一种基于fpga可在线修改参数的静止无功发生器控制装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于FPGA可在线修改参数的静止无功发生器控制装置，涉及电力系统领域。该控制装置基于集成了ARM硬核处理器系统的Zynq?7000系列芯片，并带有AD转换模块、触摸屏显示模块、SD存储模块、串口通信模块、保护动作模块和PWM模块，同时也嵌入了实时操作系统，在此基础上实现了可在线修改参数的功能。
【专利说明】
一种基于FPGA可在线修改参数的静止无功发生器控制装置
技术领域
[0001]本发明涉及电力系统领域，特别涉及一种基于FPGA可在线修改参数的静止无功发生器控制装置。
【背景技术】
[0002]在电力系统中，异步电动机和变压器等设备要消耗大量的无功功率。若这些无功得不到及时的补偿，会对电网的安全、稳定运行产生不利影响，主要包括增加了线路的损耗、增加了变压器等设备的容量、降低电网电压水平等。随着经济的发展，人们对电能质量的要求越来越高，所以无功补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。静止无功发生器(SVG)作为新一代无功补偿装置，具有响应时间快、无功连续可调、电压精准控制等优点。
[0003]传统的静止无功发生器硬件控制系统主要采用M⑶+DSP+FPGA的架构，虽然功能强大，但是具有控制器过于复杂、PCB设计困难、不易于调试、成本过高等缺点。并且控制程序不易编写，通用性也不强。
[0004]不同的静止无功补偿器，很多参数也不尽相同，特别是PID控制的参数需要反复的修改，来寻找合适的值，所以传统情况下需要反复的修改和下载程序。在安装现场有部分值也需要根据现场的情况修改，所以急需可以灵活改变参数值的方法。
【发明内容】
[0005]技术问题:本发明的目的是克服上述的不足，提出一种基于FPGA可在线修改参数的静止无功发生器控制装置。
[0006]技术方案:本发明涉及一种基于FPGA可在线修改参数的静止无功发生器控制装置。该装置基于集成了 ARM硬核处理器系统的Zynq-7000系列芯片，并带有AD转换模块、触摸屏显示模块、SD存储模块、串口通信模块、保护动作模块和PffM模块，同时也嵌入了实时操作系统，在此基础上实现了可在线修改参数的功能。
[0007]—种基于FPGA可在线修改参数的静止无功发生器控制装置，其装置特征在于。
[0008]以Zynq-7000为核心，触摸屏模块采用外设SPI与Zynq-7000相连，SD存储模块采用外设SD/SD10与Zynq-7000相连，串口通信模块采用外设UART与Zynq-7000相连。AD转换模块、保护动作模块和PWM模块与可编程逻辑用户引脚相连。
[0009]所述触摸屏模块，由液晶显示屏、驱动芯片和触摸信号A/D转换芯片组成。驱动芯片负责驱动显示屏以及通过SPI与Zynq-7000进行数据传输，触摸信号A/D转换芯片负责触摸信号的获取并通过SPI与Zynq-7000进行数据传输。
[00?0] 所述AD米样模块，由AD米样芯片和彳目号调理电路组成，彳目号调理电路将土 1V的电压通过两级运算放大器变换为土 2.5V的电压传输给AD采样芯片，AD采样芯片将模拟信号转换为数字信号通过Zynq-7000可编程用户引脚传输给Zynq-7000芯片。
[0011]所述Pmi模块由隔离电路和驱动电路组成，驱动电路采用反向驱动器，提高Zynq-7000芯片PffM输出的驱动能力，隔离电路采用光电耦合器，将IGBT驱动电路的故障反馈信号进行隔离。
[0012]所述保护动作模块由继电器电路组成，当系统发生过流、过压和IGBT反馈故障时，Zynq-7000通过继电器电路进行保护动作。
[0013]所述SD存储模块由SD卡组成，Zynq-7000系列芯片支持SD和SD1宽范围的低功耗应用，无需再加外围电路。
[0014]所述的串口通信模块由RS-232电路组成，采用电平转换芯片对UART进行RS-232标准串口设计。
[0015]一种基于FPGA可在线修改参数的静止无功发生器控制装置，其可在线修改参数的特征在于。
[0016]其中ARM硬核控制程序采用C语言，并嵌入了实时操作系统，可编程逻辑单元采用Verilog HDL语言，并包括AMBA AXI 4总线规范IP核，用于处理器和可编程逻辑单元之间的互联。其中可在线修改的参数包括用于标么化的基准值、用于电压解耦控制的电感值和PID控制的参数值。其中标么化的基准值包括电压基准、电流基准和阻抗基准，PID控制的参数值包括电流内环PID参数值和电压外环PID参数值，用于电压解耦控制的电感值则为交流侧滤波电抗器的电感值。
