摘要DistributionStaticCompensatorTMS320LF2407本控制器裝置由主電路、控制電路、驅動電路組成。本文按信號流程來闡述，最小系統、信號采集、信號處理。最小系統包括芯片、鍵盤顯示、擴展ROM/RAM等。信號采集包括PT（電壓互感器）/CT（電流互感器）、信號調理、A/D轉換。關鍵詞：最小系統；信號采集；信號處理AbstractDigitalSignalProcessingDistributionStaticSynchronousCompensatorKeyWords：Digitalsignalprocessing(DSP)；DistributionStaticCompensatorD-STATCOM；DSPsmallestsystem；Signalgathering；Signalprocessing目錄摘要第1章緒論 1第1.1節課題的來源及意義 1第1.2節D-STATCOM控制器設計的研究現狀 3第1.3節D-STATCOM補償電流檢測技術的研究現狀 5第1.4節D-STATCOM的優越性 8第1.5節論文的主要內容及章節安排 9第2章DSP器件的簡介及D-STATCOM的工作原理 11第2.1節DSP器件的特點 11第2.2節TMS320LF2407的特點 13第2.3節TMS320LF2407的結構 14第2.4節選擇DSP芯片注意事項 16第2.5節D-STATCOM的基本原理 17第3章基于DSP的D-STATCOM控制器設計 25第3.1節基于DSP的D-STATCOM的控制系統硬件結構 25第3.2節控制系統軟件部分 36總結 41參考文獻 42致謝 44第1章緒論第1.1節課題的背景及意義電能作為人們廣泛使用的能源，其應用程度是一個國家發展水平和綜合國力的主要標志之一。在滿足工業生產、社會和人民生活對電能需求量的同時，提高對電能質量的要求是一個國家工業生產發達、科技水平提高、社會文明程度進步的表現，是增強用電效率、節能降損、改善環境、提高國民經濟的總體效益以及工業生產可持續發展的技術保證。隨著現代科學技術的發展，近年來，配電網中整流器、變頻調速裝置、電弧爐、電氣化鐵路等負荷不斷增加。這些負荷的非線性、沖擊性和不平衡性的用電特性，使網絡中的電壓、電流波形發生畸變，或引起電壓波動、閃變和三相不平衡。此外，系統側發生的雷擊線路、投切電容器組、短路。斷路等，都給供電質量造成嚴重干擾。另一方面，隨著現代工業技術的不斷發展和計算機技術的廣泛應用，用電設備對電能質量更加敏感。低劣的供電質量將導致低劣的產品質量，特別是在重要工業生產過程中，供電的突然中斷將會帶來巨大的經濟損失。據美國官方統計，近20年來全球范圍內因電能質量引起的重大電力事故已達20多起，每年因電能質量擾和電氣環境污染引起的國民經濟損失高達300億美元，電能質量直接關系到國民經濟的總體效益。如何提高和保證電能質量，已成為迫切需要解決的重要課題之一。電能質量的優劣已經成為電力系統運行與管理水平高低的重要標志，控制和改善電能質量也是保證電力系統自身可持續發展的必要條件。電能質量問題已不僅僅是電力系統中電壓和頻率等的基本技術問題，它已被提升為關系到整個電力系統及設備的安全、穩定、經濟、可靠運行，關系電氣環境工程保護，關系整個國民經濟的總體效益和發展戰略。因此，開展電能質量控制技術的研究及相關電能質量調節裝置的開發具有重要的現實意義和戰略意義，成為了近年來電氣工程領域研究的熱點之一。N.H.Hingorani于1986年提出了靈活交流輸電系統（FACTS）的概念。FACTS技術發展的兩個重要特點，一是不斷采用新器件，另一個特點是裝置多樣化,應用范圍更廣。一方面繼續向高壓大容量方向發展，另一方面，向中低壓配電網的應用發展，宗旨是提高用戶側的電能質量，稱之為用戶電力技術。用戶電力技術（Custompower）的概念最早于1988年由N.H.Hingoran博士提出，這是一種應用現代電力電子技術、計算機技術和控制技術，按用戶特定要求提供電力供應并實現對電能質量控制的技術。我國一些學者稱用戶電力技術為DFACTS，認為是FACTS技術在配電系統應用的延伸，并做了大量的研究。1996年，日本北海道大學和茨城大學的學者正式提出了與上述概念相似的FRIENDS（FlexibleReliableandIntelligentElectricEnergyDeliverySystem），并組織“FRIENDS研究會”。兩者目的都是為了建立靈活、可靠的電力供應系統，更好地滿足用戶需求。用戶電力技術是一種將電力電子技術、微處理機技術、控制技術等高新技術運用于中、低壓配電和用電系統中，以減小諧波畸變，消除電壓波動和閃變、各相電壓的不對稱和供電的短時中斷，從而提高供電可靠性和電能質量的新型綜合技術。用戶電力技術的提出為電力公司在系統側和用戶側以最經濟的方法綜合解決電能質量問題提供了一種新途徑。常用的用戶電力技術裝置有不間斷電源（UPS）、配電靜止同步補償器（D-STATCOM）、動態電壓恢復器（DVR）、有源電力濾波器（APF）等。配電靜止同步補償器（D-STATCOM）是一種重要的用戶電力技術裝置，跟其它類型的用戶電力技術裝置相比較，具有功能強大、性能優良、性價比高的特點，能綜合的解決配電網中電壓波動與閃變、電流畸變、三相電壓不對稱等電能質量問題，因此在配電網中頗受關注，成為了現階段配電網無功補償和電能質量控制的發展方向。D-STATCOM與以往的無功補償裝置如自動投切電容器組裝置和SVC相比具有如下特點：（1）響應時間快。自動投切電容器組裝置的響應時間需要幾秒鐘，這是受電容器放電時間所限制。國標規定電力電容器放電時間為3秒鐘，如果放電時間太少，則電容器的剩余電荷不能放電干凈，如再次投入可能會導致電容器發生過壓擊穿現象。（2）不會引起諧振短路。雖然該裝置仍然采用并聯型結構，但是它與電網之間有連接電抗器，因此不會出現并聯諧振現象。（3）可以發出連續可調的感性無功和容性無功。該裝置不僅可以應用在感性負荷場合，還可以應用在容性負荷的場合，可以提高補償效果，降低線路損耗。（4）精準電壓控制。該裝置除了可以按照功率因數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性，降低電壓紋波。（5）具有自適應功能，實現了動態補償，可對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進行補償，對補償對象的變化有極快的響應。（6）可同時對諧波和無功功率進行補償，補償無功功率時不需要儲能元件，補償諧波時所需儲能元件的容量不大，且補償無功功率的大小可以做到連續調節。（7）受電網阻抗的影響不大，不容易和電網阻抗發生諧振；且可以跟蹤電網頻率的變化，故補償性能不受電網頻率變化的影響。目前已經研制成功以及正在運行的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用STATCOM（D-STATCOM）使用IGBT。德國西門子公司已生產出用于高電壓的IGBT，電壓可達到5000V以上，日本東芝公司于1993年開發研制出的IEGT（電子注入增強門極晶體管）已經形成商用產品，其額定參數可達到4.5kV3000A，ABB公司于1996年開發研制出了IGCT（集成門極換向晶閘管），開通、關斷時間與開關損耗進一步減小（關斷時間小于5Ls），目前IGCT的額定參數可達到10kV4500A20kHz，而且可在無關斷吸收電路條件下工作。目前人們正在對碳化硅和金剛石等禁帶很寬、擊穿電場很高、同時又具有高熱導率的新型半導體材料進行不斷探索與研究，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，開關頻率提高、裝置損耗降低、體積減小、運行效率提高、使PWM技術在中壓中小容量D-SATCOM中的直接應用成為可能。