CN1901338A

CN1901338A - 背靠背结构电压型变流装置的双脉冲宽度调制控制器

Info

Publication number: CN1901338A
Application number: CN 200610017005
Authority: CN
Inventors: 严干贵; 陈涛; 穆钢; 刘文华; 李军徽
Original assignee: Northeast Dianli University
Current assignee: Northeast Electric Power University
Priority date: 2006-07-03
Filing date: 2006-07-03
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2026-07-03
Also published as: CN100405715C

Abstract

一种背靠背结构电压型变流装置的双脉冲宽度调制控制器，其特点是：它包括由两套结构相同的数字信号处理器电路、现场可编程门阵列电路，同步单元电路，模数A/D转换调理电路，过压、过流调理电路，串口通信电路，故障、状态指示电路和控制电源电路组成。数字信号处理器电路的数字信号处理器DSP用来模数转换、上层控制算法、底层控制中脉冲宽度调制脉冲生成及串口通信控制；数字信号处理器电路与现场可编程门阵列电路两个输入输出I/O口相连接，用来数字信号处理器电路和现场可编程门阵列电路之间工作状态通信；具有通用性强，硬件电路无需更改的前提下，只须通过编程即可适应于不同的应用场合；具有控制精度高，电路结构简单、集成度高等优点。

Description

背靠背结构电压型变流装置的双脉冲宽度调制控制器

技术领域

本发明涉及控制技术领域，是一种背靠背结构电压型变流装置的双脉冲宽度调制控制器。

背景技术

由于能够产生巨大的经济效益，电力电子技术已成为一种基础性技术而广泛应用于各种行业。背靠背结构电压型变流装置能够用于连接同步或异步交流系统，实现两端交流系统的有功功率和无功功率的灵活控制，从而获得了广泛应用，如电力传输领域中的轻型直流输电系统、统一潮流控制器UPFC，工业节能中的电能可双向流通的变频调速系统，变速恒频风力发电系统中的双馈式感应发电机的交流励磁调速控制器等等。

背靠背结构电压型变流装置由双脉冲宽度调制控制器构成，采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)控制方法，以实现两侧交流系统间的有功功率和无功功率的交换控制，控制系统主要由上层功率控制和底层变流器控制。其中，上层控制的任务是根据参考功率确定变流器需要输出的参考电压或参考电流；底层控制负责生成变流电路中的电力电子器件的控制信号，以控制变流器产生上层控制所确定的参考电压或电流；另外，底层控制一般还包括过流及过压等状态下的脉冲封锁等功能，以防止装置进入异常状态运行。现有的脉冲宽度调制控制器使用一块数字信号处理器DSP完成上层控制，再使用一块DSP和分立元器件构成的数字电路完成底层控制，外加信号采集、状态及保护信号处理等外围电路构成，其不足之处是：1.两片DSP之间需要通信，并且还需辅助于大量的外围电路，使控制器结构复杂；2.分立元器件构成的数字电路不方便控制参数的设定，如桥臂死区时间、电力电子器件最小开通和最小关断时间等参数的设定，并且设定值会随分立器件参数的变化而会产生误差。

发明内容

本发明的目的是：提供一种通用性好，控制精度高，电路结构简单、集成度高的背靠背结构电压型变流装置的双脉冲宽度调制控制器。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种背靠背结构电压型变流装置的双脉冲宽度调制控制器，其特征在于，它包括由两套结构相同的，以数字信号处理器电路1和现场可编程门阵列电路2为核心控制部件，数字信号处理器电路1的数字信号处理器DSP用来模数转换、上层控制算法、底层控制中脉冲宽度调制脉冲生成及串口通信控制；数字信号处理器电路1与现场可编程门阵列电路2两个输入输出I/O口相连接，用来数字信号处理器电路1和现场可编程门阵列电路2之间工作状态的通信；同步单元电路3用来将处理后的同步电压信号送入现场可编程门阵列电路2进行处理后输出至数字信号处理器电路1，用来将变流装置接入交流电网；模数A/D转换调理电路4用来将电压和电流信号送入数字信号处理器电路1，数字信号处理器进行模数转换后用于上层控制算法；过压、过流调理电路5用来将电压和电流信号送入现场可编程门阵列电路2，对变流装置的监测及异常状况下的脉冲封锁；串口通信电路6的输入端与计算机相连，其输入端与现场可编程门阵列电路2相连，用来计算机与数字信号处理器电路1和现场可编程门阵列电路2之间的通信；故障、状态指示电路7与现场可编程门阵列电路2相连，用来指示故障、状态组成。