[0017]所述的可在线修改参数的步骤是:工作人员通过触摸屏将需要的参数值输入到控制器ARM当中，ARM将得到的数据存储到SD卡当中，用于下次快速的启动，同时通过AXI总线将数据传输给可编程逻辑单元的块RAM当中，当需要时可直接从RAM中取出使用。
[0018]综上所述，本发明具有以下有益效果。
[0019]本发明基于Zynq-7000系列芯片，Zynq-7000系列芯片集成了双核ARM Cortex_A9处理器和DSP切片，一个单芯片代替了传统的ARM+DSP+FPGA多处理器架构，简化了PCB的设计，降低了硬件的故障，方便了程序的设计和硬件的调试。
[0020]本发明给ARM嵌入了实时操作系统，方便了外围设备的程序设计，增加了程序，提高了系统的可扩展性，使得系统的资源得到更好的应用。
[0021]本发明在基于Zynq-7000系列芯片的基础上，提出了在线修改参数的功能。不同的静止无功发生器它的标么化的基准值、用于电压解耦控制的电感值和PID控制的参数值都不相同，需要不断的修改和下载程序，特别是调试阶段的PID参数整定需要反复地修改和下载程序。本发明具有在线修改参数的功能，避免了反复地修改和下载程序，缩短了产品开发时间，提高了控制器的通用性。
【附图说明】
[0022]图1为本发明系统总体结构图。
[0023]图2为本发明可编程逻辑单元实现无功补偿控制算法的结构图。
[0024]图3为嵌入式实时操作系统上完成的基本任务。
[0025]图4为本发明在线修改参数流程图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图及实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0027]如图1所示，选则Zynq-7000系列芯片的Z-7010为例，Z-7010集成了具有丰富资源的双核ARM Cortex_A9处理器和28nm工艺的可编程逻辑单元，其中ARM Cortex_A9处理器具有片上存储和片外存储的接口，以及一系列的外设接口。其中AD采样芯片采用具有12通道和12位分辨率的ADS7869，RS-232标准串口设计采用MAX232芯片，触摸屏设计采用4.3寸型号HSD050IDW1-A20液晶显示屏，其中触摸信号A/D转换芯片选择XPT2046，触摸屏的驱动芯片选择SSD1963，SD卡选择32G容量的卡。
[0028]如图1所示，Z-7010通过I/O端口的操作控制A/D采样芯片将送过来的电压和电流信号转换为数字信号，并将得到的数字信号传递给无功补偿控制算法实现模块进行操作，无功补偿控制算法实现模块不仅进行无功补偿控制的算法实现，并且将电网电压数据、负载电流数据和补偿后电流数据通过总线传递给处理器，处理器将得到的数据进行计算和处理，包括功率因数的计算、补偿后电流谐波的分析以及电压电流的有效值得计算，计算后处理器将得到的结果存储在SD卡中和将部分信息发送到触摸屏上进行显示，串口通信可用于与PC机相连进行数据传输。
[0029]如图2所示为无功补偿控制算法在可编程逻辑单元中具体实现结构，其中无功补偿电流Iabc_pu通过坐标变换包括Clark变换和Park变换转换为直流量Iabc_DS和Iabc_QS，同理电网电压Uabc_pu和负载电流Iabc_load_pu都转换为相应的直流量。其中用于坐标变换的角度通过锁相环得到，将直流侧的电压和给定值做PID调节将输出作为无功补偿电流的d轴分量的给定，与无功补偿的实际电流的d轴分量做PID调节。将负载的无功电流做为无功补偿电流的q轴分量的给定，与无功补偿电流的实际的q轴分量做PID调节。将两个电流PID调节的输出分别传输给uds和uqs做电流解親前馈控制，从而得到需要的Ud和Uq，根据旋转角度对其进行旋转反变换从而得到需要的U_Apha，U_Beta，从而对其进行SVPWM调制得到PWM波，用得到的PWM波来控制三相逆变器。
[0030]如图2所示图中的用于解耦控制的电感值、电流内环和电压外环的PID参数值、用于标么化处理的基准值以及直流侧电压的给定值，都是通过可编程逻辑单元内嵌的双端口BRAM中得到的，而BRAM中的这些值的内容，是通过总线从处理器系统传输得到的。
[0031]如图3所示，处理器系统嵌入了实时操作系统yC/OS-1I，yC/OS-1I是一个抢占式多任务的内核。图中显示了实时操作系统上的几个基本任务，其中:
启动任务，负责开启定时器来提供操作系统时钟滴答服务。