在中小容量D-SATCOM的場合，應用多重化技術的D-SATCOM裝置結構與控制復雜，占地面積大，功率密度小，成本較高，而直接采用PWM控制技術的D-SATCOM裝置可以克服上述缺點，同時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）直接運用于D-SATCOM裝置的控制系統設計當中。可見開展應用于中低壓系統的基于VSI-SPWM結構D-SATCOM的研究符合新型電力電子器件的發展趨勢，可以為將來實現第1.2節D-SATCOM控制器設計的研究現狀在中低壓配電網中裝設D-SATCOM裝置能有效的解決配電網中常見的電能質量問題。隨著電力電子技術、自動控制技術、信息處理技術和計算機技術的迅猛發展，基于電力電子技術的D-SATCOM裝置得到了廣泛和深入的研究。從目前國內外研究現狀來看，國外發達工業國家，如美國、日本等在這方面的研究起步較早，已有工業裝置在電網和工業企業中投運。而我國由于受多種因數的制約，對D-SATCOM的研究還處于理論研究和實驗階段，真正應用于電網和工業企業中的工業裝置不多見，其主要原因是一些關鍵技術和難點問題以及設備的成本問題尚未得到解決。SATCOMSATCOMSATCOMSTATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOMSATCOM第1.3節D-SATCOM補償電流檢測技術的研究現狀當D-SATCOM用來補償負荷中的諧波、無功和負序電流時，補償電流檢測是決定D-SATCOM補償性能好壞的重要環節。補償電流的檢測引起了廣泛的研究，眾多學者在補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方向努力，那就是檢測的精度和速度。從目前國內外文獻所報道的情況來看，補償電流的檢測方法主要有基于瞬時無功功率理論的檢測方法及其改進、基于變換的檢測方法、基于FFT的檢測方法、基于自適應原理的檢測方法、小波變換檢測法等。日本學者赤木泰文提出的瞬時無功功率理論在補償電流檢測中得到廣泛應用。基于瞬時無功功率理論的補償電流檢測方法有兩種運算方式，即運算方式和運算方式。這兩種檢測方法在電網電壓對稱且無畸變的情況下具有形同的檢測結果，都能精確的檢測出負載電流中的諧波、無功和負序電流。而當電網電壓不對稱和畸變條件下，運算方式會有檢測誤差，而方式在檢測諧波時無檢測誤差，但檢測出的無功電流有誤差。運算在電網電壓不對稱且畸變（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。當三相電壓中不含有負序和高次諧波分量時,根據瞬時無功功率理論計算出的瞬時實功率對應于基波有功功率,瞬時虛功率對應于基波無功功率,瞬時實功率和瞬時虛功率中的交流成分對應于負序和諧波部分。分別對基波有功功率、基波無功功率和瞬時實功率和瞬時虛功率中的交流成分進行反變換,則可得三相系統的基波有功、基波無功和負序正諧波電流。但當電壓中含有負序和諧波成分時,瞬時實功率將由正序有功功率、負序有功功率和諧波功率構成,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,使補償系統不能正常工作。日本有數臺采用法的諧波補償裝置,售出后因其使用場合的網壓存在諧波和不對稱情況,已不能繼續運行,說明這一問題相當突出。運算方式檢測補償電流的誤差來源于由鎖相環電路所得到的與a相電網電壓同相位的正弦和余弦信號。當三相電網電壓不對稱時，電壓中將包含負序分量和零序分量。由PLL及正余弦信號發生電路得到的正余弦信號的相位由a相電壓確定，其中，正弦信號與a相電壓同相，即與a相電壓的正序分量、負序分量及零序分量之和同相。而期望的正弦信號應與a相電壓的正序分量同相。這樣，實際的正弦信號與期望的正弦信號之間就有相位差，從而引起了無功電流檢測誤差，但不會影響到諧波電流的精確檢測。在以上兩種檢測方法的基礎上，有很多文獻報道了對以上兩種檢測方法的改進。對以上兩種檢測方法的改進主要體現在兩個方面，一方面是克服電網電壓不對稱或畸變（或電網電壓不對稱且畸變）給檢測精度帶來的不利影響；另一方面是通過對檢測電路中低通濾波器的研究，力求一種延時小且濾波性能好的低通濾波器。文獻[1]針對電網電壓三相不對稱時法檢測瞬時有功電流和無功電流時存在的誤差，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傳統的電壓檢測電路，提取單元能檢測出電壓正序分量的相位，從而在三相不對稱時仍能檢測基波有功、無功電流。文獻[2]提出了在三相電壓不對稱并含有高次諧波的情況下采用雙閉環方式檢測諧波和無功電流的方法。文獻[3]報道了一種并聯型有源電力濾波器在非理想電源電壓下的控制方法。提出了并聯型有源電力濾波器在不對稱、非正弦電源電壓情況下補償電流指令的計算方法。該方法基于同時對三相電壓、電流進行旋轉坐標變換和投影變換，所求得的補償電流指令為非線性負載電流中除了基波正序有功分量之外的全部電流分量。關于檢測電路中濾波器的研究，文獻[4]應用高通濾波器同時檢測高次諧波和無功電流的檢測方法進行了研究，認為應略去無功電流通道的一個高通濾波器后直接連接，就能同時檢測出被檢測電流中的諧波和無功電流。文獻[5]從基于瞬時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。對兩種電路的性能進行了對比，結果表明，濾波器的截止頻率、階數和類型對檢測電路的動態響應過程、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，無論從設計上還是從檢測效果都有優勢。在對基于瞬時功率理論的補償電流檢測方法研究的同時，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負載電流中的諧波、無功和負序電流進行檢測。文獻[6]提出一種在電網電壓畸變情況下依然適用的坐標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償方法。文獻[7]在三相電路綜合矢量的基礎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積的脈動分量構成了無功功率。基于無畸變的電壓參考矢量，直接對三相電壓、電流的瞬時值運算，可以獲得三相瞬時無功及諧波電流。文獻[8-10]研究了基于旋轉變換原理的補償電流檢測方法。近年來，一些基于新的原理和方法的補償電流檢測方法也層出不窮。數字信號處理和分析中的一些理論、自適應信號處理理論也在補償電流檢測技術中得到應用，體現出了補償電流檢測技術的前沿性和綜合性。文獻[11-12]提出了一種利用基于改進鎖相環（EPLL）的非線性自適應濾波器進行補償電流檢測的方法。文獻[13]報道了基于FFT的高精度諧波檢測算法。文獻針對傳統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象，只適用于整數次諧波的分析，而不適用于非整數次諧波的檢測，因此不能夠實現精確的諧波分析。提出了改進算法。該算法通過對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[14-15]對基于小波變換的諧波和無功電流檢測方法進行了較深入的研究。文獻[14]針對常規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現檢測非整次諧波的方法。小波函數是具有時域和頻域良好局部化特性的函數，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，可選擇分頻嚴格的小波函數，或者選擇合適的分析方法。有關基于自適應信號處理的補償電流檢測方法也有大量文獻報道文獻[16-24]。