(shù)字電力系統(tǒng)的組成部分。（3）控制靈活、調(diào)節(jié)速度快，在感性和容性運(yùn)行狀況下均可連續(xù)快速調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度很快。（4）靜止運(yùn)行，安全穩(wěn)定，沒有SVC裝置那樣的大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，將大大提高裝置壽命。（5）對(duì)電容器的容量要求不高，這樣可以省去常規(guī)裝置中的大電感和大電容及龐大的切換機(jī)構(gòu)，使D-STATCOM裝置的體積小、損耗低。（6）連接電抗小。D-STATCOM接入電網(wǎng)的連接電抗，其作用是濾除電流中存在的較高次諧波，另外起到將變流器和電網(wǎng)這兩個(gè)交流電壓源連接起來的作用，因此所需的電感量并不大，也遠(yuǎn)小于補(bǔ)償容量相同的TCR等SVC裝置所需的電感量。如果使用降壓變壓器將D-STATCOM連入電網(wǎng)，則還可以利用降壓變壓器的漏抗，所需的連接電抗器將進(jìn)一步減小。（7）對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行瞬時(shí)補(bǔ)償，即使系統(tǒng)電壓降低，它仍然可以維持最大無功電流，即D-STATCOM產(chǎn)生無功電流基本不受系統(tǒng)電壓的影響。（8）諧波量小。在多種形式下的SVC裝置中，SVC本身產(chǎn)生一定量的諧波。如TCR型的5、7次特征諧波量比較大，占基波值的5%~10%；其他形式如SR、TCR等也產(chǎn)生3、5、7、11等次的諧波。這給SVC系統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)帶來了許多困難，而在D-STATCOM中則完全可以采用橋式交流電路的多重化技術(shù)、多電平技術(shù)或PWM技術(shù)來進(jìn)行處理，以消除次數(shù)較低的諧波，并使較高次如7、11等次諧波見效到可以接受的程度。（9）D-STATCOM不需要大容量的電容、電感等儲(chǔ)能元件，在網(wǎng)絡(luò)中普遍使用也不會(huì)產(chǎn)生諧波，而使用SVC或固定電容器補(bǔ)償，如果系統(tǒng)安裝臺(tái)數(shù)較多，有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)諧振的產(chǎn)生。（10）D-STATCOM的端電壓對(duì)外部系統(tǒng)的運(yùn)行條件和結(jié)構(gòu)變化是不敏感的。當(dāng)外部系統(tǒng)容量與補(bǔ)償裝置容量可比時(shí)，SVC將會(huì)變得不穩(wěn)定，而D-STATCOM仍然可以保持穩(wěn)定，即輸出穩(wěn)定的系統(tǒng)電壓。（11）運(yùn)行范圍大。對(duì)傳統(tǒng)的SVC裝置，其所提供的最大電流分別受其并聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器的阻抗特性限制，因而隨電壓的降低而減少。（12）D-STATCOM比同容量的SVC裝置占地面積小、成本低（由于SVC裝置為補(bǔ)償0~100%容量變化的無功功率，幾乎需要100%容量的電容器與超過100%容量的晶閘管控制電抗器，銅和鐵的消耗很大，而D-STATCOM使用的電抗器和電容器遠(yuǎn)比D-STATCOM中使用的要?。?，在系統(tǒng)欠壓條件下無功功率調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。（13）D-STATCOM的直流如果采用較大的儲(chǔ)能電容，或者其他直流電源（如蓄電池組）后，它不僅可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功功率，還可以條調(diào)系統(tǒng)的無功功率，還可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率，這對(duì)于電網(wǎng)來說是非常有益的，也是D-STATCOM裝置所不能比擬的。正由于D-STATCOM具有上述優(yōu)點(diǎn)，因而D-STATCOM作為一種新型的無功功率補(bǔ)償調(diào)節(jié)裝置，已經(jīng)成為現(xiàn)代無功功率補(bǔ)償補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向，成為國內(nèi)外電力系統(tǒng)行業(yè)的重點(diǎn)研究方向之一。第1.5節(jié)論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排論文的主要目的是利用DSP器件設(shè)計(jì)配電靜止同步補(bǔ)償器的控制器。詳細(xì)介紹配電靜止同步補(bǔ)償器的各個(gè)組成部分，包括指令信號(hào)檢測部分、控制器部分、主電路部分、驅(qū)動(dòng)電路部分等等。為此論文的研究內(nèi)容圍繞以下幾個(gè)方面展開。第1章：緒論隨著計(jì)算機(jī)和電力電子技術(shù)等學(xué)科的飛速發(fā)展，靜止同步補(bǔ)償器的技術(shù)理論、方法及實(shí)現(xiàn)手段也獲得了飛速的發(fā)展，并且應(yīng)用越來越廣泛。配電靜止同步補(bǔ)償器數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)內(nèi)容廣泛、理論復(fù)雜。配電靜止同步補(bǔ)償器（D-SATCOM）是目前用于電力系統(tǒng)中性能最好的無功補(bǔ)償裝置,是柔性交流輸電系統(tǒng)的核心.綜述了配電靜止同步補(bǔ)償器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。第2章：DSP器件的簡介及D-SATCOM的工作原理TMS320LF240x系列的DSP（DigitalSignalProcessing）是TMS320數(shù)字信號(hào)處理器家族中的一員，LF240x系列DSP是為滿足大范圍的數(shù)字控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。本章是對(duì)當(dāng)前TMS320家族作一個(gè)概述，描述LF240xDSP產(chǎn)品的背景和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并介紹TMS320LF2407x系列DSP。并介紹了配電靜止同步補(bǔ)償器（D-SATCOM）的工作原理。第3章：基于DSP的D-SATCOM控制器設(shè)計(jì)控制器的設(shè)計(jì)包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分?？刂破饔布捎脝蜟PU結(jié)構(gòu)。控制系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理板，控制主板兩部分組成。信號(hào)調(diào)理板將電壓和電流及相位信號(hào)處理后傳給控制主板；在控制主板上，由TMS320LF2407A負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、數(shù)據(jù)顯示和與上位機(jī)通訊及時(shí)對(duì)IGBT進(jìn)行控制。TMS320LF2407A將A/D轉(zhuǎn)換采來的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，送入LCD顯示各種電量參數(shù)，同時(shí)根據(jù)采樣回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制計(jì)算。LCD可顯示功率因數(shù)、電壓、電流、有功功率和無功功率等。軟件大體包括幾個(gè)子程序模塊：數(shù)字濾波模塊、DQ變換模塊、第2章DSP器件的簡介及D-STATCOM的工作原理由于電網(wǎng)是一個(gè)非線性的、動(dòng)態(tài)的、實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)的系統(tǒng)，所以傳統(tǒng)的器件很難滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，因此，DSP器件以其高速的處理速度和豐富的片上資源被引入到我們的控制平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了以DSP為核心的諧波的實(shí)時(shí)檢測算法和數(shù)字化控制方案。在本章中先概括的介紹了DSP主要特點(diǎn)，接著介紹了我們課題中用的具體芯片TMS320LF2407內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能文獻(xiàn)[28]。