[0032]总线数据传输任务，负责与可编程逻辑单元进行通信，若数据是可编程逻辑端到处理器系统端，则将数据保存在循环缓冲区，若数据是从处理器系统端到可编程逻辑端，则数据保存在可编程逻辑单元的双端口 RAM当中。
[0033]缓冲区处理任务，总线数据传输任务将接受数据存放在循环缓冲区，在接收到一组数据后发信号量(POST)给缓冲区处理任务，缓冲区处理任务获得信号量，就绪后获得CPU进行数据处理。包括包括功率因数的计算、补偿后电流谐波的分析以及电压电流的有效值得计算。将处理结果存储到数组，并向显示任务和数据存取任务发信号量，接着请求信号量(PEND)而阻塞。
[0034]触摸信号检测任务，负责获得触摸控制位置，向液晶驱动任务发送触摸消息。
[0035]液晶驱动任务，负责创建显示更新任务，获取显示屏输入信息，想总线传输任务发送信息。
[0036]显示任务，显示任务一直处于等待状态，当接收到信号量后，将缓冲区处理任务的结果显示到液晶显示屏上。
[0037]数据存取任务，当接收到信号量后，将缓冲区处理任务的结果显示到液晶显示屏上。
[0038]如图4所示为在线修改参数流程图，图中表示当工作人员在触摸屏上修改参数值时，触摸信号检测任务得到信号量处于就绪态，得到CPU的使用权后，向液晶驱动任务发送信号量，液晶驱动任务得到信号量处于就绪态，得到CPU的使用权后，获取触摸屏输入的数据信息，当数据接收完毕后，向总线数据传输任务发送信号量，总线数据传输任务得到信号量后，将数据传输给可编程逻辑单元的双端口RAM当中，则当无功补偿控制算法需要数据时可以到双端口 RAM中去取。
[0039]以上仅是本发明装置结构的较佳实例，仅为说明本装置的基本结构和主要特点，并不能以此限制本发明的权利范围。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于FPGA可在线修改参数的静止无功发生器控制装置，其装置特征在于:以Zynq-7000为核心，触摸屏模块采用外设SPI与Zynq-7000相连，SD存储模块采用外设SD/SD1与Zynq-7000相连，串口通信模块采用外设UART与Zynq-7000相连，AD转换模块、保护动作模块和PffM模块与可编程逻辑用户引脚相连； 所述触摸屏模块，由液晶显示屏、驱动芯片和触摸信号A/D转换芯片组成，驱动芯片负责驱动显示屏以及通过SPI与Zynq-7000进行数据传输，触摸信号A/D转换芯片负责触摸信号的获取并通过SPI与Zynq-7000进行数据传输； 所述AD采样模块，由AD采样芯片和信号调理电路组成，信号调理电路将± 1V的电压通过两级运算放大器变换为土 2.5V的电压传输给AD采样芯片，AD采样芯片将模拟信号转换为数字信号通过Zynq-7000可编程用户引脚传输给Zynq-7000芯片； 所述Pmi模块由隔离电路和驱动电路组成，驱动电路采用反向驱动器，提高Zynq-7000芯片PffM输出的驱动能力，隔离电路采用光电耦合器，将IGBT驱动电路的故障反馈信号进行隔呙； 所述保护动作模块由继电器电路组成，当系统发生过流、过压和IGBT反馈故障时，Zynq-7000通过继电器电路进行保护动作； 所述SD存储模块由SD卡组成，Zynq-7000系列芯片支持SD和SD1宽范围的低功耗应用，无需再加外围电路； 所述的串口通信模块由RS-232电路组成，采用电平转换芯片对UART进行RS-232标准串口设计。2.—种基于FPGA可在线修改参数的静止无功发生器控制装置，其可在线修改参数的特征在于:其中ARM硬核控制程序采用C语言，并嵌入了实时操作系统，可编程逻辑单元采用Verilog HDL语言，并包括AMBA AXI 4总线规范IP核，用于处理器和可编程逻辑单元之间的互联，其中可在线修改的参数包括用于标么化的基准值、用于电压解耦控制的电感值和PID控制的参数值，其中标么化的基准值包括电压基准、电流基准和阻抗基准，PID控制的参数值包括电流内环PID参数值和电压外环PID参数值，用于电压解耦控制的电感值则为交流侧滤波电抗器的电感值； 所述的可在线修改参数的步骤是:工作人员通过触摸屏将需要的参数值输入到控制器ARM当中，ARM将得到的数据存储到SD卡当中，用于下次快速的启动，同时通过AXI总线将数据传输给可编程逻辑单元的块RAM当中，当需要时可直接从RAM中取出使用。
【文档编号】H02J3/18GK105896555SQ201610234817
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】蒯松岩, 衡凤平, 崔鑫, 赵帅, 孙文兵
【申请人】中国矿业大学