所述的同步单元电路3由芯片U1S，电容C2S、C3S，电阻RAXS、RBXS、RCXS、RDXS、REXS组成的带通滤波器，滞回比较器U4SB，和由芯片U7SA、电阻R9S、电容C1S组成的单稳电路相连接组成。

所述的模数A/D转换调理电路4由运放U17ADA与电阻R147AD、R148AD、R149AD、R171AD，电容C81AD组成的反相加法器，由运放U17ADB与电阻R150AD、R151AD、R165AD组成的放大倍数为1的反相器，和由二极管D31AD、D32AD组成的接口电平钳位电路相连接组成。

所述的过压、过流调理电路5由二极管D12PR、D13PR，电阻R5PR、R6PR、R8PR，运放U4PRA组成的峰值检测电路，由电阻R7PR、R9PR与电容C1PR组成的高频滤波电路，和运放U9PRA为电压比较器相连接组成。

所述的串口通信电路6由电平转换芯片J1和电容C3、C4、C5、C6、C7相连接组成。

本发明的背靠背结构电压型变流装置的双脉冲宽度调制控制器，由于用两套结构相同的，以数字信号处理器电路、现场可编程门阵列电路为核心控制部件，并选配同步单元电路、模数A/D转换调理电路、过压、过流调理电路、串口通信电路、故障、状态指示电路及控制电源电路组成了高性能的双脉冲宽度调制器，具有的有益效果体现在：

1.通用性强，硬件电路无需更改的前提下，本领域技术人员只须通过编程即可适应于不同的应用场合；

2.控制精度高：使用高速数字信号处理器DSP，以便采用更短的控制周期，来提高控制系统的动态响应速度；

3.集成度高：组成双脉冲宽度调制控制器的电路结构简单、集成度高。

附图说明

图1为背靠背结构电压型变流装置的双脉冲宽度调制控制器电路原理框图。

图2为背靠背结构电压型变流装置的双脉冲宽度调制控制器电路连接图。

图2-A为图2中A部分示意图。

图2-B为图2中B部分示意图。

图3为数字信号处理器电路1原理图。

图3-C为图3中数字信号处理器电路1的C部分电路原理图。

图3-D为图3中数字信号处理器电路1的D部分电路原理图。

图4为现场可编程门阵列电路2原理图。

图4-E为图4中现场可编程门阵列电路2的E部分电路原理图。

图4-F为图4中现场可编程门阵列电路2的F部分电路原理图。

图5为同步单元电路3原理图。

图6为模数A/D转换调理电路4原理图。

图7为过压、过流调理电路5原理图。

图8为串口通信电路6原理图。

图9为故障、状态指示电路7原理图。

图10为控制电源电路8原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细的描述。

参照图1，背靠背结构电压型变流装置的双脉冲宽度调制控制器具有数字信号处理器电路1，现场可编程门阵列电路2，同步单元电路3，模数A/D转换调理电路4，过压、过流调理电路5，串口通信电路6，故障、状态指示电路7及控制电源电路8组成。各部分电路之间信号的连接关系在图中用连线表示，箭头的方向表明了信号的传输方向。另外，控制电源电路8为控制器各部分电路提供工作电源，其中输出+5V与上述各部分电路相连，输出±15V与同步单元电路3、过压、过流调理电路5、模数A/D转换调理电路4相连。