第2.1節(jié)DSP器件的特點(diǎn)目前數(shù)字信號(hào)處理（DigitalSignalProcessing，簡稱DSP）已經(jīng)成為信號(hào)處理技術(shù)的主流。因?yàn)榕c早期的模擬信號(hào)相比，數(shù)字信號(hào)處理有著巨大的優(yōu)勢(shì)。早期的模擬信號(hào)處理主要通過運(yùn)算放大電路進(jìn)行不同的電阻組配實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算，通過電阻、電容的組配實(shí)現(xiàn)濾波處理等，其中有一個(gè)很明顯的問題是不靈活、不穩(wěn)定，參數(shù)修改困難，需要采用多種阻值、容值的電阻、電容，并通過電子開關(guān)選通才能修改處理參數(shù)；而且對(duì)周圍環(huán)境變化的敏感性強(qiáng)，溫度、電路噪聲等都會(huì)造成處理結(jié)果的改變，而數(shù)字信號(hào)處理可以通過軟件修改處理參數(shù)，因此具有很大的靈活性。由于數(shù)字電路采用廠二值邏輯，只要環(huán)境溫度、電路噪聲的變化不造成電路邏輯的翻轉(zhuǎn)，數(shù)字電路都可以不受影響地完成工作，因此具有很好的穩(wěn)定性。具體來說，DSP器件有如下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)：其程序和數(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，由于可以同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)和程序進(jìn)行尋址，大大提高了數(shù)據(jù)處理能力，非常適合于實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理。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)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。改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)還可使指令存儲(chǔ)在高速緩存器中（Cache），省去了從存儲(chǔ)器中讀取指令的時(shí)間，大大提高了運(yùn)行速度。（2）流水線操作：在流水操作中，一個(gè)任務(wù)被分解成若干個(gè)子任務(wù)，各個(gè)任務(wù)可以在執(zhí)行時(shí)相互重疊。DSP指令系統(tǒng)的流水操作是與哈佛結(jié)構(gòu)相配合的，增加了處理器的處理能力，把指令周期減小到最小值，同時(shí)也就增加了信號(hào)處理器的吞吐量。以TI公司的TMS320系列產(chǎn)品為例，第一代TMS320處理器（例如TMS320C10）采用了二級(jí)流水線操作；第二代產(chǎn)品（例如TMS320C25）采用了三級(jí)流水線操作；第三代DSP芯片（例如TMS320C30）采用了四級(jí)流水線操作。在流水線操作中，DSP處理器可以同時(shí)并處理2（3）專用的硬件乘法器：在一般的計(jì)算機(jī)上，算術(shù)邏輯單元（ALU）只能完成兩個(gè)操作的加、減及邏輯運(yùn)算，而乘法（或除法）則由加法和移位來實(shí)現(xiàn)。因此，在這樣的計(jì)算機(jī)匯編語言中雖然有乘法指令，但在機(jī)器內(nèi)部，實(shí)際上還是由加法和移位來實(shí)現(xiàn)，因此他們實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算就比較慢。與一般的計(jì)算機(jī)不同的是，DSP都有硬件乘法器，使乘法運(yùn)算可以在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。如在TMS320C3x系列的DSP芯片中，有一個(gè)硬件乘法器，在TMS320C6000中則有兩個(gè)硬件乘法器。由此可見，對(duì)于運(yùn)算較復(fù)雜的算法，（4）特殊的DSP指令：DSP芯片為了方便數(shù)字信號(hào)處理、提高運(yùn)算速度采用了一套專用的特殊指令系統(tǒng)，隨著特殊指令的不斷豐富和完善，DSP的運(yùn)算效率將越來越高。（5）快速的指令周期：哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)可使DSP芯片的主頻不斷提高。目前，TI公司的TMS320C6000系列及TMS320C5000系列的芯片的最高工作主頻已經(jīng)達(dá)到200Hz，指令周期已經(jīng)降到5（6）良好的多機(jī)并行運(yùn)行：在一定的技術(shù)條件下，DSP芯片的單機(jī)處理能力是有限的，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理容量還是經(jīng)常會(huì)超出單個(gè)DSP的處理能力。隨著數(shù)字信號(hào)處理器的DSP芯片的廣泛使用和DSP的芯片價(jià)格的不斷降低，多個(gè)DSP芯片的并行處理已經(jīng)成為近年來的研究熱點(diǎn)，并逐漸在應(yīng)用中嶄露頭角。多機(jī)并行類似于高性能的MPU巨型機(jī)。TI公司的TMS320C4x系列還提供了專門用于多個(gè)DSP（7）大電流、低電壓、高度集成：高速信號(hào)處理芯片全速運(yùn)行時(shí)電流經(jīng)常在1A以上。為在大電流下減少系統(tǒng)功率，系統(tǒng)的工作電壓從標(biāo)準(zhǔn)的5V降到3.3V、2.5V、1.8V，甚至0.9V第2.2節(jié)TMS320LF2407的特點(diǎn)[29]TMS320LF2407是TI公司基于TMS320C2xxDSP系列的CPU核的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，其中“LF”代表片內(nèi)FlashEPROM（3.3V（1）由于采用了高性能的靜態(tài)CMOS制作技術(shù)，因此該DSP具有低功耗和高速度的特點(diǎn)。工作電壓3.3V，有四種低功耗工作方式。單指令周期最短為25ns（40MHz），最高運(yùn)算速度可達(dá)40MIPS，四種指令執(zhí)行流水線。由于采用了TMS320C2xxDSPCPU的內(nèi)核，因此保證了與TMS320C24x系列（2）片內(nèi)集成了32k字的Flash程序存儲(chǔ)器、2k字的單口RAM、544字的雙口RAM。因而使該芯片可用于產(chǎn)品開發(fā)?？删幊痰拿艽a保護(hù)能夠充分地維護(hù)用戶的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。（3）提供外擴(kuò)展64k字程序存儲(chǔ)器、64k字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器、64k字I/O的能力。兩個(gè)事件管理器（EV）。以及可編程看門狗定時(shí)器，保證程序運(yùn)行的安全性。（4）看門狗定時(shí)器模塊（WDT）。

（5）10位A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns，可選擇由兩個(gè)事件管理器來觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)化器。（6）控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN2.0）。

（7）串行通信接口（SCI）模塊。

（8）16位串行外設(shè)（SPI）接口模塊。

（9）基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。

（10）高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳（GPIO）。

（11）5個(gè)外部中斷（兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷）。