文獻[25]、[26]和[27]分別報道了基于FBD法的三相電力系統電流檢測方法、基于鑒相原理的瞬時諧波電流檢測方法和基于補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，補償電流檢測根據所基于的檢測原理有多種方法，但從D-STATCOM裝置開發和工程應用的角度出發，快速、準確、適應性強、易實現的補償電流檢測方法是研究的主要方向。第1.4節D-STATCOM的優越性配電靜止同步補償器（D-SATCOM）與傳統的SVC裝置相比，具有以下的優點：（1）在提高系統的暫態穩定性等方面的性能大大優于傳統的SVC裝置。（2）采用數字控制技術，系統可靠性高，基本不需要維護，可以節省大量的維護費用；同時，可通過調度中心EMS實現無功功率潮流和電壓最優控制，是建設中的數字電力系統的組成部分。（3）控制靈活、調節速度快，在感性和容性運行狀況下均可連續快速調節，響應速度很快。（4）靜止運行，安全穩定，沒有SVC裝置那樣的大型轉動設備，將大大提高裝置壽命。（5）對電容器的容量要求不高，這樣可以省去常規裝置中的大電感和大電容及龐大的切換機構，使D-STATCOM裝置的體積小、損耗低。（6）連接電抗小。D-STATCOM接入電網的連接電抗，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這兩個交流電壓源連接起來的作用，因此所需的電感量并不大，也遠小于補償容量相同的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，則還可以利用降壓變壓器的漏抗，所需的連接電抗器將進一步減小。（7）對系統電壓進行瞬時補償，即使系統電壓降低，它仍然可以維持最大無功電流，即D-STATCOM產生無功電流基本不受系統電壓的影響。（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等也產生3、5、7、11等次的諧波。這給SVC系統的濾波器設計帶來了許多困難，而在D-STATCOM中則完全可以采用橋式交流電路的多重化技術、多電平技術或PWM技術來進行處理，以消除次數較低的諧波，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、電感等儲能元件，在網絡中普遍使用也不會產生諧波，而使用SVC或固定電容器補償，如果系統安裝臺數較多，有可能會導致系統諧振的產生。（10）D-STATCOM的端電壓對外部系統的運行條件和結構變化是不敏感的。當外部系統容量與補償裝置容量可比時，SVC將會變得不穩定，而D-STATCOM仍然可以保持穩定，即輸出穩定的系統電壓。（11）運行范圍大。對傳統的SVC裝置，其所提供的最大電流分別受其并聯電抗器和并聯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比D-STATCOM中使用的要小），在系統欠壓條件下無功功率調節能力強。（13）D-STATCOM的直流如果采用較大的儲能電容，或者其他直流電源（如蓄電池組）后，它不僅可以調節系統的無功功率，還可以條調系統的無功功率，還可以調節系統的有功功率，這對于電網來說是非常有益的，也是D-STATCOM裝置所不能比擬的。正由于D-STATCOM具有上述優點，因而D-STATCOM作為一種新型的無功功率補償調節裝置，已經成為現代無功功率補償補償裝置的發展方向，成為國內外電力系統行業的重點研究方向之一。第1.5節論文的主要內容及章節安排論文的主要目的是利用DSP器件設計配電靜止同步補償器的控制器。詳細介紹配電靜止同步補償器的各個組成部分，包括指令信號檢測部分、控制器部分、主電路部分、驅動電路部分等等。為此論文的研究內容圍繞以下幾個方面展開。第1章：緒論隨著計算機和電力電子技術等學科的飛速發展，靜止同步補償器的技術理論、方法及實現手段也獲得了飛速的發展，并且應用越來越廣泛。配電靜止同步補償器數字控制器的設計內容廣泛、理論復雜。配電靜止同步補償器（D-SATCOM）是目前用于電力系統中性能最好的無功補償裝置,是柔性交流輸電系統的核心.綜述了配電靜止同步補償器技術的發展現狀。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數字信號處理器家族中的一員，LF240x系列DSP是為滿足大范圍的數字控制應用而設計的。本章是對當前TMS320家族作一個概述，描述LF240xDSP產品的背景和技術優勢，并介紹TMS320LF2407x系列DSP。并介紹了配電靜止同步補償器（D-SATCOM）的工作原理。第3章：基于DSP的D-SATCOM控制器設計控制器的設計包括硬件系統設計和軟件系統設計兩部分。控制器硬件采用單CPU結構。控制系統由信號調理板，控制主板兩部分組成。信號調理板將電壓和電流及相位信號處理后傳給控制主板；在控制主板上，由TMS320LF2407A負責進行數據采集、數據實時處理、數據顯示和與上位機通訊及時對IGBT進行控制。TMS320LF2407A將A/D轉換采來的數據進行實時處理，送入LCD顯示各種電量參數，同時根據采樣回來的數據進行控制計算。LCD可顯示功率因數、電壓、電流、有功功率和無功功率等。軟件大體包括幾個子程序模塊：數字濾波模塊、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是一個非線性的、動態的、實時性比較強的系統，所以傳統的器件很難滿足系統對實時性的要求，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，在此基礎上，實現了以DSP為核心的諧波的實時檢測算法和數字化控制方案。在本章中先概括的介紹了DSP主要特點，接著介紹了我們課題中用的具體芯片TMS320LF2407內部結構和功能文獻[28]。第2.1節DSP器件的特點目前數字信號處理（DigitalSignalProcessing，簡稱DSP）已經成為信號處理技術的主流。因為與早期的模擬信號相比，數字信號處理有著巨大的優勢。早期的模擬信號處理主要通過運算放大電路進行不同的電阻組配實現算術運算，通過電阻、電容的組配實現濾波處理等，其中有一個很明顯的問題是不靈活、不穩定，參數修改困難，需要采用多種阻值、容值的電阻、電容，并通過電子開關選通才能修改處理參數；而且對周圍環境變化的敏感性強，溫度、電路噪聲等都會造成處理結果的改變，而數字信號處理可以通過軟件修改處理參數，因此具有很大的靈活性。由于數字電路采用廠二值邏輯，只要環境溫度、電路噪聲的變化不造成電路邏輯的翻轉，數字電路都可以不受影響地完成工作，因此具有很好的穩定性。具體來說，DSP器件有如下幾個特點：（1）改進的哈佛結構：其程序和數據存儲具有獨立的存儲空間，有各自獨立的程序總線和數據總線，由于可以同時對數據和程序進行尋址，大大提高了數據處理能力，非常適合于實時的數字信號處理。TI公司的DSP芯片結構是基本哈佛結構的改進類型。改進之處是在數據總線和程序總線之間進行局部的交叉連接。這一改進允許數據存放在程序存儲中，并被算術運算指令直接使用，增強了芯片的靈活性。只要調度好兩個獨立的總線就可使處理能力達到最高，以實現全速運行。改進的哈佛結構還可使指令存儲在高速緩存器中（Cache），省去了從存儲器中讀取指令的時間，大大提高了運行速度。（2）流水線操作：在流水操作中，一個任務被分解成若干個子任務，各個任務可以在執行時相互重疊。DSP指令系統的流水操作是與哈佛結構相配合的，增加了處理器的處理能力，把指令周期減小到最小值，同時也就增加了信號處理器的吞吐量。以TI公司的TMS320系列產品為例，第一代TMS320處理器（例如TMS320C10）采用了二級流水線操作；第二代產品（例如TMS320C25）采用了三級流水線操作；第三代DSP芯片（例如TMS320C30）采用了四級流水線操作。