利用数字处理芯片TMS320F2812实现电压控制算法

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    Design of a Voltage Compensation Control Method Based on DSP
摘要：为了保证对电压质量要求较高的敏感负载正常工作，需要及时补偿供电系统的电压波动以维持用户电压稳定。根据这一目的提出一种快速电压补偿算法，该算法使控制电路能够迅速检测出电压波动并输出补偿信号。利用数字处理芯片TMS320F2812实现该算法，并进行了控制系统的相关设计。实验结果证明该算法以及采用的控制器能够快速检测出电压波动量，并驱动功率电路实现电压的及时补偿。
关键词：控制系统；电压补偿；DSP；数据处理

Abstract: Instant voltage compensation when the power grid sags is important to protecting the customer against collapse, especially those who suffers a lot from voltage instability. A fast compensation method has been proposed in this paper to detect voltage fluctuations and generate control signals. The realization of the control method and the hardware system is based on high quality digital processor TMS320F2812, which is fast enough to carry out instant computation. The experiment results show that the controller can quickly detect sags and drive the power electronic circuit to generate compensation voltage.  
Key words: Control system; Voltage compensation; DSP; Data processing



1 引言
电压质量是很多用户关心的问题，电压的波动会引起设备停机、损坏甚至造成生产事故，所以有必要保障供电质量的稳定性[1],[2]。目前采用电力电子设备构成快速电压补偿装置是一种大有前景的新技术，但要进行实时数据采集、处理并根据控制规律完成补偿功能，需要有准确快速的电压补偿算法及用于实现算法的高速数据处理芯片。本文根据上述要求，采用工业控制数字处理器TMS320F2812来实现一种简单准确的电压控制算法，并根据控制要求设计了具有实时响应能力的嵌入式控制系统。
2 算法原理


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变换后三相电压中的基波含量将转换为直轴电压 的直流分量，大小等于基波幅值 ，谐波及凹陷等畸变量表现为dq0三轴上的交变量，如果减去直轴的直流分量 ，等于在总电压中去掉了基波信号，那么剩下的便是全部畸变电压的总和，这样可直接确定补偿电压的参考值。减去直流分量的电压信号变为：



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3 基于DSP的控制算法实现
采用32位TMS320F2812芯片进行控制系统的软件实现。该芯片最大工作频率为150MHz，专门用于工业嵌入式控制系统设计，并拥有众多通信、存储以及12位精度A/D转换模块等外设，大大简化了控制系统设计工作。芯片采用哈佛总线结构，具有快速的实时数据处理能力，适合需要快速响应的应用场合[5]。
本文采用功能模块的方式来实现补偿算法，即将算法分解为实现特定功能的模块，通过这些模块构建整体的算法流程，根据这一思路设计电压控制流程如图1。



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完成特定功能的程序被设计成一个独立的模块，例如abc/dq0转换模块，主程序将根据需要进行调用。图中ADC驱动模块将数模转换信号调整为双极性数据，在单相系统中可令b、c两相电压为零。数据通过abc/dq0转换模块后，d轴电压信号将被减去参考信号 ，然后通过dq0/abc反变换模块，再经过单极性转换得到补偿参考信号，该信号刷新事件管理器中的CMPRx寄存器，以此得到电压调节功率电路的开关控制信号。当电压凹陷程度较小，未超出允许范围，控制系统将保持待机状态。
4 控制系统设计
控制系统设计包括硬件设计和软件设计，软件结构设计如图2。硬件设计包括信号调理、锁相设计、芯片设置以及控制信号的产生电路等，其中PLL相位信号和信号调理电路分别如图3、4所示。信号调理电路将传感器采集的电网电压调理成单极性信号，以适应芯片的AD采样要求，另外控制电路和电网需要进行光耦隔离，以保证控制器安全[6]。电网相位由CD4046以及CD4040锁定，CD4046完成相位同步功能；CD4040将工频256倍频信号，得到正弦表指针更新信号，该信号上升沿同时引发ADC电路进行一次数模转换。每当指针从0计数到256，将被归零，或者当工频完成一周期也将强迫指针归零，以保证同步坐标变换初始相位为零。PWM控制信号在事件管理器中产生，软件计算结果不断刷新CMPRx寄存器的值，并与事件管理器中定时器形成的三角载波比较，当两者产生匹配时产生一次PWM跳变，经过死区产生装置得到PWM控制脉冲。




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5 算法仿真及实验结果
采用图5所示电路进行单相电压补偿仿真及实验研究，以验证算法的正确性。




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仿真参数：电源相电压220V；系统电阻1Ω，系统电感1mH；电阻负载200Ω；变流器直流电压300V；载波频率3.6kHz。a相电压在0.03s"0.09s发生凹陷，有效值降至110V，并且有π/6的相位跳变。图6为仿真结果，从结果可以看出，补偿后的电压波形较好，基本能满足负载对电压的要求。


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实验电路的功率逆变单元为单相全桥电路，采用反并联二极管和IGBT作为开关元件，并通过DSP主控电路进行控制。监测电网电压以及负载电压，当凹陷产生时，功率单元开始工作。图7为采用本文算法时实际电路的电压补偿结果，上为负载电压，下为电源电压。



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通过实验结果可以看到当凹陷发生时，电压补偿算法及时地运算得到补偿参考信号，并通过驱动电路控制IGBT工作，使负载侧电压基本保持恒定，从而维持负载的正常工作。
6 结论
本文提出的电压补偿算法能够在电压不平衡凹陷情况下进行补偿工作。由于采用功能强大的DSP芯片，所以响应时间迅速，能够实时的补偿电压凹陷。经仿真及试验验证，该算法简单可靠，所设计的控制电路精度较好，具有较强的实用价值。

参考文献
[1].       N.H. Woodley, L. Morgan, and A. Sundaram, “Experience with an inverter-based dynamic voltage restorer,” IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 14, no. 3, pp. 1181-1186, 1999.
[2].       M. H. J. Bollen, Understanding Power Quality Problems: Voltage Sags and Interruptions. New York: IEEE Press, 1999.
[3].       孙驰，魏光辉，毕增军．基于同步坐标变换的三相不对称系统的无功与谐波电流的检测[J].中国电机工程学报,2003 Vol.23 No.12 :43-48.
[4].       胡学芝，周立求．全数字化三相电压型PWM整流器研究[J]．微计算机信息，2005，5：29-31.
[5].       Texas Instruments, TMS320F2812 Digital Signal Processor Data Manuel[Z]．2004,11.
[6].       张涛，马游春，张文栋．线性光耦HCNR201在正负电压测量上的应用[J]．微计算机信息，2007，2-2：297-298.



本文作者创新点: 本文提出的电压补偿算法能够在电压不平衡凹陷情况下进行补偿工作。由于采用功能强大的DSP芯片，所以响应时间迅速，能够实时的补偿电压凹陷。经仿真及试验验证，该算法简单可靠，所设计的控制电路精度较好。


作者简介:
汤德俊，（1978－ ），男（汉族），辽宁省大连市人，大连东软信息学院 计算机科学与技术系 副主任 ，讲师，硕士，主要从事计算机控制与应用研究

作者通讯地址： 辽宁省大连市软件园路8号  大连东软信息学院  计算机系教研室   汤德俊 （收）
邮编： 116023         E_mail：tangdejun@neusoft.edu.cn上一页  [1] [2]
         
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