（12）電源管理包括3種低功耗模式，能獨(dú)立地將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。在本系統(tǒng)中,DSP外擴(kuò)1片程序存儲(chǔ)器(PRAM)用于存儲(chǔ)運(yùn)行程序,1片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(DRAM)用于計(jì)算過程中數(shù)據(jù)的存放,DSP本身負(fù)責(zé)完成人機(jī)接口、諧波數(shù)據(jù)的生成、合成波形數(shù)據(jù)的輸出、測量數(shù)據(jù)的輸入、各控制參量的計(jì)算、大環(huán)的控制、快速傅立葉變換和諧波數(shù)據(jù)的修正。系統(tǒng)中2片A/D分別接收由DSP發(fā)出的電壓和電流數(shù)據(jù)流并依次完成轉(zhuǎn)換,輸出模擬波形,2路均選用16位A/D轉(zhuǎn)換器。2片A/D均為16位高精度A/D,INL和DNL參數(shù)較好,分別完成電壓、電流的瞬時(shí)值采樣。DSP接收A/D采樣的數(shù)據(jù)并計(jì)算電流電壓有效值、功率值及相位、頻率等,并依此對(duì)輸出量實(shí)施控制和調(diào)整。第2.3節(jié)TMS320LF2407的結(jié)構(gòu)[30]TMS320LF2407具有兩個(gè)16位通用定時(shí)器、八個(gè)16位的PWM通道、三個(gè)捕捉單元、16通道A/D轉(zhuǎn)換器、同步通信接口、異步通信接口、544字雙尋址RAM（DARAM）和32k字Flash程序存儲(chǔ)器等功能。其基本的結(jié)構(gòu)分為中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器、片內(nèi)外設(shè)與專用硬件電路三個(gè)組成部分。其中，CPU主要包括中央算術(shù)邏輯單元（CALU）、累加器（ACC）、乘法器（MUL）、移位寄存器和尋址單元等。存儲(chǔ)器包括片內(nèi)Flash、片內(nèi)ROM、單存取RAM（SARAM）和雙存取RAM（DARAM）。片內(nèi)外設(shè)與專用硬件電路包括數(shù)字輸入輸出模塊（I/O）、事件管理模塊（EV）、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）、串行外設(shè)模塊（SPI）、串行通信模塊（SCI）、局域網(wǎng)控制器模塊（CAN）等。（1）中央處理單元（CPU）TMS320LF2407與所有的240x器件具有相同的CPU內(nèi)核。中央處理單元CPU包括一個(gè)32位的中央算術(shù)邏輯單元（CALU）、32位累加器（ACC）、輸入定標(biāo)移位器、16×16位乘法器（MUL）、輸出數(shù)據(jù)定標(biāo)移位器、地址產(chǎn)生邏輯。其中中央算術(shù)邏輯單元（CALU）實(shí)現(xiàn)大部分算術(shù)和邏輯運(yùn)算功能，包括16位加、16位減、布爾邏輯操作、位檢測、移位和循環(huán)功能；而且大部分運(yùn)算只需要一個(gè)時(shí)鐘周期。累加器的功能就是存放CALU的操作結(jié)果，并對(duì)其單位移位或循環(huán)移位，同時(shí)將結(jié)果輸出CALU或輸出數(shù)據(jù)定標(biāo)移位器。輸入數(shù)據(jù)定標(biāo)移位器的功能是將來自程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的16位數(shù)據(jù)調(diào)整為32位數(shù)據(jù)送到CALU，因此16位輸入與數(shù)據(jù)總線相連，32位輸出與CALU單元相連。該移位器作為從程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間到CALU間數(shù)據(jù)傳輸路徑的一部分，并不會(huì)占用額外的時(shí)鐘開銷。片上的硬件乘法器能實(shí)現(xiàn)16×16二進(jìn)制補(bǔ)碼乘法運(yùn)算，輸出32位結(jié)果。它將來自16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（或程序存儲(chǔ)器）的值與16位TREG寄存器的值乘積，結(jié)果送到32位乘積寄存器（PREG）中。（2）存儲(chǔ)器TMS320LF2407具有192k字的可尋址存儲(chǔ)空間：64k字程序空間、64k數(shù)據(jù)空間和64k字的I/O空間，一些芯片還通過擴(kuò)展頁增加地址空間。程序存儲(chǔ)器包括32k字的Flash內(nèi)部ROM和32k字可擴(kuò)展的外部ROM；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器它是由32k字的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和32k字的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組成。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有544字的雙口RAM（B0、B1、B2）、2k字的單口RAM和專用寄存器，有相當(dāng)一部分內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間是非法區(qū)；I/O空間可用于對(duì)片外設(shè)備的訪問，其存儲(chǔ)空間共64k字，兩條特殊指令I(lǐng)N和OUT用于對(duì)這些空間進(jìn)行訪問。TMS320LF2407還支持地址和數(shù)據(jù)分離總線：內(nèi)部地址總線可分成程序地址總線（PAB）、數(shù)據(jù)讀地址總線（DRAB）和數(shù)據(jù)寫地址總線（DWAB）；內(nèi)部數(shù)據(jù)總線也可以相應(yīng)地分成程序讀總線（PRDB）、數(shù)據(jù)讀總線（DRDB）和數(shù)據(jù)寫總線（DWEB）。（3）中斷TMS320LF2407支持軟件和硬件兩種中斷。所謂軟件中斷是指由指令（即軟件）INTR、NMI或TRAP請(qǐng)求的中斷，而硬件中斷是指由硬件引起的中斷，根據(jù)中斷源的位置不同，硬件中斷又可以分為外部中斷（由外部中斷引腳引起的中斷觸發(fā)）和內(nèi)部中斷（由片內(nèi)外設(shè)的動(dòng)作引發(fā)的中斷）。從CPU處理中斷的角度來講，中斷又可以分成可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷兩類?？善帘沃袛喽际怯布袛?，當(dāng)這些中斷被觸發(fā)后，與其相對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位被置位，但用戶可以用軟件設(shè)置使這些中斷使能（不屏蔽）或者根本不響應(yīng)（屏蔽）。而不可屏蔽中斷包括所有的軟件中斷和兩種最重要的硬件中斷（復(fù)位中斷和不可屏蔽中斷），這些中斷總是被CPU響應(yīng)。（4）片內(nèi)外設(shè)TMS320LF2407總線結(jié)構(gòu)支持對(duì)豐富的片內(nèi)外設(shè)的訪問。絕大多數(shù)的外設(shè)通過外設(shè)總線進(jìn)行訪問，如雙模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D）、串行外設(shè)接口（SPI）、串行通信接口（SCI）、看門狗（WD）。對(duì)這些外設(shè)的每次訪問需要多于一個(gè)的周期，而事件管理器能直接與數(shù)據(jù)總線相匹配，從而得到全速的CPU處理能力。串行通信接口（SCI）是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通用異步串行口（UART），可以和RS-232格式的設(shè)備接口。SCI支持DSP與其他異步串口采用標(biāo)準(zhǔn)不歸零（NRZ）模式進(jìn)行異步串行數(shù)字通信。SCI有空閑線和地址位兩種多處理器通信方式；兩個(gè)輸入/輸出引腳；通過波特率選擇寄存器編程選擇64K種不同的波特率。SCI支持半雙工和全雙工操作，發(fā)送器和接收器的操作可以通過中斷或轉(zhuǎn)換狀態(tài)標(biāo)志來完成。串行外設(shè)接口（SPI）是一個(gè)高速的同步串口，可以和其他具有標(biāo)準(zhǔn)SPI口的器件直接通信，該接口有四個(gè)外部引腳：SPISIMO（SPI從動(dòng)輸入，主動(dòng)輸出引腳）、SPISOMI（SPI主動(dòng)輸入，從動(dòng)輸出引腳）、SPOCLK（SPI的位移時(shí)鐘）、（SPI從動(dòng)發(fā)送使能，實(shí)際上相當(dāng)于數(shù)據(jù)的幀同步信號(hào)），在不使用SPI模塊時(shí)，上述四個(gè)引腳均可以作為通用輸入輸出（GPIO）引腳使用?？撮T狗定時(shí)器（WD）是一個(gè)增量計(jì)數(shù)器，用來監(jiān)視DSP的運(yùn)行狀況。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入不可預(yù)知的狀態(tài)而造成“死機(jī)”時(shí)，WD將產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)復(fù)位操作，從而使DSP進(jìn)入一個(gè)已知的起始位置重新運(yùn)轉(zhuǎn)。大多數(shù)芯片異常操作和CPU非正常工作的情況都可以通過WD來清除和復(fù)位，因此WD的監(jiān)視功能可增強(qiáng)CPU的可靠性，以確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。