基于DSP的SVC控制模塊設(shè)計(jì)

吳 駿，程增艷

（中船重工七二二研究所 湖北 武漢 430079）

DSP控制板是SVC控制器的核心，它需要采集系統(tǒng)電壓、電流等物理量，由數(shù)據(jù)處理軟件根據(jù)這些物理量的值計(jì)算出控制所需要的信號(hào)，由控制算法軟件計(jì)算出控制量，并以開關(guān)（數(shù)字）信號(hào)或者模擬信號(hào)的形式輸出給后邊的執(zhí)行器。DSP控制板的任務(wù)是輸出TCR的控制角電壓給TCR和TSC的觸發(fā)電路。因此，控制板上除了所選用的DSP芯片和必要的存儲(chǔ)器外，還要具備足夠的A/D輸入、D/A輸出、開關(guān)量輸出通道等外圍電路[1]。

1 DSP控制模塊設(shè)計(jì)

1.1 DSP控制模塊組成結(jié)構(gòu)

根據(jù)TCR型SVC控制器的任務(wù)要求，SVC控制板的CPU采用TI公司的TMS320F28335。外圍還有可編程邏輯陣列XC95144TQ144，6路12位D/A輸出，16路光耦隔離開關(guān)量輸入，16路開關(guān)量輸出，64kSRAM，3路過零檢測(cè)，RS232和RS485異步串行通信接口，網(wǎng)口，CAN總線等。板上還具有看門狗和電源監(jiān)測(cè)電路，增強(qiáng)了控制器的容錯(cuò)功能。

TMS320F28335芯片是目前為止用于數(shù)字控制領(lǐng)域性能最好的DSP芯片之一，最高主頻可達(dá)150 MHz，可滿足高速實(shí)時(shí)控制任務(wù)的需要。此外，由TMS320F28335芯片實(shí)現(xiàn)的SVC控制器具有集成度高、所需外擴(kuò)資源最小的特點(diǎn)，這樣必將大大降低成本和提高系統(tǒng)可靠性。基于TMS320F28335的SVC控制器板的硬件框圖如圖1所示[2]。

圖1 控制板硬件原理框圖Fig.1 Hardware block diagram of control panel

為了使整個(gè)控制系統(tǒng)具有高可靠性，除了采用高可靠的元件、注意電磁兼容的設(shè)計(jì)要求外，還采用自檢與容錯(cuò)技術(shù)。DSP內(nèi)置看門狗、以及獨(dú)立的電源監(jiān)測(cè)電路，大大增強(qiáng)了控制器容錯(cuò)的功能。本該系統(tǒng)中，利用片內(nèi)128 kB×16位的Flash存儲(chǔ)器作為程序存儲(chǔ)器，片內(nèi)18 kB×16位的靜態(tài)存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，另擴(kuò)展了兩片IS61LV25616AL-10TI靜態(tài)存儲(chǔ)器以作為數(shù)據(jù)記錄用。擴(kuò)展了一串行EEPROM，用于存放設(shè)置的控制參數(shù)。此外，還利用DSP的GPIO口擴(kuò)展了16路隔離的開關(guān)量輸入口，16路隔離的開關(guān)量輸出口[3-4]。兩路串行接口，均可設(shè)置為RS-232或RS-485模式，1路CAN接口。3路系統(tǒng)相電壓、3路系統(tǒng)相電流和3路TCR相電流經(jīng)隔離濾波后送ADC，通過交流采樣計(jì)算其有效值的大小，以及計(jì)算瞬時(shí)有功電流與瞬時(shí)無功電流。此外，3路系統(tǒng)電壓經(jīng)過整形后，變成3路方波信號(hào)，分別送至DSP的中斷口，作為同步信號(hào)，用于完成對(duì)晶閘管的移相觸發(fā)。并完成對(duì)交流信號(hào)頻率（周期）的測(cè)量，通過軟件分頻，使采樣頻率與交流信號(hào)的頻率同步。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 開關(guān)量輸入輸出電路

開關(guān)量輸入輸出電路負(fù)責(zé)采集外圍的數(shù)字信號(hào)，并輸出跳閘、報(bào)警等信號(hào)；DSP通過開關(guān)量輸入電路及板上的RS485接口獲取控制命令，在不同的控制模式下對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，產(chǎn)生高精度的觸發(fā)脈沖，并將脈沖由電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，輸出給觸發(fā)板，控制晶閘管的開通。同時(shí)接收觸發(fā)板反饋的元件狀態(tài)信號(hào)，并結(jié)合各采集量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷；開關(guān)量輸入、輸出電路分別如圖2和3所示。