在流水線操作中，DSP處理器可以同時并處理2（3）專用的硬件乘法器：在一般的計算機上，算術邏輯單元（ALU）只能完成兩個操作的加、減及邏輯運算，而乘法（或除法）則由加法和移位來實現。因此，在這樣的計算機匯編語言中雖然有乘法指令，但在機器內部，實際上還是由加法和移位來實現，因此他們實現乘法運算就比較慢。與一般的計算機不同的是，DSP都有硬件乘法器，使乘法運算可以在一個指令周期內完成。如在TMS320C3x系列的DSP芯片中，有一個硬件乘法器，在TMS320C6000中則有兩個硬件乘法器。由此可見，對于運算較復雜的算法，（4）特殊的DSP指令：DSP芯片為了方便數字信號處理、提高運算速度采用了一套專用的特殊指令系統，隨著特殊指令的不斷豐富和完善，DSP的運算效率將越來越高。（5）快速的指令周期：哈佛結構、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化設計可使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達到200Hz，指令周期已經降到5（6）良好的多機并行運行：在一定的技術條件下，DSP芯片的單機處理能力是有限的，系統的數據處理容量還是經常會超出單個DSP的處理能力。隨著數字信號處理器的DSP芯片的廣泛使用和DSP的芯片價格的不斷降低，多個DSP芯片的并行處理已經成為近年來的研究熱點，并逐漸在應用中嶄露頭角。多機并行類似于高性能的MPU巨型機。TI公司的TMS320C4x系列還提供了專門用于多個DSP（7）大電流、低電壓、高度集成：高速信號處理芯片全速運行時電流經常在1A以上。為在大電流下減少系統功率，系統的工作電壓從標準的5V降到3.3V、2.5V、1.8V，甚至0.9V第2.2節TMS320LF2407的特點[29]TMS320LF2407是TI公司基于TMS320C2xxDSP系列的CPU核的定點數字信號處理器，其中“LF”代表片內FlashEPROM（3.3V（1）由于采用了高性能的靜態CMOS制作技術，因此該DSP具有低功耗和高速度的特點。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），最高運算速度可達40MIPS，四種指令執行流水線。由于采用了TMS320C2xxDSPCPU的內核，因此保證了與TMS320C24x系列（2）片內集成了32k字的Flash程序存儲器、2k字的單口RAM、544字的雙口RAM。因而使該芯片可用于產品開發。可編程的密碼保護能夠充分地維護用戶的知識產權。（3）提供外擴展64k字程序存儲器、64k字數據存儲器、64k字I/O的能力。兩個事件管理器（EV）。以及可編程看門狗定時器，保證程序運行的安全性。（4）看門狗定時器模塊（WDT）。

（5）10位A/D轉換器最小轉換時間為500ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發兩個8通道輸入A/D轉換器或一個16通道輸入的A/D轉化器。（6）控制器局域網絡（CAN2.0）。

（7）串行通信接口（SCI）模塊。

（8）16位串行外設（SPI）接口模塊。

（9）基于鎖相環的時鐘發生器。

（10）高達40個可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳（GPIO）。

（11）5個外部中斷（兩個電機驅動保護、復位和兩個可屏蔽中斷）。

（12）電源管理包括3種低功耗模式，能獨立地將外設器件轉入低功耗工作模式。在本系統中,DSP外擴1片程序存儲器(PRAM)用于存儲運行程序,1片數據存儲器(DRAM)用于計算過程中數據的存放,DSP本身負責完成人機接口、諧波數據的生成、合成波形數據的輸出、測量數據的輸入、各控制參量的計算、大環的控制、快速傅立葉變換和諧波數據的修正。系統中2片A/D分別接收由DSP發出的電壓和電流數據流并依次完成轉換,輸出模擬波形,2路均選用16位A/D轉換器。2片A/D均為16位高精度A/D,INL和DNL參數較好,分別完成電壓、電流的瞬時值采樣。DSP接收A/D采樣的數據并計算電流電壓有效值、功率值及相位、頻率等,并依此對輸出量實施控制和調整。第2.3節TMS320LF2407的結構[30]TMS320LF2407具有兩個16位通用定時器、八個16位的PWM通道、三個捕捉單元、16通道A/D轉換器、同步通信接口、異步通信接口、544字雙尋址RAM（DARAM）和32k字Flash程序存儲器等功能。其基本的結構分為中央處理單元（CPU）、存儲器、片內外設與專用硬件電路三個組成部分。其中，CPU主要包括中央算術邏輯單元（CALU）、累加器（ACC）、乘法器（MUL）、移位寄存器和尋址單元等。存儲器包括片內Flash、片內ROM、單存取RAM（SARAM）和雙存取RAM（DARAM）。片內外設與專用硬件電路包括數字輸入輸出模塊（I/O）、事件管理模塊（EV）、模數轉換模塊（ADC）、串行外設模塊（SPI）、串行通信模塊（SCI）、局域網控制器模塊（CAN）等。（1）中央處理單元（CPU）TMS320LF2407與所有的240x器件具有相同的CPU內核。中央處理單元CPU包括一個32位的中央算術邏輯單元（CALU）、32位累加器（ACC）、輸入定標移位器、16×16位乘法器（MUL）、輸出數據定標移位器、地址產生邏輯。其中中央算術邏輯單元（CALU）實現大部分算術和邏輯運算功能，包括16位加、16位減、布爾邏輯操作、位檢測、移位和循環功能；而且大部分運算只需要一個時鐘周期。累加器的功能就是存放CALU的操作結果，并對其單位移位或循環移位，同時將結果輸出CALU或輸出數據定標移位器。輸入數據定標移位器的功能是將來自程序存儲器或數據存儲器的16位數據調整為32位數據送到CALU，因此16位輸入與數據總線相連，32位輸出與CALU單元相連。該移位器作為從程序或數據存儲空間到CALU間數據傳輸路徑的一部分，并不會占用額外的時鐘開銷。片上的硬件乘法器能實現16×16二進制補碼乘法運算，輸出32位結果。它將來自16位數據存儲器（或程序存儲器）的值與16位TREG寄存器的值乘積，結果送到32位乘積寄存器（PREG）中。（2）存儲器TMS320LF2407具有192k字的可尋址存儲空間：64k字程序空間、64k數據空間和64k字的I/O空間，一些芯片還通過擴展頁增加地址空間。程序存儲器包括32k字的Flash內部ROM和32k字可擴展的外部ROM；數據存儲器它是由32k字的內部數據存儲器和32k字的外部數據存儲器組成。內部數據存儲器有544字的雙口RAM（B0、B1、B2）、2k字的單口RAM和專用寄存器，有相當一部分內部數據存儲器空間是非法區；I/O空間可用于對片外設備的訪問，其存儲空間共64k字，兩條特殊指令IN和OUT用于對這些空間進行訪問。TMS320LF2407還支持地址和數據分離總線：內部地址總線可分成程序地址總線（PAB）、數據讀地址總線（DRAB）和數據寫地址總線（DWAB）；內部數據總線也可以相應地分成程序讀總線（PRDB）、數據讀總線（DRDB）和數據寫總線（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請求的中斷，而硬件中斷是指由硬件引起的中斷，根據中斷源的位置不同，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）和內部中斷（由片內外設的動作引發的中斷）。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。可屏蔽中斷都是硬件中斷，當這些中斷被觸發后，與其相對應的標志位被置位，但用戶可以用軟件設置使這些中斷使能（不屏蔽）或者根本不響應（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（復位中斷和不可屏蔽中斷），這些中斷總是被CPU響應。