基于dsp和cpld构架有源电力滤波器综合控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于DSP和CPLD构架有源电力滤波器综合控制系统，其信号通过信号预处理模块送入DSP和CPLD主控制器模块，DSP和CPLD主控制器模块中的各个部分通过20位地址总线以及16位数据总线进行数据交换，经过一系列计算后通过I/O控制接口模块以及光纤驱动模块来控制主电路中各个元件器工作，硬件保护模块用来实现系统故障保护，显示模块主要实现实时参数显示，本发明优点是：利用高速DSP实现各种复杂的检测控制算法，迅速计算出谐波电流并将其转化为高精度可控PWM信号完成三相桥式电路中六个开关管的控制；一方面提升了控制能力，另一方面提供逻辑译码信号协调控制系统中其他器件正常工作。
【专利说明】
基于DSP和CPLD构架有源电力滤波器综合控制系统
技术领域
[0001]本发明涉及电力综合控制系统的技术领域，更具体地说是涉及有源电力滤波器综合控制系统的技术领域。
【背景技术】
[0002]随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，电力电子设备广泛的应用于工业生产领域。现代用电负荷结构发生了质的变化，各种非线性和时变性用电设备如逆变器、整流器、炼钢电弧炉和乳钢机等的接入，对电能质量造成其日益明显的负面效应。据2008年11月欧盟电能质量调查报告显示，仅在欧洲每年因电能质量和电器污染引起的经济损失就高达1500亿美元。虽然国内目前还未见围绕电能质量问题而展开的调查，但是可以预见的是，电能质量直接关系到国民经济的总体效益，如何提高电能质量已成为一个急迫解决的重要课题。
[0003]有源电力滤波器作为一种新型的电力电子装置，不仅能对电力系统谐波进行有效地抑制，还在一定程度上兼有无功功率动态补偿的功能。其控制装置的优劣决定了整个系统的性能指标和补偿效果。随着数字信号处理技术的发展和成熟，利用全数字化控制技术来改善控制系统性能也得到了越来越多的认可。有源电力滤波器的特征要求快速、无静差的跟踪上谐波信号，决定了其对控制的实时性要求非常高，控制系统必须能实时检测出负载电流中包含的谐波/无功分量，利用生成的指令电流实时地控制主电路逆变部分的输出，达到动态补偿电网谐波/无功电流的目的。然而传统的控制系统普遍存在运行速度较慢，采样精度不高，跟踪性能不好等特点。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是克服传统控制系统的技术缺陷，提供一种基于高速DSP数字信号处理器和CPLD复杂可编程逻辑器件为构架的有源电力滤波器综合控制系统，该综合控制系统不仅能实现高精度的信号采样，还能通过先进的数字信号处理算法以及现代控制理论实现实时的谐波分离与补偿跟踪，实现有源电力滤波器的可靠运行。
[0005]本发明是通过以下技术方案来实现上述技术缺陷:基于DSP和CPLD构架有源电力滤波器综合控制系统，其主要包括6个基本模块:信号预处理模块、硬件保护模块、I/O控制接口模块、光纤驱动模块、显示模块、DSP和CPLD主控制器模块，其中信号通过信号预处理模块送入DSP和CPLD主控制器模块，DSP和CPLD主控制器模块中的各个部分通过20位地址总线以及16位数据总线进行数据交换，经过一系列计算后通过I/O控制接口模块以及光纤驱动模块来控制主电路中各个元件器工作，硬件保护模块用来实现系统故障保护，显示模块主要实现实时参数显示。
[0006]所述信号预处理模块分别对源侧电压负载电流、补偿电流、直流电压输入电流信号进行电阻取样，并将该取样信号送入抗混叠滤波器，经限幅处理后送入A/D芯片，同时信号预处理模块还将提取源侧电压的相位方波信号，并将此相位方波信号送入DSP软件锁相环中得到倍频信号控制A/D的同步采样。
[0007]所述系统中的保护对象包括直流侧电压的欠压/过压状态和补偿电流的过流状态，本系统中设置两套保护:一套为软件保护，由软件实时计算得到；另一套为硬件保护，采用传统的保护电路实现；硬件保护模块电路抽取传感器的信号，经过滤波后与参考量同时送入滞环比较电路，得到一组保护状态信号，并将信号送入CPLD锁存。
[0008]所述I/O控制模块主要用于输入/输出的开关量信号控制，对继电器、状态灯以及蜂鸣器，根据实时运行状态对其进行有效的控制。