圖2 開關(guān)量輸入電路Fig.2 Switch input circuit

圖3 開關(guān)量輸出電路Fig.3 Switch output circuit

6N137為光耦合器，使前端與負(fù)載完全隔離，在于增加安全性，減少電路干擾。

SN75451為功率驅(qū)動(dòng)器，增強(qiáng)開關(guān)量的驅(qū)動(dòng)能力。

1.2.2 模擬量輸入電路

模擬量輸入電路SVC與系統(tǒng)連接點(diǎn)的電壓、電流和TCR閥組電流等模擬信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換；檢測(cè)量經(jīng)過各自互感器后變成了弱電信號(hào)，經(jīng)隔離、濾波、放大、調(diào)理送到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（AD轉(zhuǎn)換器），經(jīng)過轉(zhuǎn)換存入存儲(chǔ)器中。然后由DSP完成數(shù)字信號(hào)處理工作。本設(shè)計(jì)采用的AD芯片是AD7656。

如圖4所示，AD7656輸入6路模擬信號(hào)，經(jīng)過CPLD處理過的ADCONV信號(hào)與AD7656的CONVST引腳連接，AD7656的BUSY信號(hào)經(jīng)過CPLD后，再送到DSP芯片。這樣，首先由DSP芯片控制AD芯片的轉(zhuǎn)換頻率，置ADCONV信號(hào)高電平，啟動(dòng)AD芯片，DSP不斷檢測(cè)BUSY信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到BUSY信號(hào)為低電平時(shí)，就依次從數(shù)據(jù)總線上讀取六路轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)[5]。

圖4 模擬量輸入電路Fig.4 Analog input circuit

1.2.3 模擬量輸出電路

本設(shè)計(jì)采用兩片DAC7724實(shí)現(xiàn)8路模擬量輸出。電路如圖5所示[6]。

圖5 模擬量輸出電路Fig.5 Analog output circuit

1.2.4 通訊接口電路

CAN總線是一種串行通信協(xié)議，具有較高的通信速率和較強(qiáng)的抗干擾能力，本設(shè)計(jì)使用SN65HVD235電平轉(zhuǎn)換器件，實(shí)現(xiàn)不同電平節(jié)點(diǎn)的完全兼容。

本設(shè)計(jì)使用RTL8019AS實(shí)現(xiàn)網(wǎng)口通訊，方便控制模塊與上位機(jī)通訊。

設(shè)計(jì)中使用兩片MAX3378擴(kuò)展了兩路串口。

1.3 控制器軟件設(shè)計(jì)

本控制器立足實(shí)際，為確保工程上的可靠實(shí)現(xiàn)，其軟件的設(shè)計(jì)力求簡單可靠，確保實(shí)現(xiàn)SVC的主要基本功能。軟件程序模塊分過零觸發(fā)程序模塊、采樣子程序模塊及有功無功功率因數(shù)的計(jì)算子程序模塊等。程序按結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，采用C語言編寫，不但使得程序編寫修改起來方便，而且使得讀者更易理解，大大地縮短了該系統(tǒng)軟件的開發(fā)周期，同時(shí)也使得該系統(tǒng)軟件的實(shí)用性更強(qiáng)[7]。

2 結(jié) 論

筆者立足實(shí)際，是對(duì)SVC控制模塊進(jìn)行研究，文中詳細(xì)介紹了SVC主電路的設(shè)計(jì)，開發(fā)了基于TMS320F28335的控制系統(tǒng)，給出了設(shè)計(jì)參數(shù)和具體電路，對(duì)類似應(yīng)用具有較大的參考價(jià)值。文中所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)型靜止無功補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、控制精度高、調(diào)節(jié)時(shí)間短，實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)有效精確跟蹤負(fù)荷的無功功率動(dòng)態(tài)變化并且做出相應(yīng)補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

[1]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子裝置諧波抑制及無功補(bǔ)償技術(shù)的進(jìn)展[J].電力電子技術(shù)，1997，2（1）：102-106.WANG Zhao-an，LIU Jin-jun.Advances of harmonic suppression and reactive power compensation technique for power electronic equipment[J].Power Electronics，1997，2（1）:102-106.

[2]楊綠溪.現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[3]雷曉瑜，曹廣忠.TMS320F28335及其最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（1）:91-92，95.LEI Xiao-yu，CAO Guang-zhong.Design of TMS320F28335 and its minimum application system[J]. Electronic Design Engineering，2009，17（1）:91-92，95.

[4]Texas Instruments.TMS320F28335/TMS320F28334/TMS320 F28332 Digital Controllers Data Sheet[EB/OL].（2007）.http://www.ti.com.

[5]ANALOG.AD7656 Data Sheet[EB/OL].（2005）.http://www.analog.com.

[6]ANALOG.AD7724 Data Sheet[EB/OL]. （2005）.http://www.analog.com.

[7]朱金奇.TCR+FC型SVC原理及應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2007（3）:57-58.ZHU Jin-qi.The basic principle and application of FCR+FC type SVC[J].Electric Drive Automation，2007（3）：57-58.