（4）片內外設TMS320LF2407總線結構支持對豐富的片內外設的訪問。絕大多數的外設通過外設總線進行訪問，如雙模擬—數字轉換器（A/D）、串行外設接口（SPI）、串行通信接口（SCI）、看門狗（WD）。對這些外設的每次訪問需要多于一個的周期，而事件管理器能直接與數據總線相匹配，從而得到全速的CPU處理能力。串行通信接口（SCI）是一個標準的通用異步串行口（UART），可以和RS-232格式的設備接口。SCI支持DSP與其他異步串口采用標準不歸零（NRZ）模式進行異步串行數字通信。SCI有空閑線和地址位兩種多處理器通信方式；兩個輸入/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，發送器和接收器的操作可以通過中斷或轉換狀態標志來完成。串行外設接口（SPI）是一個高速的同步串口，可以和其他具有標準SPI口的器件直接通信，該接口有四個外部引腳：SPISIMO（SPI從動輸入，主動輸出引腳）、SPISOMI（SPI主動輸入，從動輸出引腳）、SPOCLK（SPI的位移時鐘）、（SPI從動發送使能，實際上相當于數據的幀同步信號），在不使用SPI模塊時，上述四個引腳均可以作為通用輸入輸出（GPIO）引腳使用。看門狗定時器（WD）是一個增量計數器，用來監視DSP的運行狀況。當系統進入不可預知的狀態而造成“死機”時，WD將產生一個系統復位操作，從而使DSP進入一個已知的起始位置重新運轉。大多數芯片異常操作和CPU非正常工作的情況都可以通過WD來清除和復位，因此WD的監視功能可增強CPU的可靠性，以確保系統安全穩定地運行。事件管理器（EV）有兩個事件管理器模塊EVA和EVB，用于運動控制和電機控制。每個事件管理器模塊包括通用定時器（GP）、比較單元、捕獲單元、正交編碼（QEP）單元以及16通道A/D轉換器。通過編程，事件管理器模塊中的通用定時器可以在外部或內部CPU時鐘的基礎上運行。EV模塊中的所有輸入都由內部CPU協調同步。DSP（1）精度：表數格式（定點或浮點），通常可以用定點器件解決的問題，盡量用定點器件，因為它經濟、速度快、成本低，功耗小。但是在編程時要關注信號的動態范圍，在代碼中增加限制信號動態范圍的定標運算。（2）字長的選擇：一般浮點DSP芯片都用32位的數據字，大多數定點DSP芯片是16位數據字。而MOTOROLA公司定點芯片用24位數據字，以便在定點和浮點精度之間取得折中。字長大小是影響成本的重要因素，它影響芯片的大小、引腳數以及存儲器的大小，設計時在滿足性能指標的條件下，盡可能選用最小的數據字。（3）存儲器安排：包括存儲器的大小，片內存儲器的數量，總線尋址空間等。片內存儲器的大小決定了芯片運行速度和成本，例如TI公司同一系列的DSP芯片，不同種類芯片存儲器的配置等硬件資源各不相同。

（4）開發工具：在DSP系統設計中，開發工具是必不可少的，一個復雜的DSP系統，必須有功能強大的開發工具支持。開發工具包括軟件和硬件兩部分。軟件開發工具主要包括：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行仿真運行，來確定必要的性能指標。硬件開發工具包括在線硬件仿真器和系統開發板。在線硬件仿真器通常是JTAG周邊掃描接口板，可以對設計的硬件進行在線調試；在硬件系統完成之前，不同功能的開發板上實時運行設計的DSP軟件，可以提高開發效率。甚至在有的數量小的產品中，直接將開發板當作最終產品。

（5）功耗與電源管理：在一些手提便攜式的消費類電子產品中，供電電源的節省是很重要的問題，因而目前DSP生產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，實施芯片的低電壓供電，通常有3.3V，0.9V等，在同樣的時鐘頻率下，它們的功耗將遠遠低于5V供電電壓的芯片。加強了對電源的管理后，通常用休眠、等待模式等方式節省功率消耗。例如TI公司提供了詳細的、功能隨指令類型和處理器配置而改變的應用說明。（6）成本和廠家的銷售后服務：特別要注意DSP芯片的生產和主推產品，以便以低的成本實施來要求產品。但低價位的芯片必然是功能較少、片內存儲器少、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品及雷達中的應用中，都需要能處理高數據率、大運算量的應用系統。單一的處理器系統已難以承擔這類復雜任務，因而采用多個處理器并行工作。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運行。第2.5節D-SATCOM的基本原理2.5.1D-STATCOM的工作原理配電網靜止無功補償器為D-SATCOM（DistributionStaticCompensator）是用戶電力技術的重要裝置之一,控制器作為其關鍵部分,決定了其補償性能的好壞。他通過產生并控制驅動開關器件的脈沖控制為D-SATCOM的各種行為,完成D-SATCOM所需完成的任務。本文采用高性能數字信號處理處理器TMS320LF2407的核心控制器,利用其快速強大的運算和處理能力以及并行運行的能力,以滿足為D-SATCOM的實時性、多功能和多目標協調控制、處理算法復雜等的要求。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在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現無功補償的目的。控制器設計為D-SATCOM的控制器應實現功能:必須能實時準確地檢測出負荷所需無功功率；必須能根據計算出的參考電流波形,實時輸出相應波形。本文設計的為D-SATCOM控制器由內環控制器和外環控制器兩部分組成。外環控制器輸出的控制信號作為內環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。內環控制器產生一個同步的驅動信號,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系,實現對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與電網之間的連接電抗。理想情況下,VSI可在其輸出端產生與電網電壓同頻同相的三相正弦電壓,從而在Ｌ中產生無功電流。通過控制系統適當調節逆變器輸出電壓的大小,則可以調節的大小和方向,達到雙向連續調節無功功率的目的。圖2.1D-STATCOM的主電路結構D-SATCOM外環控制策略外環控制器應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個鎖相環（PLL）和1個正、余弦信號發生電路得到1個與A相電網電壓ea同步的正弦信號sin和對應的余弦信號cos,負載電流經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,在穩態情況下均為直流信號。作為補償的無功電流參考值,通過控制補償裝置就可發出負荷所需的無功功率,減少無功在系統中的流動。因此必須通過裝置與交流系統的有功交換控制直流側電容電壓在其正常范圍之內,通常采用PI控制方法確定裝置應從系統吸收的有功電流（或有功功率）。D-SATCOM內環控制策略內環控制是D-SATCOM裝置的控制核心,配電網補償裝置一般容量較小,對其響應速度有較高的要求,本文內環控制器采用預測電流控制的策略,主要是利用當前采樣時刻的狀態信息,預測下一個采樣周期補償電流的軌跡,從而確定逆變器的開關函數,使補償電流跟隨電流參考值變化。D-SATCOM設計容量為10kvar,系統頻率50Hz，裝置與系統的連接電感為100mH，裝置直流側電容為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變換關鍵是根據已知，求出sin，cos值求法有查表法、實時計算和插值法等。