事件管理器（EV）有兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，用于運(yùn)動(dòng)控制和電機(jī)控制。每個(gè)事件管理器模塊包括通用定時(shí)器（GP）、比較單元、捕獲單元、正交編碼（QEP）單元以及16通道A/D轉(zhuǎn)換器。通過編程，事件管理器模塊中的通用定時(shí)器可以在外部或內(nèi)部CPU時(shí)鐘的基礎(chǔ)上運(yùn)行。EV模塊中的所有輸入都由內(nèi)部CPU協(xié)調(diào)同步。DSP（1）精度：表數(shù)格式（定點(diǎn)或浮點(diǎn)），通?？梢杂枚c(diǎn)器件解決的問題，盡量用定點(diǎn)器件，因?yàn)樗?jīng)濟(jì)、速度快、成本低，功耗小。但是在編程時(shí)要關(guān)注信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，在代碼中增加限制信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的定標(biāo)運(yùn)算。（2）字長的選擇：一般浮點(diǎn)DSP芯片都用32位的數(shù)據(jù)字，大多數(shù)定點(diǎn)DSP芯片是16位數(shù)據(jù)字。而MOTOROLA公司定點(diǎn)芯片用24位數(shù)據(jù)字，以便在定點(diǎn)和浮點(diǎn)精度之間取得折中。字長大小是影響成本的重要因素，它影響芯片的大小、引腳數(shù)以及存儲(chǔ)器的大小，設(shè)計(jì)時(shí)在滿足性能指標(biāo)的條件下，盡可能選用最小的數(shù)據(jù)字。（3）存儲(chǔ)器安排：包括存儲(chǔ)器的大小，片內(nèi)存儲(chǔ)器的數(shù)量，總線尋址空間等。片內(nèi)存儲(chǔ)器的大小決定了芯片運(yùn)行速度和成本，例如TI公司同一系列的DSP芯片，不同種類芯片存儲(chǔ)器的配置等硬件資源各不相同。

（4）開發(fā)工具：在DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，開發(fā)工具是必不可少的，一個(gè)復(fù)雜的DSP系統(tǒng)，必須有功能強(qiáng)大的開發(fā)工具支持。開發(fā)工具包括軟件和硬件兩部分。軟件開發(fā)工具主要包括：C編譯器、匯編器、鏈接器、程序庫、軟件仿真器等，在確定DSP算法后，編寫的程序代碼通過軟件仿真器進(jìn)行仿真運(yùn)行，來確定必要的性能指標(biāo)。硬件開發(fā)工具包括在線硬件仿真器和系統(tǒng)開發(fā)板。在線硬件仿真器通常是JTAG周邊掃描接口板，可以對(duì)設(shè)計(jì)的硬件進(jìn)行在線調(diào)試；在硬件系統(tǒng)完成之前，不同功能的開發(fā)板上實(shí)時(shí)運(yùn)行設(shè)計(jì)的DSP軟件，可以提高開發(fā)效率。甚至在有的數(shù)量小的產(chǎn)品中，直接將開發(fā)板當(dāng)作最終產(chǎn)品。

（5）功耗與電源管理：在一些手提便攜式的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，供電電源的節(jié)省是很重要的問題，因而目前DSP生產(chǎn)廠商越來越重視這方面。它通常包括供電電壓的選擇和電源的管理功能。

供電電壓一般取得比較低，實(shí)施芯片的低電壓供電，通常有3.3V，0.9V等，在同樣的時(shí)鐘頻率下，它們的功耗將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于5V供電電壓的芯片。加強(qiáng)了對(duì)電源的管理后，通常用休眠、等待模式等方式節(jié)省功率消耗。例如TI公司提供了詳細(xì)的、功能隨指令類型和處理器配置而改變的應(yīng)用說明。（6）成本和廠家的銷售后服務(wù)：特別要注意DSP芯片的生產(chǎn)和主推產(chǎn)品，以便以低的成本實(shí)施來要求產(chǎn)品。但低價(jià)位的芯片必然是功能較少、片內(nèi)存儲(chǔ)器少、性能上差一些的，這就帶給編程一定的困難。（7）支持多處理器：近來各類軟件在無線電產(chǎn)品及雷達(dá)中的應(yīng)用中，都需要能處理高數(shù)據(jù)率、大運(yùn)算量的應(yīng)用系統(tǒng)。單一的處理器系統(tǒng)已難以承擔(dān)這類復(fù)雜任務(wù)，因而采用多個(gè)處理器并行工作。這種情況下，各處理器之間連接和通訊功能是必須要作為主要因素予以考慮的。近年新推出的DSP芯片系列都改善了這方面性能，注意增加專門的接口或DMA通道，來支持多處理器的DSP運(yùn)行。第2.5節(jié)D-SATCOM的基本原理2.5.1D-STATCOM的工作原理配電網(wǎng)靜止無功補(bǔ)償器為D-SATCOM（DistributionStaticCompensator）是用戶電力技術(shù)的重要裝置之一,控制器作為其關(guān)鍵部分,決定了其補(bǔ)償性能的好壞。他通過產(chǎn)生并控制驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件的脈沖控制為D-SATCOM的各種行為,完成D-SATCOM所需完成的任務(wù)。本文采用高性能數(shù)字信號(hào)處理處理器TMS320LF2407的核心控制器,利用其快速強(qiáng)大的運(yùn)算和處理能力以及并行運(yùn)行的能力,以滿足為D-SATCOM的實(shí)時(shí)性、多功能和多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制、處理算法復(fù)雜等的要求。D-SATCOM的基本原理就是將換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)哪康??？刂破髟O(shè)計(jì)為D-SATCOM的控制器應(yīng)實(shí)現(xiàn)功能:必須能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測出負(fù)荷所需無功功率；必須能根據(jù)計(jì)算出的參考電流波形,實(shí)時(shí)輸出相應(yīng)波形。本文設(shè)計(jì)的為D-SATCOM控制器由內(nèi)環(huán)控制器和外環(huán)控制器兩部分組成。外環(huán)控制器輸出的控制信號(hào)作為內(nèi)環(huán)控制器所需的無功電流（或無功功率）、有功電流（或有功功率）的參考值。內(nèi)環(huán)控制器產(chǎn)生一個(gè)同步的驅(qū)動(dòng)信號(hào),使逆變器的輸出電流和無功及有功指令之間建立一種線性的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)對(duì)電流快速控制的目的。D-SATCOM的工作原理圖2.1為典型的PWM控制方式下VSI型三相D-SATCOM原理電路,L為VSI與電網(wǎng)之間的連接電抗。理想情況下,VSI可在其輸出端產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同頻同相的三相正弦電壓,從而在Ｌ中產(chǎn)生無功電流。通過控制系統(tǒng)適當(dāng)調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的大小,則可以調(diào)節(jié)的大小和方向,達(dá)到雙向連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率的目的。圖2.1D-STATCOM的主電路結(jié)構(gòu)D-SATCOM外環(huán)控制策略外環(huán)控制器應(yīng)用無功電流檢測方法,其原理見圖2.2所示。圖2.2檢測方法原理圖該方法采用1個(gè)鎖相環(huán)（PLL）和1個(gè)正、余弦信號(hào)發(fā)生電路得到1個(gè)與A相電網(wǎng)電壓ea同步的正弦信號(hào)sin和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)cos,負(fù)載電流經(jīng)過變換算出其有功與無功分量,,再通過LPF濾波得到其基波有功分量和基波無功分量,在穩(wěn)態(tài)情況下均為直流信號(hào)。作為補(bǔ)償?shù)臒o功電流參考值,通過控制補(bǔ)償裝置就可發(fā)出負(fù)荷所需的無功功率,減少無功在系統(tǒng)中的流動(dòng)。因此必須通過裝置與交流系統(tǒng)的有功交換控制直流側(cè)電容電壓在其正常范圍之內(nèi),通常采用PI控制方法確定裝置應(yīng)從系統(tǒng)吸收的有功電流（或有功功率）。D-SATCOM內(nèi)環(huán)控制策略內(nèi)環(huán)控制是D-SATCOM裝置的控制核心,配電網(wǎng)補(bǔ)償裝置一般容量較小,對(duì)其響應(yīng)速度有較高的要求,本文內(nèi)環(huán)控制器采用預(yù)測電流控制的策略,主要是利用當(dāng)前采樣時(shí)刻的狀態(tài)信息,預(yù)測下一個(gè)采樣周期補(bǔ)償電流的軌跡,從而確定逆變器的開關(guān)函數(shù),使補(bǔ)償電流跟隨電流參考值變化。