本发明公开了一种用于低压动态无功谐波综合补偿装置的主控模块,包括主控单元、监控信号同步采样单元、保护单元、温度测控单元、脉冲输出单元和时钟单元,主控单元负责与上述功能单元进行数据和控制命令的通信,同时负责与人机交互单元进行实时通信。本发明的设计实施既确保了控制算法运算的可靠性与时效性,又满足了数据管理、信号控制以及人机交互的功能要求,合理高效地利用软硬件资源,简化了电路设计,降低了软硬件设计复杂度,大幅节约器件成本和人工设计成本。与此同时,本发明实现对主电路多类多通道信号的保护,提升有源电力滤波器的安全性、可靠性与稳定性,降低了设备的维护成本,从而大幅提高了系统的稳定性和可靠性。
1.一种用于低压动态无功谐波综合补偿装置的主控模块,其特征在于,包括主控单元、监控信号同步采样单元、保护单元、温度测控单元、脉冲输出单元和时钟单元,所述主控单元负责与监控信号同步采样单元、保护单元、温度测控单元、脉冲输出单元和时钟单元进行数据和控制命令的通信,同时负责与人机交互单元进行通信,外部模拟信号输入单元输出的多路模拟小信号由所述监控信号同步采样单元同步采样后进行预处理,再将处理后的模拟信号传至保护单元,同时将处理后的数字信号传至主控单元,所述保护单元将由监控信号同步采样单元提供的已处理的模拟信号以及脉冲输出单元传输的IGBT短路报警信号分别进行信号处理与判断生成多路保护信号,再将此保护信号传输至主控单元,所述温度测控单元将IGBT温测信号传输至所述监控信号同步采样单元,并将主控单元板级温测信号传至所述主控单元,所述脉冲输出单元接收所述主控单元对IGBT的控制信号并将IGBT短路报警信号传至所述保护单元,所述时钟单元是主控模块的时钟发生电路,分别给主控单元与监控信号同步采样单元的关键芯片提供工作时钟。
2.根据权利要求1所述的用于低压动态无功谐波综合补偿装置的主控模块,其特征在于,所述主控单元包含一片DSP和一片FPGA,所述DSP采用TI公司提供的浮点型DSP,其型号为TMS320C6747;所述FPGA采用ALTERA公司提供的可编程逻辑阵列,其型号为EP4CE30F23I7N。
3.根据权利要求1所述的用于低压动态无功谐波综合补偿装置的主控模块,其特征在于,所述监控信号同步采样单元包括信号调理电路、A/D转换电路以及FPGA同步控制电路,多路模拟小信号通过信号调理电路进行预处理后,将调理信号传输至所述保护单元;由FPGA同步控制电路控制A/D转换电路的同步采样控制脚,实现信号的模数同步转换,并将转换后的数字信号传输至所述主控单元。
4.根据权利要求1所述的用于低压动态无功谐波综合补偿装置的主控模块,其特征在于,所述保护单元包括积分电路、比较电路和保护信号处理电路,电压或电流模拟信号通过积分电路的波形处理后进入比较电路生成电平信号,与IGBT短路报警信号共同进入所述主控单元的FPGA保护信号处理模块。
5.根据权利要求1所述的用于低压动态无功谐波综合补偿装置的主控模块,其特征在于,所述温度测控单元包括板级温度检测电路和IGBT温度检测电路,板级温度检测电路用于检测主控单元电路温度,并将板级温测信号传至所述主控单元;IGBT温度检测电路用于检测IGBT的温度,并将此温度信号通过所述监控信号同步采样单元预处理和A/D转换后传至所述主控单元。xa0
6.根据权利要求1所述的用于低压动态无功谐波综合补偿装置的主控模块,其特征在于,所述脉冲输出单元包括指令信号整形与控制电路和光电隔离电路,指令信号整形与控制电路通过FPGA将指令信号脉冲波整形成IGBT控制信号,IGBT控制信号通过光电隔离电路隔离后传输至外部IGBT驱动电路,同时FPGA结合接收的来自所述保护单元的报警信号对指令信号脉冲波输出实施开通或关断控制。