考慮到計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200點的表格，很顯然不同的，對應的sin，cos值不可能全部落在這200個點上，一般位于兩點之間，由于Xi與Xi+1之間相差1.8度，正弦函數誤差很小，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的近似函數值如式2.3所示：Y=（2.3）采用此方法，LF2407A計算第一次sin，cos值只需要2左右，滿足實時性要求。圖2.4線性插值法計算2.5.3D-STATCOM的控制方法所謂間接控制，就是將D-STATCOM當交流電壓源看待，通過對交流器輸出電壓基波的相位和幅值進行控制，來間接控制D-STATCOM的交流側電流。對電流間接控制方法的介紹都是以變流器交流側輸出電壓為方波作為例子的，實際上，為了減小諧波，可以采用多個變流器多重化聯結、多電平技術或者采用PWM控制技術，然后控制原理是一樣的。只不過方波變流器中對方波脈沖寬度的控制，在多重化變流器中變成了對每個變流器輸出方波脈沖都要進行同樣的控制，而在PWM變流器中變成了對一個周波中的每個PWM脈沖進行成比例的脈沖寬度控制。電流的間接控制方法多應用于較大容量（如輸電補償用）場合，因為容量較大時，受電力半導體器件開關頻率的限制，一般無法像直接控制法那樣對電流波形進行跟蹤控制。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，或者結合多電平技術，即使采用PWM技術，也是一個周波僅含有幾個PWM脈沖，而且一般多重化方法相結合使用。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控制技術對電流波形的瞬時值進行反饋控制，或者應用瞬時無功功率理論、變換進行電流的直接控制。其中的跟蹤型PWM控制技術可以采用滯環比較方式，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)采用滯環比較器的瞬時值比較方式原理圖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技術的直接控制方法從原理上來說可以有效地濾除系統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速度和控制精度，但它要求開關頻率高，因為大功率器件很難以高開關頻率運行，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。但從目前世界上運行的無功補償器的情況看來，電流直接控制在中、大容量系統也有應用。日本新農用于輸電80Mvar的STATCOM和日本神戶用于鋼廠負荷補償20Mvar的STATCOM均采用了電流直接控制方式。前者在電網嚴重不對稱，甚至短路時仍可照常工作；或者對煉鋼電極短路引起的電網電壓閃變有很好的抑制作用。電流直接控制的D-STATCOM控制系統有兩種基本結構。圖2.6abc軸下瞬時電流控制第一種控制結構如圖2.6所示，采用了軸下的瞬時電流控制系統。控制系統完成兩個功能：1、直流側的電壓恒定控制；2、無功電流的實時跟隨。直流電壓指令D-STATCOMD-STATCOMD-STATCOM采用電流直接控制后，其響應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。通過對比可以得到如下結論：

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

（2）電流直接控制法對電力半導體器件開關頻率要求高，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可采用多個變流器多重化連接、多電平技術或PWM控制技術來減小諧波。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之上的，其基本構成單元，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點是便于進行分相控制，這對于D-STATCOM在系統電壓不對稱運行時，特別是不對稱故障時的控制是一個重要的優點。但若D-STATCOM的設置是為解決三相對稱條件下的電壓穩定問題，則采用三相系統較之單相系統更為經濟。三相橋三電平逆變器作為一種特殊的串聯形式，由于其輸出端口電壓可在（–Uc,0,Uc）三個電平中間變化，從而在方波工況下其脈寬可以如單相橋一樣調節，并且作為中點鉗位式的逆變器，其串聯的每個開關器件始終工作在1/2的直流中間電壓，從而既利用串聯方式提高了裝置容量又避免了常規器件串聯時所遇到的器件選配和動靜態均壓問題。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點使得它在柔性交流輸電系統（FACTS）的各個領域得到越來越廣泛的應用，在500kvar的D-STATCOM中亦有應用。從理論上看，可以通過不斷增加電平次數來使輸出電壓階梯增多，從而達到增加裝置容量和抑制諧波的雙重目的。但在實際應用中每增加一個電平即意味著每臂要增加一對鉗位二極管從而使電路變的復雜，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，這導致控制上的困難，因此雖然近年來對其討論的文章很多，但真正達到實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制波，與一公用的三角載波相交，會得到三組矩形脈沖，用這三組矩形脈沖分別觸發三相逆變器的六個橋臂的功率開關器件，則會得到等效于調制波的PWM波形。利用此方法，可以實現補償電流的正弦化，有效降低諧波成分。通過改變PWM波形的相位和占空比，可以實現對補償電流基波分量的相位和大小的控制，從而實現對系統無功的動態補償。第3章基于DSP的D-STATCOM控制器設計20世紀60年代以來，隨著計算機和信息科學的迅速發展，數字信號處理技術（DSP，DigitalSignalProcessing）也飛速崛起，近幾十年來，數字信號處理已經在通信、自動化等領域得到了極為廣泛的發展。無論從硬件的完備性，數據處理的快速性，還是算法的兼容性上講，它既發揮了單片機的各種優勢，也克服了以前單片機系統的一些客觀的弱點。所以，DSP技術在控制器設計的應用中將是一個很大的契機。正是基于這樣一種背景下，本章將講述控制器的硬件系統結構及其軟件設計。控制器具備以下功能：（1）脈沖同步。根據從電網取回的同步脈沖，產生出與電網電壓同步的脈沖信號，使D-ATATCOM產生的階梯波電壓與電網電壓保持同步，從而使D-SATACOM能正確并網運行。（2）控制D-STATCOM行為。這包括電流跟蹤、提供規定的超前或者滯后無功電流、控制直流側電容電壓保持基本穩定，保證該電壓在IGBT的安全工作范圍之內運行。（3）產生觸發脈沖。產生一定規律的觸發脈沖，經門極驅動電路放大后去控制IGBT的導通和關斷，使D-STATCOM能產生正確的階梯波電壓。（4）保護功能。當D-STATCOM運行在電壓、電流、過載或其他不正常狀態下，控制器應發出封鎖脈沖封鎖IGBT，使得D-STATCOM停止工作，防止發生危險。第3.1節基于DSP的控制器系統的硬件結構本章中系統控制器采用的是德州公司的TMS320LF2407A（以下簡稱2407A）數字化DSP控制方案。如圖3.1所示，整個控制器包括：處理器模塊、A/D采樣模塊、數據存儲器擴展模塊、液晶顯示模塊、矩陣鍵盤輸入模塊、硬件鎖相環模塊、PWM硬件死區延時模塊和通信模塊。在控制板上，由TMS320LF2407A負責進行數據采集、數據實時處理、數據顯示和與上位機通訊及時對IGBT進行控制。