背靠背结构电压型变流装置的双脉冲宽度调制控制器，由两套结构相同的，以数字信号处理器电路1和现场可编程门阵列电路2为核心控制部件，数字信号处理器电路1的数字信号处理器DSP用来模数转换、上层控制算法、底层控制中脉冲宽度调制脉冲生成及串口通信控制；数字信号处理器电路1与现场可编程门阵列电路2两个输入输出I/O口相连接，用来数字信号处理器电路1和现场可编程门阵列电路2之间工作状态的通信；同步单元电路3用来将处理后的同步电压信号送入现场可编程门阵列电路2进行处理后输出至数字信号处理器电路1，用来将变流装置接入交流电网；模数A/D转换调理电路4用来将电压和电流信号送入数字信号处理器电路1，数字信号处理器进行模数转换后用于上层控制算法；过压、过流调理电路5用来将电压和电流信号送入现场可编程门阵列电路2，对变流装置的监测及异常状况下的脉冲封锁；串口通信电路6的输入端与计算机相连，其输入端与现场可编程门阵列电路2相连，用来计算机与数字信号处理器电路1和现场可编程门阵列电路2之间的通信；故障、状态指示电路7与现场可编程门阵列电路2相连，用来指示故障、状态组成。

其中：数字信号处理器电路1使双脉冲宽度调制控制器具有很强的数学运算能力和快速的控制能力，用于实现上层复杂控制算法和底层控制中脉宽调制信号的发生(例如，在此硬件电路基础上实现了背靠背结构电压源型变流装置采用反馈线性化的控制算法和两电平空间矢量PWM算法)；现场可编程门阵列电路2可通过编程灵活实现数字信号电路，具有集成度高、修改方便、外围电路简单、性能可靠等优点；同步单元电路3使双脉冲宽度调制控制器具有同步功能(用于接入交流电网)，通过同步单元电路3得到精确的同步信号，经现场可编程门阵列电路2处理后与数字信号处理器电路1外中断端口相连，数字信号处理器DSP通过中断处理可实现变流装置接入交流电网同步运行。

数字信号处理器电路1中使用的数字信号处理器DSP是1块工作频率可达150Mhz的32位微处理器，型号TMS320F2812，TMS320F2812芯片集成有16路模数转换器、两个脉宽调制(PWM)事件管理器、两个串口通信模块等功能模块，TMS320F2812芯片的输入输出I/O端口高低电平分别为3V和0V，编程后可实现模数A/D转换、上层控制算法、底层控制中的脉宽调制(PWM)信号发生、串口通信等功能。

数字信号处理器电路1的输入信号：模数A/D转换调理电路4输出的三相交流电流信号、交流电压信号、直流电压和电流信号，这些信号分别与数字信号处理器电路1的TMS320F2812芯片的模数转换输入端口相连；现场可编程门阵列电路2输出的同步信号，与数字信号处理器电路1的TMS320F2812芯片外中断输入端口相连；现场可编程门阵列电路2输出的两路串口通信接收信号，分别与数字信号处理器电路1的TMS320F2812芯片的两个串口接收输入端口相连；一路现场可编程门阵列电路2输出的状态电平信号，与数字信号处理器电路1的TMS320F2812芯片的1基本输入端口相连。

数字信号处理器电路1的输出信号：12路脉宽调制信号(两电平主电路结构使用6路)，分别与现场可编程门阵列电路2的12个输入端口相连；两路串口通信发送信号，分别与现场可编程门阵列电路的2个输入端口相连；一路数字信号处理器电路1输出的状态电平信号，与现场可编程门阵列电路2的1输入端口相连。

现场可编程门阵列电路2使用了一块200万门现场可编程门阵列芯片FPGA，型号XC2S200、程序存储器XC18V02和电源电路组成，电路通过编程可实现数字电路。编程后具有的功能主要包含脉冲信号处理(桥臂死区时间、电力电子器件最小开通和最小关断时间)、同步信号处理、故障保护处理产生脉冲封锁信号、串口通信电平转换等。

输入现场可编程门阵列电路2的信号：数字信号处理器电路1输出的12路脉宽调制信号，分别与现场可编程门阵列电路2的12个输入端口相连；3路同步单元电路3输出的同步信号，分别与现场可编程门阵列电路2的3个输入端口相连；8路模数A/D转换调理电路4输出的信号，分别与现场可编程门阵列电路2的8个输入端口相连；2路数字信号处理器电路1输出的串口通信发送信号，分别与现场可编程门阵列电路2的2个输入端口相连；2路串口通信电路6输出的串口接收信号，分别与现场可编程门阵列电路2的2个输入端口相连；1路数字信号处理器电路1输出的状态电平信号，与现场可编程门阵列电路2的1个输入口相连。