7.根据权利要求3所述的用于低压动态无功谐波综合补偿装置的主控模块,其特征在于,所述A/D转换电路包括A/D芯片;所述A/D芯片采用TI公司提供的16Bit可同步采样芯片,其型号为ADS8365。
8.根据权利要求1所述的用于低压动态无功谐波综合补偿装置的主控模块,其特征在于,所述时钟单元采用一片有源晶振,通过时钟芯片分出两路时钟信号分别传至DSP和FPGA,FPGA通过其内部锁相分频后给所述监控信号同步采样电路中的A/D芯片提供时钟信号。技术领域
本发明涉及低压动态无功谐波综合补偿装置,特别涉及一种用于低压动态无功谐波综合补偿装置的主控模块。
背景技术
现有的有源电力滤波器控制系统采用DSP作为主控单元,由时钟单元为其提供时钟信号,脉冲输出单元通过驱动芯片以及触发器将来自CPLD的脉冲信号用作对IGBT的控制信号。但是,目前的有源电力滤波器控制系统仍存在以下几大设计缺陷:(1)xa0原理设计上主控单元多由2片或2片以上的DSP处理器构成,无论从软件或硬件的设计复杂度方面考虑,还是从成本方面考虑,都存在改进的空间;xa0(2)xa0硬件保护电路功能单一甚至缺乏电路保护,致使有源电力滤波器主电路器件容易损坏,严重影响有源电力滤波器的安全性与可靠性;(3)xa0模拟采样电路未考虑信号的同步采样,影响了信号的实时性采集,进而波及指令电流的实时跟踪,即使考虑信号的同步采样,其设计电路也过于复杂繁琐;(4)xa0未考虑时钟电路的同源设计,忽略各晶振的时漂与温漂不一致的问题,导致A/D采样精度不高,也影响硬件时序电路的稳定性,不利于软件驱动程序的编写;(5)xa0脉冲输出电路采用的光电隔离芯片不能满足现在越来越快的IGBT开关频率。
发明内容
本发明的目的是提供一种成本较低且稳定性和可靠性高的用于低压动态无功谐波综合补偿装置的主控模块。xa0本发明提供的这种用于低压动态无功谐波综合补偿装置的主控模块,包括主控单元、监控信号同步采样单元、保护单元、温度测控单元、脉冲输出单元和时钟单元,所述主控单元负责与监控信号同步采样单元、保护单元、温度测控单元、脉冲输出单元和时钟单元进行数据和控制命令的通信,同时负责与人机交互单元进行通信,外部模拟信号输入单元输出的多路模拟小信号由所述监控信号同步采样单元同步采样后进行预处理,再将处理后的模拟信号传至保护单元,同时将处理后的数字信号传至主控单元,所述保护单元将由监控信号同步采样单元提供的已处理的模拟信号以及脉冲输出单元传输的IGBT短路报警信号分别进行信号处理与判断生成多路保护信号,再将此保护信号传输至主控单元,所述温度测控单元将IGBT温测信号传输至所述监控信号同步采样单元,并将主控单元板级温测信号传至所述主控单元,所述脉冲输出单元接收所述主控单元对IGBT的控制信号并将IGBT短路报警信号传至所述保护单元,所述时钟单元是主控模块的时钟发生电路,分别给主控单元与监控信号同步采样单元的关键芯片提供工作时钟。所述主控单元包含一片采用具有强大内核及高速数据处理能力的浮点型DSP处理器以及一片硬件资源丰富的FPGA,其中DSP负责执行核心控制算法、数据管理和人机交互等任务,而FPGA是信号控制的核心,对包括保护信号、板级温测信号、采样信号以及指令电流脉冲输出信号等信号在内的各类信号的控制与处理,同时负责执行部分并行控制算法,为DSP提供更充裕的数据处理空间,从而使DSP能高效地进行数据运算处理工作。所述监控信号同步采样单元包括信号调理电路、A/D转换电路以及FPGA同步控制电路,多路模拟信号通过信号调理电路进行预处理后,将调理信号传输至所述保护单元;由FPGA同步控制电路控制A/D转换电路的同步采样控制脚,实现信号的模数同步转换,并将转换后的数字信号传输至所述主控单元,这种采样控制电路简易直观,而且避免了由采样引起的电压与电流的相位偏移对控制算法的影响。