[0009]所述光纤驱动模块将DSP和CPLD主控制器模块产生的PffM电信号转换为光信号，极大提高了控制信号在恶劣的电磁干扰环境下的抗干扰能力。
[0010]所述显示模块为有源电力滤波器提供友好的人机界面，使其调控能力更加灵活，显示模块包含一个单片机stcl2c5a60s2模块与RS232模块组成，DSP将数据送入单片机，经过数据打包加帧后经RS232模块与智能液晶模块进行通讯，控制其显示系统状态、实时波形以及频谱分析结果界面。
[0011]本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果在于:
1、利用高速DSP实现各种复杂的检测控制算法，迅速计算出谐波电流并将其转化为高精度可控PWM信号完成三相桥式电路中六个开关管的控制；
2、利用CPLD作为控制I/O口扩展以及逻辑信号处理，一方面提升了本发明的控制能力，另一方面提供逻辑译码信号协调控制系统中其他器件正常工作；
3、控制板与开关管之间采用光纤连接，实现了PffM信号的光电隔离，直接避免了嘲杂环境下的电磁干扰，极大的增强的系统运行的稳定性和可靠性；
4、控制系统专门设置一个单片机作为信号通讯中转，分别采用高速SPI与低速SCI同DSP和外部HMI触摸液晶屏相连，极大的减轻了 DSP系统进行通讯时的CPU的负担。
【附图说明】
[0012]图1是本发明的整体模块示意图；
图2是本发明中DSP和CPLD主控制器模块示意图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述:
如图1所示，本发明基于DSP和CPLD构架有源电力滤波器综合控制系统，其主要包括6个基本模块:信号预处理模块1、硬件保护模块2、DSP和CPLD主控制器模块3、I/O控制接口模块4、光纤驱动模块5和显示模块6，
如图1所示，待检测的模拟信号从现场传感器通过DB9标准接插件输出，利用带屏蔽电缆将各路模拟信号输入到信号预处理模块1，信号预处理模块I中包括高精度电阻采样、由双极性TVS管组成的限幅环节、由高精度高压摆率运放组成的二阶压控滤波器，现场传感器输出的4~20mA模拟信号通过高精度电阻转化成对应的电压信号，通过TVS管限幅以保护后续电路，该电压信号通过抗混叠滤波器滤除高频干扰，并输入给DSP和CPLD主控制器模块3，
如图1所示，DSP和CPLD主控制器模块3中包含两个片外并行双极性ADC，该片外并行双极性ADC同时支持内部参考电压基准和外部参考电压基准，通过DSP和CPLD的控制信号使能同步采样转换，片外并行双极性ADOC的转换结果由地址总线直接输入DSP和CPLD主控制器模块3进行后续算法处理，
如图1所示，硬件保护模块2作为一种模拟方式保护，其快速性和可靠性是软件保护所不具备的，硬件保护模块2提供过流、过压、欠压等重要故障保护，具体思路是通过运放进行模拟电平变换，并将该变换结果送入一个高速比较器，整定保护阀值由电位器灵活提供，当某一时刻模拟信号超过了保护阀值的上下限，高速比较器输出一个电平并将其锁存用于硬件封锁PWM输出以及告知用户故障信号，
如图1所示，I/O控制接口模块4用于输入/输出的开关量信号控制，由DSP和CPLD主控制器模块3输出的信号经过光耦隔离、驱动放大、限流、电平转换等电路输出，值得注意的是开光量输出控制信号带载能力有限，若是需要控制大功率负载还需要配置一套适合的驱动电路，由外部输入的开光量控制信号也经过光耦隔离、驱动放大、限流、电平转换等电路输入至DSP和CPLD主控制器模块3，
如图1所示，光纤驱动模块5是DSP和CPLD主控制器模块3的核心控制部分，光纤的高速传输以及极强的抗干扰特性为PWM信号的输出提供了有力保障，由DSP输出的PffM信号通过电平转换芯片以及光纤隔离驱动信号送入光纤输出接插头，以光的形式在光纤介质中传输给另一侧驱动控制电路，
如图1所示，显示模块6是本发明中人机交互的核心，显示模块6由一个专用的单片机驱动，具体过程是DSP和CPLD主控制器模块3通过高速SPI通讯将数据实时的传送给MCU，MCU将接收的数据打包并加入帧头帧尾配合触摸液晶屏的协议通过SCI通讯驱动该触摸液晶屏，