现场可编程门阵列电路2输出的信号：6路脉宽调制信号(三相两电平桥式主电路结构)输出，提供给电力电子器件驱动电路；1路同步信号输出，与数字信号处理器电路1的TMS320F2812芯片外中断输入端口相连；22路故障及状态信号输出，与故障、状态指示电路7相连；2路串口接收信号分别与数字信号处理器电路1上TMS320F2812芯片串口接收端口相连；2路串口发送信号输出，分别与串口通信电路6相连；1路状态电平信号输出，与数字信号处理器电路1的TMS320F2812芯片1基本输入端口相连。

参照图2、图2-A和图2-B，接插件X1、X2为与现场可编程门阵列电路2的接口，接插件X1按接口引脚顺序信号有：PPA1-PPF2共12路脉宽调制信号输入、KKRST外部复位信号输入、RST复位信号输入、KIA-KID共四路过流信号输入、VDOV和VDUV直流过压及欠压信号输入、K15V+和K15V-控制电源信号输入、FPGOK状态信号输出、SYNA1-SYNC1共3路同步信号输入、SXINT同步信号输出、RS232S使能串口信号输入、TXD1和RXD1为DSP2812串口2的串口发送接收信号、SCITXD1和SCIRXD2为经现场可编程门阵列电路2处理的串口2发送接收信号、TXD和RXD为DSP2812串口1的发送接收信号、SCITXD和SCIRXD为经FPGA处理的串口1发送接收信号。接插件X2按接口引脚顺序信号有：PA1-PF2共12路PWM脉冲输出、FTA-FTF共3路桥臂故障信号输入、FDONE脉冲控制信号输出、DSPOKDSP状态信号输入、PLOCK脉冲封锁指示信号输出、LKIA-LKID共四路交流过流及直流过流指示信号输出、LFTA-LFTC共3路桥臂故障指示信号输出、LK15V控制电源故障指示信号输出、KFT总故障指示信号输出、SYT现场可编程门阵列电路2测试信号输出。接插件X3、X4为与DSP子电路的接口，接插件X3按接口引脚顺序信号有：FPGOKFPGA状态信号输入、TXD和RXD为DSP2812串口1的发送接收信号、SXINT同步信号输入、PPA1-PPF2为PWM脉冲信号输出。接插件X4按接口引脚顺序信号有：TXD1和RXD1为DSP2812串口2的发送接收信号、VREF为数字信号处理器电路1模数转换参考高电平输出、ADIA-ADID共四路交流电流和直流电流待采集信号输入、ADUD直流电压待采集信号输入、ADUUV和ADUVW两路交流线电压待采集信号输入、DSPOK数字信号处理器电路1状态信号输出。JP2为串口使能跳线；JP1为脉冲封锁控制使能跳线；XRST端子、R190、O1光耦、R191构成外部复位电路；R188、O2光耦、R189、XPLK端子构成外部封锁指示电路；XPOW1为控制电源输入端子；SYNIN为同步信号输入端子；XIA1为A相交流电流信号端子；XIB1为B相交流电流信号端子；XIC1为C相交流电流信号端子；XID为直流电流信号端子；XUD1为直流电压信号端子；XUVW1、XUVW2为交流电压信号端子；XDRA1-XDRC2共6个为PWM脉冲输出端子和桥臂故障返回信号端子；RD1-RD4、LVD为直流电压传感器电路；U3、U10、U11 DS75452N芯片及R99、R100、R108、R110、R109、R111构成PWM脉冲控制电路。