所述保护单元包括积分电路、比较电路和保护信号处理电路,电压或电流模拟信号通过积分电路的波形处理后进入比较电路生成电平信号,与IGBT短路报警信号共同进入所述主控单元的FPGA保护信号处理模块。该单元为整个控制模块提供了多种电路保护,包括直流和交流侧电压保护、补偿侧和负载侧电流保护、IGBT温度和电路板板级温度过高保护以及IGBT模块的控制极短路保护。保护信号的状态决定指令电流脉冲输出的开通与关断,在各种关键电路出现故障时,FPGA能及时关断IGBT的输出,这样可有效的保护低压动态无功谐波综合补偿装置的主电路器件,增强设备的可靠性与安全性,同时也降低设备的维护成本。主控单元电路板板级温度检测信号和3路IGBT温测信号实时体现低压动态无功谐波综合补偿装置的散热系统工作状况,从而主控模块可以更全面的监控低压动态无功谐波综合补偿装置的运行状态,防止主电路器件因自身过热而造成损坏。所述温度测控单元包括板级温度检测电路和IGBT温度检测电路,板级温度检测电路用于检测主控单元电路温度,并将板级温测信号传至所述主控单元;IGBT温度检测电路用于检测IGBT的温度,并将此检测到的温度信号通过所述监控信号同步采样单元预处理和A/D转换后传至所述主控单元。所述脉冲输出单元包括指令信号整形与控制电路和光电隔离电路,指令信号整形与控制电路通过FPGA将指令信号脉冲波整形成IGBT控制信号,IGBT控制信号通过光电隔离电路隔离后传输至外部IGBT驱动电路,同时FPGA结合接收的来自所述保护单元的报警信号对指令信号脉冲波输出实施开通或关断控制。其光电隔离电路直接采用高速光电隔离芯片,这样既满足数据的隔离、时延与驱动要求,而且能适应IGBT开关的高频率通断要求,同时又简化电路。所述A/D转换电路包括A/D芯片;所述A/D芯片采用TI公司提供的16Bit可同步采样芯片,其型号为ADS8365。所述时钟单元采用一片有源晶振,通过时钟芯片分出两路时钟信号分别传至DSP和FPGA,FPGA通过其内部锁相分频后给所述监控信号同步采样电路中的A/D芯片提供时钟信号。其采用同源设计,增强了采样精度,提高数据流的可靠性,xa0避免由于电路各晶振的时漂与温漂的不一致而导致电路运行不稳定,降低FPGA编程难度,便于软件驱动程序的编写以及各电路时延的准确计算。xa0xa0xa0本发明可用于有源电力滤波器、无源电力滤波器以及无功补偿装置等领域。本发明的整体设计以及各个功能单元的设计布局,既确保了控制算法运算的可靠性与时效性,又满足了数据管理、信号控制以及人机交互的功能要求,合理高效地利用软硬件资源,简化了电路设计,降低了软硬件设计复杂度,大幅节约器件成本和人工设计成本。与此同时,本发明实现对主电路多类多通道信号的保护,提升低压动态无功谐波综合补偿装置的安全性、可靠性与稳定性,降低了设备的维护成本,从而大幅提高了系统的稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本发明的功能模块图。图2为本发明的工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。如图1所示,本发明包括主控单元、监控信号同步采样单元、保护单元、温度测控单元、脉冲输出单元和时钟单元。主控单元负责与监控信号同步采样单元、保护单元、温度测控单元、脉冲输出单元和时钟单元进行数据和控制命令的通信,同时负责与人机交互单元进行通信。外部模拟信号输入单元输出的多路模拟小信号由监控信号同步采样单元同步采样后进行预处理,再将处理后的模拟信号传至保护单元,同时将处理后的数字信号传至主控单元。