D-SATCOM設(shè)計(jì)容量為10kvar,系統(tǒng)頻率50Hz，裝置與系統(tǒng)的連接電感為100mH，裝置直流側(cè)電容為470F,主電路由基于IGBT2.5.2dq變換及反變換dq變換又稱PARK-CLARKE變換，其原理如圖2.3所示，變換矩陣如式（2.1）、（2.2）所示。從變換矩陣中我們可以看出，PARK變換關(guān)鍵是根據(jù)已知，求出sin，cos值求法有查表法、實(shí)時(shí)計(jì)算和插值法等。考慮到計(jì)算方法的快速性和精確度，本文采用了一種查表法和插值法相結(jié)合的方法（查表插值法）。圖2.3dq變換原理圖C32=（2.1）（2.2）圖2.4為查表插值法示意圖，首先把0-2的單位正弦值制成一個(gè)200點(diǎn)的表格，很顯然不同的，對(duì)應(yīng)的sin，cos值不可能全部落在這200個(gè)點(diǎn)上，一般位于兩點(diǎn)之間，由于Xi與Xi+1之間相差1.8度，正弦函數(shù)誤差很小，而X又在Xi與Xi+1之間，所以Xi、Xi與Xi+1，可看作是一條直線。因此，X的近似函數(shù)值如式2.3所示：Y=（2.3）采用此方法，LF2407A計(jì)算第一次sin，cos值只需要2左右，滿足實(shí)時(shí)性要求。圖2.4線性插值法計(jì)算2.5.3D-STATCOM的控制方法所謂間接控制，就是將D-STATCOM當(dāng)交流電壓源看待，通過對(duì)交流器輸出電壓基波的相位和幅值進(jìn)行控制，來間接控制D-STATCOM的交流側(cè)電流。對(duì)電流間接控制方法的介紹都是以變流器交流側(cè)輸出電壓為方波作為例子的，實(shí)際上，為了減小諧波，可以采用多個(gè)變流器多重化聯(lián)結(jié)、多電平技術(shù)或者采用PWM控制技術(shù)，然后控制原理是一樣的。只不過方波變流器中對(duì)方波脈沖寬度的控制，在多重化變流器中變成了對(duì)每個(gè)變流器輸出方波脈沖都要進(jìn)行同樣的控制，而在PWM變流器中變成了對(duì)一個(gè)周波中的每個(gè)PWM脈沖進(jìn)行成比例的脈沖寬度控制。電流的間接控制方法多應(yīng)用于較大容量（如輸電補(bǔ)償用）場合，因?yàn)槿萘枯^大時(shí)，受電力半導(dǎo)體器件開關(guān)頻率的限制，一般無法像直接控制法那樣對(duì)電流波形進(jìn)行跟蹤控制。此外，由于同樣的原因，在大容量場合，D-STATCOM減少諧波也只能用多重化的方法，或者結(jié)合多電平技術(shù)，即使采用PWM技術(shù)，也是一個(gè)周波僅含有幾個(gè)PWM脈沖，而且一般多重化方法相結(jié)合使用。本文采用的控制方法為電流的直接控制法。所謂電流的直接控制，就是采用跟蹤型PWM控制技術(shù)對(duì)電流波形的瞬時(shí)值進(jìn)行反饋控制，或者應(yīng)用瞬時(shí)無功功率理論、變換進(jìn)行電流的直接控制。其中的跟蹤型PWM控制技術(shù)可以采用滯環(huán)比較方式，也可以采用三角波比較方式，其簡單原理分別如圖2.5所示。a)采用滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方式原理圖b）三角波比較方式原理圖圖2.5兩種電流跟蹤控制方法原理圖采用PWM技術(shù)的直接控制方法從原理上來說可以有效地濾除系統(tǒng)中的無功電流和全部有害電流。與間接控制方法相比較，直接控制方法具有更高的響應(yīng)速度和控制精度，但它要求開關(guān)頻率高，因?yàn)榇蠊β势骷茈y以高開關(guān)頻率運(yùn)行，因此不采用電流直接控制。一般來說，電流直接控制適合于小功率場合。但從目前世界上運(yùn)行的無功補(bǔ)償器的情況看來，電流直接控制在中、大容量系統(tǒng)也有應(yīng)用。日本新農(nóng)用于輸電80Mvar的STATCOM和日本神戶用于鋼廠負(fù)荷補(bǔ)償20Mvar的STATCOM均采用了電流直接控制方式。前者在電網(wǎng)嚴(yán)重不對(duì)稱，甚至短路時(shí)仍可照常工作；或者對(duì)煉鋼電極短路引起的電網(wǎng)電壓閃變有很好的抑制作用。電流直接控制的D-STATCOM控制系統(tǒng)有兩種基本結(jié)構(gòu)。圖2.6abc軸下瞬時(shí)電流控制第一種控制結(jié)構(gòu)如圖2.6所示，采用了軸下的瞬時(shí)電流控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)完成兩個(gè)功能：1、直流側(cè)的電壓恒定控制；2、無功電流的實(shí)時(shí)跟隨。直流電壓指令D-STATCOMD-STATCOMD-STATCOM采用電流直接控制后，其響應(yīng)速度和控制精度將比間接控制法有很大提高。在這種控制方法下，D-STATCOMD-STATCOM以上介紹了D-STATCOM的兩類控制方法：電流的間接控制和電流的直接控制。通過對(duì)比可以得到如下結(jié)論：

（1）電流的間接控制方法相對(duì)簡單，技術(shù)相對(duì)成熟，但間接控制與直接控制相比，控制精度較低，電流響應(yīng)速度較慢。

（2）電流直接控制法對(duì)電力半導(dǎo)體器件開關(guān)頻率要求高，因此適用于較小容量D-STATCOM控制；間接控制法適用于較大容量D-STATCOM控制。

（3）采用電流間接控制的大容量D-STATCOM可采用多個(gè)變流器多重化連接、多電平技術(shù)或PWM控制技術(shù)來減小諧波。而采用電流PWM跟蹤控制的直接控制方法電流諧波少。2.5.4逆變器的PWM控制方法D-STATCOM的工作原理是建立在電壓型變流器基礎(chǔ)之上的，其基本構(gòu)成單元，變流器模塊通常采用單相橋二電平變流器、三相橋二電平變流器和三相橋三電平變流器三種形式。

采用單相橋變流器模塊的明顯優(yōu)點(diǎn)是便于進(jìn)行分相控制，這對(duì)于D-STATCOM在系統(tǒng)電壓不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，特別是不對(duì)稱故障時(shí)的控制是一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。但若D-STATCOM的設(shè)置是為解決三相對(duì)稱條件下的電壓穩(wěn)定問題，則采用三相系統(tǒng)較之單相系統(tǒng)更為經(jīng)濟(jì)。三相橋三電平逆變器作為一種特殊的串聯(lián)形式，由于其輸出端口電壓可在（–Uc,0,Uc）三個(gè)電平中間變化，從而在方波工況下其脈寬可以如單相橋一樣調(diào)節(jié)，并且作為中點(diǎn)鉗位式的逆變器，其串聯(lián)的每個(gè)開關(guān)器件始終工作在1/2的直流中間電壓，從而既利用串聯(lián)方式提高了裝置容量又避免了常規(guī)器件串聯(lián)時(shí)所遇到的器件選配和動(dòng)靜態(tài)均壓問題。較之三相橋二電平，它還具有更低的諧波含量。三電平逆變器這些優(yōu)點(diǎn)使得它在柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）的各個(gè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，在500kvar的D-STATCOM中亦有應(yīng)用。從理論上看，可以通過不斷增加電平次數(shù)來使輸出電壓階梯增多，從而達(dá)到增加裝置容量和抑制諧波的雙重目的。但在實(shí)際應(yīng)用中每增加一個(gè)電平即意味著每臂要增加一對(duì)鉗位二極管從而使電路變的復(fù)雜，且多電平逆變器的正常工作需維持各部分直流電容上電壓相等，這導(dǎo)致控制上的困難，因此雖然近年來對(duì)其討論的文章很多，但真正達(dá)到實(shí)用水平的多電平逆變器僅是三電平逆變器。三電平逆變器的PWM控制方法主要有：正弦載波PWM（SPWM）選擇性消諧波PWM（SHEPWM），空間矢量PWM（SVPWM）。在此主要介紹下正弦載波。正弦載波PWM（SPWM）利用期望得到的三相正弦波作為調(diào)制波，與一公用的三角載波相交，會(huì)得到三組矩形脈沖，用這三組矩形脈沖分別觸發(fā)三相逆變器的六個(gè)橋臂的功率開關(guān)器件，則會(huì)得到等效于調(diào)制波的PWM波形。利用此方法，可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電流的正弦化，有效降低諧波成分。通過改變PWM波形的相位和占空比，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)償電流基波分量的相位和大小的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)無功的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。