参照图3、图3-C和图3-D，数字信号处理器U1D(DSP)为TI公司的TMS320F2812芯片，引出所需的功能管脚信号与上述接插件X3和X4接口上的信号相连，在附图中引脚使用相同的英文标号表示信号的连接。数字信号处理器电路中U5D为30Mhz有源晶振，输出信号经U4D SN74LVC1G14电平转换后输出至TMS320F2812 DSP芯片77管脚；U3D TPS767D301、U6D TPS3838K33DBV及相应的电阻电容构成DSP芯片工作电源管理电路，U3D输入5V电压，输出1.8V和3.3V直流电压与TMS320F2812 DSP芯片的工作电源引脚相连，其中R24D、S1D、C19D构成电源电压复位电路；U2D IS61LV6416-12T为256K RAM；数字信号处理器电路1模数转换单元使用的1.8V和3.3V电压通过磁珠L2D、L3D及滤波电容与U3D相应的输出相应电压相连，数字地和模拟地通过磁珠L4D相连，同时3.3V电压通过L1D及滤波电容与TMS320F2812 DSP芯片69管脚相连，提供内嵌Flash工作电压；JP1D接口、R11D、R12D及相应TMS320F2812 DSP芯片管脚信号构成JTAG数据通信接口，用于与仿真器相连；JP2D、JP5D、JP6D、JP7D为跳线，为多功能管脚提供高电平或低电平信号，用于TMS320F2812 DSP芯片多功能管脚功能的选择。

参照图4、图4-E和图4-F，现场可编程门阵列电路2的现场可编程门阵列芯片U2FA(FPGA)为Xilinx公司的XC2S200-5PQ208C芯片，引出所需的输入输出(I/O)信号与上述接插件X1和X2接口信号相连，在附图中引脚使用相同的英文标号表示信号的连接。时钟信号由芯片80管脚引入；JZ1F为50Mhz有源晶振；VR1F REG1117-3.3和VR2F REG1117-2.5为电压转换芯片，输入5V直流电压，分别输出3.3V和2.5V直流电压，为U2F提供工作电源；U1FA为Xilinx公司的XC18V02在线可编程只读存储器(PROM)芯片，用于保存FPGA的配置数据；JP1F为JTAG接口，用于与数据下载器相连；JP2F为跳线端子，用于使能PROM。

参照图5，同步单元电路3，VINA为±5V交流信号，芯片U1SUAF42AP，电容C2S、C3S，电阻RAXS、RBXS、RCXS、RDXS、REXS组成带通滤波器，滤除干扰信号，输出信号为UA7。UA7信号输入同相比例放大器U4SA，选择电阻R1S、R3S的大小决定放大倍数，这样使信号在零点附近的变化率大，有利用得到过零点脉冲，输出信号输入反向过零滞回比较器U4SB，使用过零滞回比较器使得输入信号变化缓慢或幅值较小时，可以消除由于干扰在输出电压中可能出现的颤动现象，电阻R4S、R6S的数值决定了门限电压，滞回比较器的输出经电阻R7S、R8S，二极管Z1S组成的限幅电路得到低电平为0V，高电平为5V的输入交流信号的过零点脉冲，此脉冲信号输入U7SA型号74LS221、电阻R9S和二极管C1S组成的单稳电路，有效检测出信号上升沿的变化，电阻R9S、二极管C1S决定了单稳的时间，输出信号SYNA2为输入交流信号的过零点同步脉冲。

参照图6，模数A/D转换调理电路4，IID为传感器输出直流电流信号，信号幅值在±3V之内(具体数值与电流传感器电路有关)，VREF为3V的模数转换参考电压，运放U17ADA与电阻R147AD、R148AD、R149AD、R171AD，电容C81AD构成反相加法器，将输入信号反相平移和缩小，运放U17ADB与电阻R150AD、R151AD、R165AD构成放大倍数为1的反相器，二极管D31AD、D32AD是保护二极管，输出ADID为幅值在3V内满足TMS320F2812 DSP芯片模数转换电平要求并且与输入信号波形形状一致的采样信号。

参照图7，过压、过流调理电路5，IID为传感器输出直流电流信号，信号幅值在±3V之内(具体数值与电流传感器电路有关)，二极管D12PR、D13PR，电阻R5PR、R6PR、R8PR，运放U4PRA相连接组成峰值检测电路，电路的功能是将输入信号整流，电阻R7PR、R9PR与电容C1PR组成高频滤波电路，防止干扰信号，运放U9PRA为电压比较器，负极性端的参考电平为REFIO，当正极性端的输入电平高于REFIO时，输出KID为高电平5V时表明发生直流电流过流故障，低电平0V时表明直流电流无过流。