TMS320LF2407A將A/D轉換采來的數據進行實時處理，送入LCD顯示各種電量參數，同時根據采樣回來的數據進行控制計算。LCD可顯示功率因數、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的基礎上低功耗改進型，它是為了滿足控制應用而設計的。2407A是此系列中的一個分支，通過把一個高性能的DSP內核和微處理器的片內外設集成為一個芯片的方案，2407A成為傳統的微控制單元（MCU）和昂貴的多片設計的一種廉價的替代品。每秒3000萬條指令（30MIPS）的處理速度，使圖3.1DSP控制器系統硬件結構圖3.1中控制核心采用TI公司生產的16位快速定點DSP芯片TMS320LF2407，該芯片外設資源豐富，具有32k×16kFlashEPR0M，32k×16kRAM，BootR0M及事件管理陣列，一個1O位片內模數轉換器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數據RAM，以及64k的輸入輸出I/O。所有的LF240x/240xADSP都包括兩個事件管理模塊：EVA和EVB。每個事件管理器模塊包括通用定時器、比較單元、捕獲單元以及脈沖倍頻電路。由于TMS320LF2407芯片內部的1O位A/D轉換單元精度不夠，無法滿足現場的需要，本文采用2片MAXIM公司的MAX125高精度A/D采樣芯片對所需電壓信號和電流信號進行采樣。該芯片具有2組8路輸入通道，每個通道的A/D轉換時間為3s，能夠實現高速采樣。電流信號和電壓信號分別經相應的隔離和調理電路進入2片MAX125的模擬輸入通道，再通過TMS320LF2407控制2片A/D轉換器的啟動和轉換結果的讀取。采樣時問基準由同步采樣電路和TMS320LF2407的捕獲單元共同提供。TMS320LF2407將所需電壓信號和電流信號經過檢測算法運算后得到相應的無功電流值，通過控制算法給出要求的補償信號，補償信號再通過TMS320LF2407內部PWM模塊產生SVPWM控制信號送至驅動電路，最終通過功率電子器件產生相應的補償電流注入電網。3.1.1鎖相環時鐘模塊電路LF2407ADSP的鎖相環的時鐘模塊電路如圖3.2所示。2407A內部的PLL模塊使用外部濾波器回路來抑制信號抖動和電磁干擾，使抖動信號和干擾影響最小。電路中存在大量的噪聲，在設計電路時還需要通過實驗確定。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鎖相環時鐘模塊電路圖表3.1外部濾波器元件參數表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（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外部晶體振蕩器或者諧振器，來提供器件的時鐘基頻。（2）外部時鐘源。這種工作模式允許內部的振蕩器被旁路。器件的時鐘來自于連接到XTAL1/CLKIN引腳的外部時鐘源輸入。這種情況下，外部震蕩器時鐘連接到XTAL1/CLKIN引腳。3.1.22407A電源的設計對于任何一個電氣系統來講，電源是不可或缺的部分。DSP應用電路一般都有+5V和3.3V電源，也就是DSP控制系統一般都是多電源系統。而對于多電源系統，采用的一般策略是將+5V的電源經過DC/DC變換得到其它數量級的電源電壓，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電源或者交流220V單相電經變壓器、橋式整流后再經過電容、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，它的基本電氣參數見表3.1，接線連接見圖3.3，其中它的8號引腳可用作DSP的外部復位引腳。圖3.3中的電容C1和C2分別用來消除紋波和穩壓的作用。圖3.3DSP控制器電源模塊3.1.3采樣電路模塊的設計采樣電路的設計包括同步信號捕獲和外接8通道電流電壓采樣電路。同步信號捕獲單元是為讀取母線電壓中A相的過零點而設計的，目的是在過零點的時刻發出PWM調制信號，保持補償諧波電流的相位同步。具體電路如圖3.4所示。圖中入口信號為母線A相電壓經過了一級PT之后的標準信號，為100V交流信號，然后經過了電路中的二級PT（電壓互感器）轉換為5V交流信號，最后經過了型濾波電路，兩極穩壓管鉗住輸入運放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的技術指標。圖3.4電壓過零捕獲電路在周期性電參數的測量中，進行同步采樣是準確測量實時信號的關鍵。使用軟件定時同步采樣法，硬件實現簡單，但是需要DSP計算和干預，而且易產生誤差。而利用硬件實現同步采樣，采用鎖相環頻率倍增技術控制采樣的定時和速率，從而實現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。本文采用的鎖相環同步采樣電路如圖3.5所示，他由同步計數器CD4052，與非門74LS00，低通濾波器以及單片集成鎖相環CD4046組成。圖3.5同步采樣電路圖中選用的二進制同步加計數器CD4052作為同步采樣的分頻器，電網的一個周波設計為同步采樣128點。對壓控振蕩器的編出進行整形，以滿足啟動A/D轉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，其轉換精度決定了控制器性能的優劣。雖然2407A內部帶有16路10位精度的片上A/D模塊，但該模塊存在以下缺點：只能接收0~3.3V的單極性信號輸入，對于交流信號需要另外設計限幅抬壓電路；同一排序器內各通道串擾嚴重；10位的轉換精度難以滿足高性能系統的要求。本章的硬件設計采用了兩片精度更高的14bit的4通道同時采樣的MAX125。MAXIM公司生產的高精度型的A/D轉換芯片，MAX125是一個高速、多通道的同步采樣數據獲得系統。它包含一個3微秒的14位分辨率的模數轉換器，一個+2.5V內部參考電壓，一個參考輸入緩沖器，四個同步采樣/保持，一個可編程序列發生器，還有四個存放轉換數據的14位RAM。四個連續的讀信號可訪問四個轉換數據。每路具有±17V的輸入故障保護，避免外界對芯片沖擊而造成的損失。MAX125可廣泛地應用在多相位馬達控制、電網同步、電力系數監控、數字信號處理、振動與波形分析等領域。內部集成了前端采樣保持電路（S/H），其輸入信號范圍±5V，通道最大承受過壓可達±17V，簡化了信號調理電路；單路轉換時間3μs；擁有A、B兩組信號輸入端，每組四個輸入通道。MAXl25可以和DSP并行工作，從而減輕了DSP的工作負擔。MAXl25數據、地址線是通過總線隔離驅動芯片74HC245與2407A的數據線連接，片選信號是通過74HC3.1.4硬件倍頻電路模塊的設計鎖相環（PLL，PhaseLockedLoop）電路是用于生成與輸入信號相位同步的新的信號電路。本文中設計的是用鎖相環元器件使輸出信號為輸入信號的128倍的倍頻電路。具體的功能為利用普通的工頻信號50Hz所轉換的方波信號，進而將方波信號倍頻成6.4kHz的方波信號，以此來啟動A/D采樣芯片，達到每周波均勻采樣128點的要求。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輸出經分頻后的信號與輸入波形的相位進行比較時，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重要的模塊，鎖相電路PLL和分頻器，硬件設計的重點也就是對PLL器件和分頻器器件的選擇。本文采用的PLL器件型號為CD4046BE，內部由一個VCO和鑒相器組成，只需在外部設計VCO振蕩參數R1、R2、C1和環路濾波器參數R3、C2即可，它的內部結構如圖3.7所示。