第3章基于DSP的D-STATCOM控制器設(shè)計(jì)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，DigitalSignalProcessing）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。無論從硬件的完備性，數(shù)據(jù)處理的快速性，還是算法的兼容性上講，它既發(fā)揮了單片機(jī)的各種優(yōu)勢(shì)，也克服了以前單片機(jī)系統(tǒng)的一些客觀的弱點(diǎn)。所以，DSP技術(shù)在控制器設(shè)計(jì)的應(yīng)用中將是一個(gè)很大的契機(jī)。正是基于這樣一種背景下，本章將講述控制器的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其軟件設(shè)計(jì)?？刂破骶邆湟韵鹿δ埽海?）脈沖同步。根據(jù)從電網(wǎng)取回的同步脈沖，產(chǎn)生出與電網(wǎng)電壓同步的脈沖信號(hào)，使D-ATATCOM產(chǎn)生的階梯波電壓與電網(wǎng)電壓保持同步，從而使D-SATACOM能正確并網(wǎng)運(yùn)行。（2）控制D-STATCOM行為。這包括電流跟蹤、提供規(guī)定的超前或者滯后無功電流、控制直流側(cè)電容電壓保持基本穩(wěn)定，保證該電壓在IGBT的安全工作范圍之內(nèi)運(yùn)行。（3）產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。產(chǎn)生一定規(guī)律的觸發(fā)脈沖，經(jīng)門極驅(qū)動(dòng)電路放大后去控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，使D-STATCOM能產(chǎn)生正確的階梯波電壓。（4）保護(hù)功能。當(dāng)D-STATCOM運(yùn)行在電壓、電流、過載或其他不正常狀態(tài)下，控制器應(yīng)發(fā)出封鎖脈沖封鎖IGBT，使得D-STATCOM停止工作，防止發(fā)生危險(xiǎn)。第3.1節(jié)基于DSP的控制器系統(tǒng)的硬件結(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。如圖3.1所示，整個(gè)控制器包括：處理器模塊、A/D采樣模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊、液晶顯示模塊、矩陣鍵盤輸入模塊、硬件鎖相環(huán)模塊、PWM硬件死區(qū)延時(shí)模塊和通信模塊。在控制板上，由TMS320LF2407A負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、數(shù)據(jù)顯示和與上位機(jī)通訊及時(shí)對(duì)IGBT進(jìn)行控制。TMS320LF2407A將A/D轉(zhuǎn)換采來的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，送入LCD顯示各種電量參數(shù)，同時(shí)根據(jù)采樣回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制計(jì)算。LCD可顯示功率因數(shù)、電壓、電流、有功功率和無功功率等。TI（TexasInstruments）公司的TMS320LF2407x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。2407A是此系列中的一個(gè)分支，通過把一個(gè)高性能的DSP內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外設(shè)集成為一個(gè)芯片的方案，2407A成為傳統(tǒng)的微控制單元（MCU）和昂貴的多片設(shè)計(jì)的一種廉價(jià)的替代品。每秒3000萬條指令（30MIPS）的處理速度，使圖3.1DSP控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖3.1中控制核心采用TI公司生產(chǎn)的16位快速定點(diǎn)DSP芯片TMS320LF2407，該芯片外設(shè)資源豐富，具有32k×16kFlashEPR0M，32k×16kRAM，BootR0M及事件管理陣列，一個(gè)1O位片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D，5路外部中斷，JTAG兼容仿真口，6路16位高速PWM輸出，及串行通信接口SCI與串行周邊接口SPI，可以管理64k程序ROM，64k數(shù)據(jù)RAM，以及64k的輸入輸出I/O。所有的LF240x/240xADSP都包括兩個(gè)事件管理模塊：EVA和EVB。每個(gè)事件管理器模塊包括通用定時(shí)器、比較單元、捕獲單元以及脈沖倍頻電路。由于TMS320LF2407芯片內(nèi)部的1O位A/D轉(zhuǎn)換單元精度不夠，無法滿足現(xiàn)場的需要，本文采用2片MAXIM公司的MAX125高精度A/D采樣芯片對(duì)所需電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行采樣。該芯片具有2組8路輸入通道，每個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為3s，能夠?qū)崿F(xiàn)高速采樣。電流信號(hào)和電壓信號(hào)分別經(jīng)相應(yīng)的隔離和調(diào)理電路進(jìn)入2片MAX125的模擬輸入通道，再通過TMS320LF2407控制2片A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取。采樣時(shí)問基準(zhǔn)由同步采樣電路和TMS320LF2407的捕獲單元共同提供。TMS320LF2407將所需電壓信號(hào)和電流信號(hào)經(jīng)過檢測算法運(yùn)算后得到相應(yīng)的無功電流值，通過控制算法給出要求的補(bǔ)償信號(hào)，補(bǔ)償信號(hào)再通過TMS320LF2407內(nèi)部PWM模塊產(chǎn)生SVPWM控制信號(hào)送至驅(qū)動(dòng)電路，最終通過功率電子器件產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)。3.1.1鎖相環(huán)時(shí)鐘模塊電路LF2407ADSP的鎖相環(huán)的時(shí)鐘模塊電路如圖3.2所示。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。電路中存在大量的噪聲，在設(shè)計(jì)電路時(shí)還需要通過實(shí)驗(yàn)確定。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。濾波器電路回路連接到2407A芯片的PLLF和PLLF2引腳。在不同的振蕩器（XTAL1）頻率下的R1，C1和C2推薦值見表3.1。本文中采用的有源晶振值為10MHz，所以查表得到R1，C1和C2；；圖3.22407A鎖相環(huán)時(shí)鐘模塊電路圖表3.1外部濾波器元件參數(shù)表XTAL1/CLKIN頻率/MHzR1/ΩC1/μFC2/μF44.73.90.08255.62.70.05666.81.80.03978.21.50.03389.110.0229100.820.01510110.680.015基于鎖相環(huán)（PLL）的始終模塊提供了以下兩種操作：（1）晶振。晶振工作模式允許使用一個(gè)外部晶體振蕩器或者諧振器，來提供器件的時(shí)鐘基頻。（2）外部時(shí)鐘源。這種工作模式允許內(nèi)部的振蕩器被旁路。器件的時(shí)鐘來自于連接到XTAL1/CLKIN引腳的外部時(shí)鐘源輸入。這種情況下，外部震蕩器時(shí)鐘連接到XTAL1/CLKIN引腳。3.1.22407A電源的設(shè)計(jì)對(duì)于任何一個(gè)電氣系統(tǒng)來講，電源是不可或缺的部分。DSP應(yīng)用電路一般都有+5V和3.3V電源，也就是DSP控制系統(tǒng)一般都是多電源系統(tǒng)。而對(duì)于多電源系統(tǒng)，采用的一般策略是將+5V的電源經(jīng)過DC/DC變換得到其它數(shù)量級(jí)的電源電壓，如3.3V、1.8V、2.5V等。首先，+5V電源的得到一般可通過外部開關(guān)電源或者交流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。為得到3.3V的DSP電源電壓，本文采用的DC/DC變換芯片為TPS7333Q，它的基本電氣參數(shù)見表3.1，接線連接見圖3.3，其中它的8號(hào)引腳可用作DSP的外部復(fù)位引腳。圖3.3中的電容C1和C2分別用來消除紋波和穩(wěn)壓的作用。