保护单元将由监控信号同步采样单元提供的已处理的模拟信号以及脉冲输出单元传输的IGBT短路报警信号分别进行信号处理与判断生成多路保护信号,再将此保护信号传输至主控单元。温度测控单元将IGBT温测信号传输至监控信号同步采样单元,并将主控单元板级温测信号传至主控单元。脉冲输出单元接收主控单元对IGBT的控制信号并将IGBT短路报警信号传至保护单元。时钟单元是控制模块的时钟发生电路,分别给主控单元与监控信号同步采样单元的关键芯片提供工作时钟。主控单元包括一片DSP和一片FPGA,是本发明的核心。其负责完成控制算法、数据管理、人机交互与信号控制等功能。本发明采用了具有强大内核及高速数据处理能力的浮点型DSP(型号为TMS320C6747)以及硬件资源丰富的FPGA(型号为EP4CE30F23I7N),其中DSP负责执行核心控制算法、数据管理和人机交互等任务,而FPGA是信号控制的核心,对包括保护信号、板级温测信号、采样信号以及指令电流脉冲输出信号等信号在内的各类信号的控制与处理,同时负责执行部分并行控制算法,从而为DSP提供更充裕的数据处理空间,使DSP能高效地进行数据运算处理工作。监控信号同步采样单元是模拟信号与数字信号转换的核心通道。所有的模拟信号均需在该单元进行预处理得到对应调理信号后,再将所得调理信号传至保护单元,同时将采样数据通过模数转换后的数据信息传至主控单元。保护单元将由监控信号同步采样单元提供的调理信号以及脉冲输出单元传输的保护信号分别进行信号处理后,将得到的保护信号传输至主控单元的FPGA保护信号处理模块,将这些信号的保护状态通过DSP传输至人机交互单元,给监控者提供实时信息。因此,保护电路是控制模块的安全性与可靠性的保障,其负责对多路模拟信号实施保护,确保低压动态无功谐波综合补偿装置主电路的安全稳定运行。温度测控单元将IGBT温度信号传输至监控信号同步采样单元,并将主控单元板级温度信号传至主控单元,由此实现了主控单元对板级温度和IGBT温度的测试与监控,从而提供一种对低压动态无功谐波综合补偿装置散热系统以及器件工作状况的有效监控方式。脉冲输出单元接收由主控单元发出的对IGBT的控制信号并将IGBT短路报警信号传至保护单元。该单元是指令信号脉冲波输出的控制通道,负责对输出脉冲信号进行实时控制,可有效预防因突发事件对主电路相关器件造成的损坏,增强了电路的安全可靠性。时钟单元是主控模块的时钟发生电路,分别给主控单元与监控信号同步采样单元的关键芯片提供工作时钟。如图2所示,输入的模拟信号主要源于外部传感器和温度测控电路,包括9路电流信号(即3路补偿侧交流电流信号、3路负载侧交流电流信号和3路滤波回路交流电流信号)、4路电压信号(即2路整流直流侧电源信号和2路电网交流电压信号)和3路IGBT温度检测信号(即由温度测控单元的IGBT温度检测电路对交流电中A、B、C三相电路上各路电路连接的IGBT实施温度检测产生的IGBT温测信号)。这16路模拟信号通过监控信号同步采样单元中的信号调理电路进行信号处理后,分别输送给两个功能单元:一组16路模拟信号作为A/D转换电路的输入信号;另一组16路模拟保护信号作为保护电路的输入信号。(1)xa016路调理信号(即16路差分模拟信号)分别进入3片A/D芯片(其型号为ADS8365)。由主控单元的FPGA同步控制电路同时给这3片A/D芯片发出HOLD信号,控制实现这3片A/D芯片同步进行模数转化。由于器件本身特点,此A/D芯片内部的6通道也可同步实现模数转化,最终18通道均可实现信号的同步采集。当信号的模数转换完成后,由A/D芯片输出转换情况状态EOC信号通知FPGA读取数据,FPAG与A/D芯片之间通过16Bit异步总线实现数据交互,FPGA再将这些采样后的数字信号数据通过16Bit异步总线上传给DSP,由DSP统一管理控制算法数据流,并分配部分控制算法由FPGA完成。