CN103269073A - 一种基于dsp和fpga的apf控制器 - Google Patents

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潘本仁
邓才波
范瑞祥
孙旻
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State Grid Corp of China SGCC
State Grid Jiangxi Electric Power Co Ltd
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State Grid Corp of China SGCC
State Grid Jiangxi Electric Power Co Ltd
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    • Y02E40/20—Active power filtering [APF]

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Abstract

一种基于DSP和FPGA的APF控制器，它由信号调理模块、AD采样模块、FPGA各次谐波计算模块、DSP控制模块及附属部分电路构成，其特征在于信号调理模块和AD采样模块均通过AD控制器与FPGA各次谐波计算模块接口连接；FPGA各次谐波计算模块通过数据总线方式与DSP控制模块进行接口连接；附属部分电路中过零信号接FPGA各次谐波计算模块的I/O端口，附属部分电路中的驱动和保护电路接DSP控制模块的I/O端口；本发明通过对FPGA及DSP的合理分工，最大限度提高了计算控制流程的速度和数据的精度，谐波治理效果好，稳定性和可扩展性都得到了明显的提高。它能够更加快速精确实现多次谐波的分频检测和分频治理,适用于需要对各次谐波进行单独精确治理的APF应用场合。

Description

一种基于DSP和FPGA的APF控制器
技术领域
本发明涉及一种电能质量治理装置技术领域，尤其涉及一种基于DSP和FPGA的APF控制器。
背景技术
 有源滤波器（Active Power Filter，简称APF）的控制器，是低压动态谐波治理的理想装置，也是其他混合型和注入式有源滤波器的基础装置，是现阶段研究的热点。APF的主要原理是通过检测负载中的谐波电流指令，然后通过逆变器输出与谐波电流指令相位相差180°的电流以抵消其对电网的影响。因此APF控制器需要检测电网及自身多路信号，数据量和计算量都比较大，精度和处理速度要求高，其控制器的性能直接影响着APF对负载谐波的治理效果。传统控制器一般采用单个DSP结构，既要进行数据采样，计算多次谐波指令信号并处理电流跟踪控制算法，任务量过重导致数据处理的精度及实时性受到限制，治理效果也相应受到影响。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种一种基于DSP和FPGA的APF控制器，它具有谐波治理效果好和稳定可靠的优点。
本发明是这样来实现的，它由信号调理模块、AD采样模块、FPGA各次谐波计算模块、DSP控制模块及附属部分电路构成；信号调理模块和AD采样模块均通过AD控制器与FPGA各次谐波计算模块接口连接；FPGA各次谐波计算模块通过数据总线方式与DSP控制模块进行接口连接；附属部分电路中过零信号接FPGA各次谐波计算模块的I/O端口，附属部分电路中的驱动和保护电路接DSP控制模块的I/O端口；所述信号调理模块和AD采样模块包括对三相负载电流、电网三相电压、逆变器输出三相电流及逆变器直流侧电压的采集。所述的FPGA各次谐波计算模块是通过从AD采样模块获得负载三相电流并利用改进ip-iq算法计算多次谐波电流指令；所述的DSP控制模块采用哈佛总线结构，综合从FPGA获得的各次谐波指令并叠加逆变器直流侧稳定所需有功电流指令，通过电流跟踪算法获得控制三相逆变桥所需要的PWM脉冲信号；所述的附属电路部分具有APF控制的基本功能。
本发明的技术效果是：本发明通过对FPGA及DSP的合理分工，最大限度提高了计算控制流程的速度和数据的精度，谐波治理效果好，稳定性和可扩展性都得到了明显的提高。
附图说明
图1为本发明的结构方框图。
具体实施方式
如图1所示，由于DSP控制模块的DSP芯片采用改进的哈佛总线结构，快速的中断处理和硬件I/O支持，集成了丰富的外设模块，具有很强的控制性能；而FPGA各次谐波计算模块运算速度快，适合于对算法精度和速度要求较高的场合。结合两者在性能上的优势合理分配控制和数据处理任务，能够有效解决上述矛盾，提升APF的治理效果。信号调理模块和AD采样模块主要对APF需要的负载电流、电网电压、逆变器输出电流及逆变器直流侧电压信号进行调理，并将调理之后的模拟信号接入到AD芯片,通过数模转换得到需要的信号的数字量。FPGA内各次谐波指令计算模块主要对采样得到的数字信号通过改进的ip-iq算法获得各次谐波电流以作为APF输出谐波电流的参考指令；DSP控制模块主要进行直流侧稳压、谐波电流跟踪控制以及PWM的调制工作；附属电路主要完成APF控制的其他功能。
本发明实施是这样的，本实施方式信号调理模块及AD采样模块由信号调理电路和模数芯片AD7656构成。信号经过采样电阻（电压信号直接接入），高频毛刺滤波电路，信号经放大电路后再进入AD7656模拟通道。AD7656是6路16位双极性AD转换芯片，内置采样保持器。APF需要的10路信号通过同时启动两片AD7656转换成数字信号，并可通过总线方式从AD7656内部的堆栈中读取。
    本实施方式FPGA各次谐波计算模块采用CycloneII核心，内嵌乘法器和丰富IO接口，具有8MByte的SDRAM和8MByte的Flash存储器，具有两个50Mhz有源时钟，并可通过倍频提高数据处理速度。在该模块内主要是对负载电流的三路信号进行改进ip-iq算法，其中包括正变换、数字低通滤波和反变换三个过程。如果需要检测多次谐波，则需要在FPGA各次谐波计算模块内植入多个谐波检测算法。检测谐波次数越多，其优势越明显。FPGA计算得到多次谐波的数据后，存入特定区域，DSP通过总线方式获得这些谐波指令以供控制使用。
本实施方式DSP控制模块控制核心采用TI公司TMS320F2812具有32位高新能CPU，快速的中断处理流程，集成丰富外设资源，特别是事件管理器的比较PWM输出特别适合于三相逆变桥的控制，广泛应用于电机和电能质量治理装置的控制。由FPGA得到的各次谐波指令通过DSP的综合并叠加稳定逆变器直流侧所需的基波有功电流指令得到总的逆变器输出电流指令，经过一定的电流跟踪控制算法得到三相逆变桥所需的PWM控制脉冲实现逆变器输出跟踪指令电流对电网谐波进行治理。
除此之外，本实施方式控制器还包括过零检测电路、驱动和保护电路以实现APF全部功能。过零检测电路主要为获得电网电压同步信号，也即输出的电流相位基准。驱动电路针对三相逆变桥的开关器件，而保护电路主要对逆变器直流侧过压、逆变器输出过流和开关器件的过压过流过温进行保护，实现装置的稳定可靠运行。