圖3.3DSP控制器電源模塊3.1.3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(hào)捕獲和外接8通道電流電壓采樣電路。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。具體電路如圖3.4所示。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-0.7V~+0.7V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)。圖3.4電壓過零捕獲電路在周期性電參數(shù)的測量中，進(jìn)行同步采樣是準(zhǔn)確測量實(shí)時(shí)信號(hào)的關(guān)鍵。使用軟件定時(shí)同步采樣法，硬件實(shí)現(xiàn)簡單，但是需要DSP計(jì)算和干預(yù)，而且易產(chǎn)生誤差。而利用硬件實(shí)現(xiàn)同步采樣，采用鎖相環(huán)頻率倍增技術(shù)控制采樣的定時(shí)和速率，從而實(shí)現(xiàn)用硬件保證采樣的同步性，從根本上消除因采樣不同步造成的誤差。本文采用的鎖相環(huán)同步采樣電路如圖3.5所示，他由同步計(jì)數(shù)器CD4052，與非門74LS00，低通濾波器以及單片集成鎖相環(huán)CD4046組成。圖3.5同步采樣電路圖中選用的二進(jìn)制同步加計(jì)數(shù)器CD4052作為同步采樣的分頻器，電網(wǎng)的一個(gè)周波設(shè)計(jì)為同步采樣128點(diǎn)。對(duì)壓控振蕩器的編出進(jìn)行整形，以滿足啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換芯片和控制采樣保持器的需要。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。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0~3.3V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。本章的硬件設(shè)計(jì)采用了兩片精度更高的14bit的4通道同時(shí)采樣的MAX125。MAXIM公司生產(chǎn)的高精度型的A/D轉(zhuǎn)換芯片，MAX125是一個(gè)高速、多通道的同步采樣數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)。它包含一個(gè)3微秒的14位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一個(gè)+2.5V內(nèi)部參考電壓，一個(gè)參考輸入緩沖器，四個(gè)同步采樣/保持，一個(gè)可編程序列發(fā)生器，還有四個(gè)存放轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的14位RAM。四個(gè)連續(xù)的讀信號(hào)可訪問四個(gè)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。每路具有±17V的輸入故障保護(hù)，避免外界對(duì)芯片沖擊而造成的損失。MAX125可廣泛地應(yīng)用在多相位馬達(dá)控制、電網(wǎng)同步、電力系數(shù)監(jiān)控、數(shù)字信號(hào)處理、振動(dòng)與波形分析等領(lǐng)域。內(nèi)部集成了前端采樣保持電路（S/H），其輸入信號(hào)范圍±5V，通道最大承受過壓可達(dá)±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。MAXl25可以和DSP并行工作，從而減輕了DSP的工作負(fù)擔(dān)。MAXl25數(shù)據(jù)、地址線是通過總線隔離驅(qū)動(dòng)芯片74HC245與2407A的數(shù)據(jù)線連接，片選信號(hào)是通過74HC3.1.4硬件倍頻電路模塊的設(shè)計(jì)鎖相環(huán)（PLL，PhaseLockedLoop）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。本文中設(shè)計(jì)的是用鎖相環(huán)元器件使輸出信號(hào)為輸入信號(hào)的128倍的倍頻電路。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)，進(jìn)而將方波信號(hào)倍頻成6.4kHz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。倍頻電路的基本工作原理是將輸入波形與VCO（VoltageControlledOsillator）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。如圖3.6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。在圖3.6中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(duì)PLL器件和分頻器器件的選擇。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)R1、R2、C1和環(huán)路濾波器參數(shù)R3、C2即可，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。圖3.6倍頻原理圖圖3.7CD4046BE內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.1.5串行通信接口電路的設(shè)計(jì)現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通訊的系統(tǒng)，也稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通訊的底層的控制網(wǎng)絡(luò)。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動(dòng)化系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景?？刂破骶钟蚓W(wǎng)屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。在DSP芯片TMS320LF2407A內(nèi)部集成符合CAN2.0B協(xié)議要求的CAN總線控制器，其內(nèi)部集成的CAN控制器與其他CAN控制器一樣，完全支持CAN2.0B圖3.8通信接口電路對(duì)于TMS320LF2407A的CAN控制器而言，如需實(shí)現(xiàn)多個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)之間的多點(diǎn)通訊，必須增加CAN控制器的驅(qū)動(dòng)能力。本設(shè)計(jì)中是通過外加CAN控制器驅(qū)動(dòng)芯片PAC82C250T來實(shí)現(xiàn)的。它能提供總線的差動(dòng)發(fā)送能力和總線對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接受能力。而對(duì)于同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)也必須添加PAC82C250T接口芯片，才能使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送和接受功能正常運(yùn)行。TMS320LF2407A與PAC82C250T接口電路如圖3.8所示，電阻R25，R26，R27及二極管D3組成的電路為電平轉(zhuǎn)換電路，因?yàn)門MS320LF2407A用3.3V供電，而PAC823.1.6脈沖觸發(fā)電路及IPM模塊驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)數(shù)字控制器的最終輸出為PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，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(hào)，為3.3V電平系統(tǒng)，與逆變電路中的IPM（IntelligentPowerModule）模塊的+15V的接入信號(hào)不兼容，所以必須在控制器中加入電平轉(zhuǎn)換模塊。另外，IPM模塊中的單元同一橋臂IGBT是需要死區(qū)時(shí)間，至少3μs以上的時(shí)間，保證IPM模塊的正常工作，2407A中的PWM輸出是可以通過軟件設(shè)置的，但是實(shí)際系統(tǒng)在上電的一瞬間PWM引腳的狀態(tài)是不確定的。