如图2所示，DSP和CPLD主控制器模块3的示意图主要包括CPLD及外围器件模块、ADC以及外围模块、外扩模块、铁电存储模块、DSP及外围器件模块，该DSP和CPLD主控制器模块3采用20位地址总线和16位数据总线进行各个部分的数据交换，所有的模拟信号必须通过ADC以及外围模块转换为数字信号才能进行数据算法处理，其中ADC以及外围模块的使能信号由CPLD及外围器件模块译码得到，ADC以及外围模块的时序要求全部由CPLD及外围器件模块进行处理，ADC以及外围模块的转换结果由16位数据总线进行传输，对于DSP及外围器件模块而言，这种设计提升了整个控制系统的灵活操作能力。
[0014]如图2所示，外扩模块利用20根地址总线和16根数据总线与DSP及外围器件模块进行数据交换，外扩模块中的RAM和FLASH提升了 DSP计算变量复杂度以及代码存储功能，为整个控制系统提供良好的扩展性。
[0015]如图2所示，铁电存储模块通过两根总线SCL以及SDA与DSP交换数据，因为铁电存储器的非易失性，常常利用铁电存储模块存放运行过程中的重要参数。铁电存储模块还内置一个实时时钟，方便运行过程中的生成实时状态报告。
[0016]如图2所示，CPLD及外围器件模块在基于总线的数据交换中起着译码作用，通过16位地址总线和8位数据总线进行译码，译码的信号直接作用于ADC以及外围模块以及外扩模块，有效避免了总线上的数据冲突以及时序紊乱。同时，CPLD及外围器件模块还可以作为可编程逻辑控制扩展I/O 口，增强本发明控制系统的控制能力。
[0017]本发明采用了基于DSP和CPLD构架展开的数字综合控制系统，该综合控制系统集成了高精度同步采样、高速算法实现、高扩展性等功能，同时专门配置了光纤传输抗干扰优化以及易于操控的基于触摸液晶屏的显示模块，无论是整体控制性能还是友好的人机操作性上都较传统控制系统有了很大程度的提升。
【主权项】
1.基于DSP和CPLD构架有源电力滤波器综合控制系统，其特征在于:其主要包括6个基本模块:信号预处理模块、硬件保护模块、I/O控制接口模块、光纤驱动模块、显示模块、DSP和CPLD主控制器模块，其中信号通过信号预处理模块送入DSP和CPLD主控制器模块，DSP和CPLD主控制器模块中的各个部分通过20位地址总线以及16位数据总线进行数据交换，经过一系列计算后通过I/O控制接口模块以及光纤驱动模块来控制主电路中各个元件器工作，硬件保护模块用来实现系统故障保护，显示模块主要实现实时参数显示。2.根据权利要求1所述的基于DSP和CPLD构架有源电力滤波器综合控制系统，其特征在于:所述信号预处理模块分别对源侧电压负载电流、补偿电流、直流电压输入电流信号进行电阻取样，并将该取样信号送入抗混叠滤波器，经限幅处理后送入A/D芯片，同时信号预处理模块还将提取源侧电压的相位方波信号，并将此相位方波信号送入DSP软件锁相环中得到倍频信号控制A/D的同步采样。3.根据权利要求1所述的基于DSP和CPLD构架有源电力滤波器综合控制系统，其特征在于:所述系统中的保护对象包括直流侧电压的欠压/过压状态和补偿电流的过流状态，本系统中设置两套保护:一套为软件保护，由软件实时计算得到；另一套为硬件保护，采用传统的保护电路实现；硬件保护模块电路抽取传感器的信号，经过滤波后与参考量同时送入滞环比较电路，得到一组保护状态信号，并将信号送入CPLD锁存。4.根据权利要求1所述的基于DSP和CPLD构架有源电力滤波器综合控制系统，其特征在于:所述I/O控制模块主要用于输入/输出的开关量信号控制，对继电器、状态灯以及蜂鸣器，根据实时运行状态对其进行有效的控制。5.根据权利要求1所述的基于DSP和CPLD构架有源电力滤波器综合控制系统，其特征在于:所述光纤驱动模块将DSP和CPLD主控制器模块产生的PffM电信号转换为光信号，极大提高了控制信号在恶劣的电磁干扰环境下的抗干扰能力。6.根据权利要求1所述的基于DSP和CPLD构架有源电力滤波器综合控制系统，其特征在于:所述显示模块为有源电力滤波器提供友好的人机界面，使其调控能力更加灵活，显示模块包含一个单片机stcl2c5a60s2模块与RS232模块组成，DSP将数据送入单片机，经过数据打包加帧后经RS232模块与智能液晶模块进行通讯，控制其显示系统状态、实时波形以及频谱分析结果界面。
【文档编号】H02J3/18GK105990836SQ201510314964
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年6月11日
【发明人】罗皓文, 严文洁, 罗军, 易健雄, 刘黎
【申请人】国网湖北省电力公司荆门供电公司, 国家电网公司