圖3.6倍頻原理圖圖3.7CD4046BE內部結構圖3.1.5串行通信接口電路的設計現場總線是應用在生產現場、在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通訊的系統，也稱為開放式、數字化、多點通訊的底層的控制網絡。它在制造業、流程工業、交通、樓宇等方面的自動化系統中具有廣闊的應用前景。控制器局域網屬于現場總線的范疇，它是有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。在DSP芯片TMS320LF2407A內部集成符合CAN2.0B協議要求的CAN總線控制器，其內部集成的CAN控制器與其他CAN控制器一樣，完全支持CAN2.0B圖3.8通信接口電路對于TMS320LF2407A的CAN控制器而言，如需實現多個CAN節點之間的多點通訊，必須增加CAN控制器的驅動能力。本設計中是通過外加CAN控制器驅動芯片PAC82C250T來實現的。它能提供總線的差動發送能力和總線對CAN控制器的差動接受能力。而對于同一網絡內的其他節點也必須添加PAC82C250T接口芯片，才能使整個網絡的發送和接受功能正常運行。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換電路，因為TMS320LF2407A用3.3V供電，而PAC823.1.6脈沖觸發電路及IPM模塊驅動電路設計數字控制器的最終輸出為PWM脈寬調制信號，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3.3V電平系統，與逆變電路中的IPM（IntelligentPowerModule）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換模塊。另外，IPM模塊中的單元同一橋臂IGBT是需要死區時間，至少3μs以上的時間，保證IPM模塊的正常工作，2407A中的PWM輸出是可以通過軟件設置的，但是實際系統在上電的一瞬間PWM引腳的狀態是不確定的。工程應用中，IPM模塊需要單獨的接入驅動電平信號，實質上是對控制器生成的PWM信號進行放大，而且IPM模塊對驅動信號要求很嚴格，必須將信號轉換電路直接焊接在IPM模塊上，所以在信號出口一級增加了IPM圖3.9IPM驅動電路光電隔離驅動電路設計見圖3.9。IPM型號為IGBT每個單元有四個引腳，分別是＋15V控制電源、電源地、信號輸入引腳、故障輸出引腳，各個單元的引腳都是相互獨立的，不能連結在一起，所以在應用的過程中，都是使用6組獨立的電源來控制智能模塊。3.1.7信號調理電路由于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，因此必須將電流信號轉換為可用的電壓信號。電流調理電路如圖3.10所示，由四部分組成，由電容濾波Cl和精密采樣電阻R構成，將電流信號變換為電壓信號；由R和C構成一個截止頻率為10kHz左右的低通濾波器；一個同相跟隨電路進行幅值變換和隔離；兩個穩壓管將輸出值限定在士5V之間。圖3.10電流信號調理電路基于TMS320LF2407A的配電靜止同步補償器（D-STATCOM）控制器充分利用了TMS320LF2407A芯片的運算速度快、精度高、擴展性好的特點,應用只需要進行同相隔離和幅值變換即可，通過調節可變電阻R5的大小，即可實現對輸出電壓的調節。圖3.11電壓信號調理電路經過電壓互感器PT變送的電壓信號的調理比較簡單，調理電路如圖3.11所示。3.1.8液晶顯示和矩陣鍵盤電路設計一個功能完整的控制器，除了性能優良的控制算法之外，還必須有友好的人機接口電路。人機接口包括兩部分，顯示界面和操作控制，顯示界面以往的技術是使用LED（LightEmittingDiode）來實現簡單的數字顯示，隨著控制器智能化和低功耗技術的發展，LCD（LiquidCrystalDiodes）液晶顯示技術得到越來越多的應用；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的ASCII碼或其它編碼，但是它要求采用較多的硬件，價格昂貴，非編碼鍵盤僅提供行列矩陣，由程序來確定對應關系。本文中選用的LCD分辨率為320×240點陣，液晶內置控制器為S1D1335，它是一款既能進行圖形顯示和漢字顯示控制的液晶控制器，內部集成了西文字符，顯示的點陣為5×7，可以根據用戶需求自建漢字字庫，顯示點陣為16×16，簡潔實用的軟件控制命令來設置顯示模式，8位并行的數據傳輸方式，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，當它與SED1335進行數據傳輸的時候需要進行電平轉換，所以電路中加入了兩片LVC4245芯片，分別用于控制總線和數據總線的電平轉換圖3.12LCD接口電路圖鍵盤電路采用2×3矩陣鍵盤電路設計，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。硬件延時消抖電路采用阻容濾波電路，2×3的按鍵數為6個，設置為功能鍵，分別為光標上、光標下、光標左、光標右、確定、取消，具體的按鍵編碼對照圖3.13中的標號列成表格3.2。鍵盤編碼的規則為先行線全掃描，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鍵盤編碼鍵碼釋義按鍵10X00B0修改參數或者進入下一級界面按鍵20X00A8返回上一頁或者返回確認前操作按鍵30X0098光標上一個單位按鍵40X0030光標下一個單位按鍵50X0028光標左一個單位按鍵60X0018光標右一個單位第3.2節控制系統軟件部分3.2.1系統軟件開發環境及前期數據格式設計在系統進行軟件開發之前，必須對整個系統作規劃設計，包括設計所使用的語言，軟件的運行環境，系統的數據格式等等，這相當于軟件開發的可行性分析。本系統軟件設計所用的開發環境為CCS2000開發環境版本。3.2.2DSP開發環境程序開發流程DSP軟件開發流程可以按如下的步驟來進行：（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，然后將它們分別轉化成TMS320的匯編語言并送到匯編語言編譯器進行編譯，生成目標文件；（2）將目標文件送入鏈接器進行連接，得到可執行文件；（3）將可執行文件調入到調試器（包括軟件仿真、軟件開發系統、評測模塊、系統仿真器一般在系統調試中，仿真器是最常用的）進行調試，檢查結果運行是否正確。如果正確進入第四步；如果不正確，則返回第一步；（4）進行代碼轉換，將代碼寫進EEPROM并脫離仿真器運行程序，檢查結果是否正確，如果不正確，返回第三步，如果正確，進入下一步；（5）軟件測試。如果測試合格則軟件調試完畢；不合格就返回第一步。3.2本節主要介紹系統的軟件設計思想及相應的程序流程。控制系統總體流程如圖3.14所示。軟件大體包括以下幾個子程序模塊：數字濾波器模塊、DQ變換模塊、低通濾波模塊、PI調節器模塊、DQ反變換模塊、PWM發生模塊。圖3.14控制系統軟件總體流程圖3.2.4系統的PWM脈沖發生器模塊主要完成發出PWM脈沖驅動IGBT的功能。PWM脈沖發生是和系統電壓同步的。系統的保護程序主要完成封鎖PWM信號，觸發制動IGBT等功能，為確保在系統故障情況下，IPM不被損壞，還應編寫相應的軟件保護程序，考慮到系統的實時性要求，該子程序用中斷方式編寫，又因該子程序的功能為保護功能的實現，因此，應選用相對較高的中斷加以實現，本設計中選擇中斷的INT1級中斷來實現功能。下面為保護中斷子程序流程圖，如圖3.15所示。圖3.15保護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志。在本模塊計算周期值，由周期值計算出電網電壓頻率，若電網電壓頻率滿足：49.5<<50.5，則使，否則，則認為系統故障，發出封鎖脈沖IGBT，結束程