参照图8，串口通信电路6，RXD1、TXD1为串口1的收发信号，RXD2、TXD2为串口2的收发信号，经由芯片J1 max232、电容C3、C4、C5、C6、C7组成电平转换电路，输出信号高低电平分别为0V和5V，串口1的收发信号分别为SCIRXD、SCITXD，串口2的收发信号分别为SCIRXD1、SCITXD1。

参照图9，故障、状态指示电路7，现场可编程门阵列电路2输出的故障及状态信号共23路输出分别串接电阻和发光二极管；R1、S1、E1构成复位电路；电容C29-C70、E2-E10为电源滤波电容；VR2、R82、R94-R98、CV1-CV4、RVH1、RVL1、RIO1为参考电平电路。

参照图10，控制电源电路8，PS1为30W 220V-15V AC-DC模块；PS2为15W 220V-(-15)V AC-DC模块；PS3为15W 220V-5V AC-DC模块。

本发明的背靠背结构电压型变流装置的双脉冲宽度调制控制器，在双脉冲宽度调制控制器结构不改变的前提下，双脉冲宽度调制控制器的软件程序可根据具体应用场合的目标控制需要，依据自动控制技术和计算机数据处理技术编制，软件程序编制是本领域技术人员所熟悉的技术。

Claims

1.一种背靠背结构电压型变流装置的双脉冲宽度调制控制器，其特征在于：它包括由两套结构相同的，数字信号处理器电路(1)和现场可编程门阵列电路(2)，数字信号处理器电路(1)的数字信号处理器(DSP)用来模数转换、上层控制算法、底层控制中脉冲宽度调制脉冲生成及串口通信控制；数字信号处理器电路(1)与现场可编程门阵列电路(2)两个输入输出I/O口相连接，用来数字信号处理器电路(1)和现场可编程门阵列电路(2)之间工作状态的通信；同步单元电路(3)用来将处理后的同步电压信号送入现场可编程门阵列电路(2)进行处理后输出至数字信号处理器电路(1)，用来将变流装置接入交流电网；模数A/D转换调理电路(4)用来将电压和电流信号送入数字信号处理器电路(1)，数字信号处理器进行模数转换后用于上层控制算法；过压、过流调理电路(5)用来将电压和电流信号送入现场可编程门阵列电路(2)，对变流装置的监测及异常状况下的脉冲封锁；串口通信电路(6)的输入端与计算机相连，其输入端与现场可编程门阵列电路(2)相连，用来计算机与数字信号处理器电路(1)和现场可编程门阵列电路(2)之间的通信；故障、状态指示电路(7)与现场可编程门阵列电路(2)相连，用来指示故障、状态组成。

2.根据权利要求1所述的背靠背结构电压型变流装置的双脉冲宽度调制控制器，其特征在于：所述的同步单元电路(3)由芯片(U1S)，电容(C2S、C3S)，电阻(RAXS、RBXS、RCXS、RDXS、REXS)组成的带通滤波器，滞回比较器(U4SB)，和由芯片(U7SA)、电阻(R9S)、电容(C1S)组成的单稳电路相连接组成。

3.根据权利要求1所述的背靠背结构电压型变流装置的双脉冲宽度调制控制器，其特征在于：所述的模数A/D转换调理电路(4)由运放(U17ADA)与电阻(R147AD、R148AD、R149AD、R171AD)，电容(C81AD)组成的反相加法器，由运放(U17ADB)与电阻(R150AD、R151AD、R165AD)组成的放大倍数为1的反相器，和由二极管(D31AD、D32AD)组成的接口电平钳位电路相连接组成。

4.根据权利要求1所述的背靠背结构电压型变流装置的双脉冲宽度调制控制器，其特征在于：所述的过压、过流调理电路(5)由二极管(D12PR、D13PR)，电阻(R5PR、R6PR、R8PR)，运放(U4PRA)组成的峰值检测电路，由电阻(R7PR、R9PR)与电容(C1PR)组成的高频滤波电路，和运放(U9PRA)为电压比较器相连接组成。

5.根据权利要求1所述的背靠背结构电压型变流装置的双脉冲宽度调制控制器，其特征在于：所述的串口通信电路(6)由电平转换芯片(J1)和电容(C3、C4、C5、C6、C7)相连接组成。