工程應(yīng)用中，IPM模塊需要單獨(dú)的接入驅(qū)動(dòng)電平信號(hào)，實(shí)質(zhì)上是對(duì)控制器生成的PWM信號(hào)進(jìn)行放大，而且IPM模塊對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)要求很嚴(yán)格，必須將信號(hào)轉(zhuǎn)換電路直接焊接在IPM模塊上，所以在信號(hào)出口一級(jí)增加了IPM圖3.9IPM驅(qū)動(dòng)電路光電隔離驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)見圖3.9。IPM型號(hào)為IGBT每個(gè)單元有四個(gè)引腳，分別是＋15V控制電源、電源地、信號(hào)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。3.1.7信號(hào)調(diào)理電路由于MAX125芯片的輸入電壓為±5V，但電流霍爾傳感器輸出的是電流信號(hào)，因此必須將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為可用的電壓信號(hào)。電流調(diào)理電路如圖3.10所示，由四部分組成，由電容濾波Cl和精密采樣電阻R構(gòu)成，將電流信號(hào)變換為電壓信號(hào)；由R和C構(gòu)成一個(gè)截止頻率為10kHz左右的低通濾波器；一個(gè)同相跟隨電路進(jìn)行幅值變換和隔離；兩個(gè)穩(wěn)壓管將輸出值限定在士5V之間。圖3.10電流信號(hào)調(diào)理電路基于TMS320LF2407A的配電靜止同步補(bǔ)償器（D-STATCOM）控制器充分利用了TMS320LF2407A芯片的運(yùn)算速度快、精度高、擴(kuò)展性好的特點(diǎn),應(yīng)用只需要進(jìn)行同相隔離和幅值變換即可，通過調(diào)節(jié)可變電阻R5的大小，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。圖3.11電壓信號(hào)調(diào)理電路經(jīng)過電壓互感器PT變送的電壓信號(hào)的調(diào)理比較簡單，調(diào)理電路如圖3.11所示。3.1.8液晶顯示和矩陣鍵盤電路設(shè)計(jì)一個(gè)功能完整的控制器，除了性能優(yōu)良的控制算法之外，還必須有友好的人機(jī)接口電路。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（LightEmittingDiode）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（LiquidCrystalDiodes）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(dòng)提供與被按鍵對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系。本文中選用的LCD分辨率為320×240點(diǎn)陣，液晶內(nèi)置控制器為S1D1335，它是一款既能進(jìn)行圖形顯示和漢字顯示控制的液晶控制器，內(nèi)部集成了西文字符，顯示的點(diǎn)陣為5×7，可以根據(jù)用戶需求自建漢字字庫，顯示點(diǎn)陣為16×16，簡潔實(shí)用的軟件控制命令來設(shè)置顯示模式，8位并行的數(shù)據(jù)傳輸方式，工作電壓為+5V。它的接口電路如圖3.12所示。由于2407A工作電壓為3.3V，當(dāng)它與SED1335進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，所以電路中加入了兩片LVC4245芯片，分別用于控制總線和數(shù)據(jù)總線的電平轉(zhuǎn)換圖3.12LCD接口電路圖鍵盤電路采用2×3矩陣鍵盤電路設(shè)計(jì)，接線示意圖為3.13。將2407A的A口定義為I/O口，行線IOPA6、IOPA7定義為輸出口，IOPA3、IOPA4、IOPA5定義為輸入口。硬件延時(shí)消抖電路采用阻容濾波電路，2×3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(duì)照?qǐng)D3.13中的標(biāo)號(hào)列成表格3.2。鍵盤編碼的規(guī)則為先行線全掃描，確定按鍵1、2、3的鍵碼，然后IOPA6輸出低電平掃描確定按圖3.13鍵盤電路示意圖表3.2鍵盤編碼表鍵盤編號(hào)鍵盤編碼鍵碼釋義按鍵10X00B0修改參數(shù)或者進(jìn)入下一級(jí)界面按鍵20X00A8返回上一頁或者返回確認(rèn)前操作按鍵30X0098光標(biāo)上一個(gè)單位按鍵40X0030光標(biāo)下一個(gè)單位按鍵50X0028光標(biāo)左一個(gè)單位按鍵60X0018光標(biāo)右一個(gè)單位第3.2節(jié)控制系統(tǒng)軟件部分3.2.1系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境及前期數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)在系統(tǒng)進(jìn)行軟件開發(fā)之前，必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)作規(guī)劃設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)所使用的語言，軟件的運(yùn)行環(huán)境，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式等等，這相當(dāng)于軟件開發(fā)的可行性分析。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)所用的開發(fā)環(huán)境為CCS2000開發(fā)環(huán)境版本。3.2.2DSP開發(fā)環(huán)境程序開發(fā)流程DSP軟件開發(fā)流程可以按如下的步驟來進(jìn)行：（1）用匯編語言、C語言或者匯編與C語言的混編來編寫程序，然后將它們分別轉(zhuǎn)化成TMS320的匯編語言并送到匯編語言編譯器進(jìn)行編譯，生成目標(biāo)文件；（2）將目標(biāo)文件送入鏈接器進(jìn)行連接，得到可執(zhí)行文件；（3）將可執(zhí)行文件調(diào)入到調(diào)試器（包括軟件仿真、軟件開發(fā)系統(tǒng)、評(píng)測模塊、系統(tǒng)仿真器一般在系統(tǒng)調(diào)試中，仿真器是最常用的）進(jìn)行調(diào)試，檢查結(jié)果運(yùn)行是否正確。如果正確進(jìn)入第四步；如果不正確，則返回第一步；（4）進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換，將代碼寫進(jìn)EEPROM并脫離仿真器運(yùn)行程序，檢查結(jié)果是否正確，如果不正確，返回第三步，如果正確，進(jìn)入下一步；（5）軟件測試。如果測試合格則軟件調(diào)試完畢；不合格就返回第一步。3.2本節(jié)主要介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思想及相應(yīng)的程序流程?？刂葡到y(tǒng)總體流程如圖3.14所示。軟件大體包括以下幾個(gè)子程序模塊：數(shù)字濾波器模塊、DQ變換模塊、低通濾波模塊、PI調(diào)節(jié)器模塊、DQ反變換模塊、PWM發(fā)生模塊。圖3.14控制系統(tǒng)軟件總體流程圖3.2.4系統(tǒng)的PWM脈沖發(fā)生器模塊主要完成發(fā)出PWM脈沖驅(qū)動(dòng)IGBT的功能。PWM脈沖發(fā)生是和系統(tǒng)電壓同步的。系統(tǒng)的保護(hù)程序主要完成封鎖PWM信號(hào)，觸發(fā)制動(dòng)IGBT等功能，為確保在系統(tǒng)故障情況下，IPM不被損壞，還應(yīng)編寫相應(yīng)的軟件保護(hù)程序，考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，該子程序用中斷方式編寫，又因該子程序的功能為保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)，因此，應(yīng)選用相對(duì)較高的中斷加以實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中選擇中斷的INT1級(jí)中斷來實(shí)現(xiàn)功能。下面為保護(hù)中斷子程序流程圖，如圖3.15所示。圖3.15保護(hù)中斷子程序的流程圖3.2.5過零檢測模塊主要功能是外部過零脈沖觸發(fā)TMS320LF2407中CAP單元中斷，圖3.16過零中斷子程序的流程圖中斷子程序置過零標(biāo)志。在本模塊計(jì)算周期值，由周期值計(jì)算出電網(wǎng)電壓頻率，若電網(wǎng)電壓頻率滿足：49.5<<50.5，則使，否則，則認(rèn)為系統(tǒng)故障，發(fā)出封鎖脈沖IGBT，結(jié)束程