Design of a Voltage Compensation Control Method Based on DSP
摘要：為了保證對電壓質(zhì)量要求較高的敏感負(fù)載正常工作，需要及時(shí)補(bǔ)償供電系統(tǒng)的電壓波動(dòng)以維持用戶電壓穩(wěn)定。根據(jù)這一目的提出一種快速電壓補(bǔ)償算法，該算法使控制電路能夠迅速檢測出電壓波動(dòng)并輸出補(bǔ)償信號(hào)。利用數(shù)字處理芯片TMS320F2812實(shí)現(xiàn)該算法，并進(jìn)行了控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該算法以及采用的控制器能夠快速檢測出電壓波動(dòng)量，并驅(qū)動(dòng)功率電路實(shí)現(xiàn)電壓的及時(shí)補(bǔ)償。
關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；電壓補(bǔ)償；DSP；數(shù)據(jù)處理
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
電壓質(zhì)量是很多用戶關(guān)心的問題，電壓的波動(dòng)會(huì)引起設(shè)備停機(jī)、損壞甚至造成生產(chǎn)事故，所以有必要保障供電質(zhì)量的穩(wěn)定性[1],[2]。目前采用電力電子設(shè)備構(gòu)成快速電壓補(bǔ)償裝置是一種大有前景的新技術(shù)，但要進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理并根據(jù)控制規(guī)律完成補(bǔ)償功能，需要有準(zhǔn)確快速的電壓補(bǔ)償算法及用于實(shí)現(xiàn)算法的高速數(shù)據(jù)處理芯片。本文根據(jù)上述要求，采用工業(yè)控制數(shù)字處理器TMS320F2812來實(shí)現(xiàn)一種簡單準(zhǔn)確的電壓控制算法，并根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)了具有實(shí)時(shí)響應(yīng)能力的嵌入式控制系統(tǒng)。
2 算法原理
變換后三相電壓中的基波含量將轉(zhuǎn)換為直軸電壓 的直流分量，大小等于基波幅值 ，諧波及凹陷等畸變量表現(xiàn)為dq0三軸上的交變量，如果減去直軸的直流分量 ，等于在總電壓中去掉了基波信號(hào)，那么剩下的便是全部畸變電壓的總和，這樣可直接確定補(bǔ)償電壓的參考值。減去直流分量的電壓信號(hào)變?yōu)椋?/font>
3 基于DSP的控制算法實(shí)現(xiàn)
采用32位TMS320F2812芯片進(jìn)行控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)。該芯片最大工作頻率為150MHz，專門用于工業(yè)嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并擁有眾多通信、存儲(chǔ)以及12位精度A/D轉(zhuǎn)換模塊等外設(shè)，大大簡化了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。芯片采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有快速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力，適合需要快速響應(yīng)的應(yīng)用場合[5]。
本文采用功能模塊的方式來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償算法，即將算法分解為實(shí)現(xiàn)特定功能的模塊，通過這些模塊構(gòu)建整體的算法流程，根據(jù)這一思路設(shè)計(jì)電壓控制流程如圖1。
完成特定功能的程序被設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的模塊，例如abc/dq0轉(zhuǎn)換模塊，主程序?qū)⒏鶕?jù)需要進(jìn)行調(diào)用。圖中ADC驅(qū)動(dòng)模塊將數(shù)模轉(zhuǎn)換信號(hào)調(diào)整為雙極性數(shù)據(jù)，在單相系統(tǒng)中可令b、c兩相電壓為零。數(shù)據(jù)通過abc/dq0轉(zhuǎn)換模塊后，d軸電壓信號(hào)將被減去參考信號(hào) ，然后通過dq0/abc反變換模塊，再經(jīng)過單極性轉(zhuǎn)換得到補(bǔ)償參考信號(hào)，該信號(hào)刷新事件管理器中的CMPRx寄存器，以此得到電壓調(diào)節(jié)功率電路的開關(guān)控制信號(hào)。當(dāng)電壓凹陷程度較小，未超出允許范圍，控制系統(tǒng)將保持待機(jī)狀態(tài)。
4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2。硬件設(shè)計(jì)包括信號(hào)調(diào)理、鎖相設(shè)計(jì)、芯片設(shè)置以及控制信號(hào)的產(chǎn)生電路等，其中PLL相位信號(hào)和信號(hào)調(diào)理電路分別如圖3、4所示。信號(hào)調(diào)理電路將傳感器采集的電網(wǎng)電壓調(diào)理成單極性信號(hào)，以適應(yīng)芯片的AD采樣要求，另外控制電路和電網(wǎng)需要進(jìn)行光耦隔離，以保證控制器安全[6]。電網(wǎng)相位由CD4046以及CD4040鎖定，CD4046完成相位同步功能；CD4040將工頻256倍頻信號(hào)，得到正弦表指針更新信號(hào)，該信號(hào)上升沿同時(shí)引發(fā)ADC電路進(jìn)行一次數(shù)模轉(zhuǎn)換。每當(dāng)指針從0計(jì)數(shù)到256，將被歸零，或者當(dāng)工頻完成一周期也將強(qiáng)迫指針歸零，以保證同步坐標(biāo)變換初始相位為零。PWM控制信號(hào)在事件管理器中產(chǎn)生，軟件計(jì)算結(jié)果不斷刷新CMPRx寄存器的值，并與事件管理器中定時(shí)器形成的三角載波比較，當(dāng)兩者產(chǎn)生匹配時(shí)產(chǎn)生一次PWM跳變，經(jīng)過死區(qū)產(chǎn)生裝置得到PWM控制脈沖。