Claims (5)

1.一种基于DSP和FPGA的APF控制器，它由信号调理模块、AD采样模块、FPGA各次谐波计算模块、DSP控制模块及附属部分电路构成，其特征在于信号调理模块和AD采样模块均通过AD控制器与FPGA各次谐波计算模块接口连接；FPGA各次谐波计算模块通过数据总线方式与DSP控制模块进行接口连接；附属部分电路中过零信号接FPGA各次谐波计算模块的I/O端口，附属部分电路中的驱动和保护电路接DSP控制模块的I/O端口。
2.如权利要求1所述的一种基于DSP和FPGA的APF控制器，其特征在于所述信号调理模块和AD采样模块包括对三相负载电流、电网三相电压、逆变器输出三相电流及逆变器直流侧电压的采集。
3.如权利要求1所述的一种基于DSP和FPGA的APF控制器，其特征在于所述的FPGA各次谐波计算模块是通过从AD采样模块获得负载三相电流并利用改进ip-iq算法计算多次谐波电流指令。
4.如权利要求1所述的一种基于DSP和FPGA的APF控制器，其特征在于所述的DSP控制模块采用哈佛总线结构，综合从FPGA获得的各次谐波指令并叠加逆变器直流侧稳定所需有功电流指令，通过电流跟踪算法获得控制三相逆变桥所需要的PWM脉冲信号。
5.如权利要求1所述的一种基于DSP和FPGA的APF控制器，其特征在于所述的附属电路部分具有APF控制的基本功能。
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