其中,外扩SDRAM作为控制算法的数据存储空间,与FPGA通过16Bit异步总线进行通信;外扩NORxa0FLASH作为程序存储空间,与DSP进行数据通信。由控制算法获得的指令电流对DSP的Epwm模块实施控制,并由该模块生成脉冲波,即第一脉冲信号。第一脉冲信号通过16Bit异步总线传送给FPGA指令信号整形与控制电路,将由DSP传来的第一脉冲信号作整形处理得到控制IGBT驱动的第二脉冲信号,即ABC三相上下桥臂脉冲输出信号;同时FPGA结合由脉冲输出单元输出的3路IGBT短路报警信号以及保护单元输出的13路电源、电流和IGBT温度报警信号,对是否输出ABC三相上下桥臂脉冲输出信号给后级电路实施控制。同时通过带有高速传输速率的隔离芯片(其型号为HCPL0631)的光电隔离电路,将可控的ABC三相上下桥臂脉冲输出信号传送给IGBT驱动电路,控制主电路的IGBT的输出与指令电流相关的电压值,从而完成谐波电流的补偿。(2)xa016路调理信号进入保护单元,经积分电路对信号波形处理后,形成带纹波的电压信号。该信号通过比较器生成电平信号,与3路IGBT短路报警信号一同传输至FPGA保护信号处理电路。该电路通过判定电平信号的高或低来确定保护信号的生成与否,即当电平信号为高时,FPGA保护信号处理电路生成保护信号;当电平信号为低时,该电路不产生保护信号。与此同时,FPGA将当前保护状态锁存并通过16Bit异步总线传输给DSP,由DSP将保护状态通过RS485接口上传给人机交互界面,显示此保护状态。温度测控单元包括IGBT温度检测电路和测温芯片电路。IGBT温度检测电路主要负责3路IGBT模块的温度监测,将测定的代表温度值的电压信号传输给监控信号同步采样单元的信号调理电路。而数字测温芯片电路(其测温芯片型号为TMP122)则是测定主控模块电路板上的温度值,通过SPI总线将板级温测信号数据传至FPAG,FPAG将该信号数据通过16Bit异步总线传送至DSP,由DSP与人机交互通信后显示在人机交互界面,从而实现实时监控当前低压动态无功谐波综合补偿装置的主要电路器件的温升状况。时钟单元由有源晶振产生12MHz的时钟源,时钟源输入分频倍频器(其型号为CY2304I-2),生成两路时钟信号(频率均为24MHz)分别提供给DSP和FPGA。FPGA通过内部的PLL锁相电路产生所有A/D芯片所需时钟信号(频率为4.8MHz),由此实现时钟系统的同源设计。本发明的硬件保护涉及19路保护信号,分别为9路电流信号、4路电压信号、3路IGBT温测信号和3路IGBT短路报警信号,保护信号的状态决定指令电流脉冲输出的开通与关断,在各种关键电路出现故障时,FPGA能及时关断IGBT的输出,这样可有效的保护有源电力滤波器主电路器件,增强设备的可靠性与安全性,同时也降低设备的维护成本。主控单元电路板板级温度检测信号和3路IGBT温测信号实时体现有源电力滤波器控制装置的散热系统工作状况,从而主控模块可以更全面的监控有源电力滤波器控制装置的运行状态,防止主电路器件因自身过热而造成损坏。通过控制3路A/D芯片的同步采样控制脚,FPGA实现16路模拟信号的同步采样,避免由采样引起的电压与电流的相位偏移对控制算法的影响,而且这种采样控制电路简易直观。xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0脉冲输出单元的光电隔离电路直接采样高速光电隔离芯片,这样既满足数据的隔离、时延与驱动要求,而且能适应IGBT开关的高频率通断要求,同时又简化电路。时钟单元采用同源设计,增强采样精度,提高数据流的可靠性,xa0避免由于电路各晶振的时漂与温漂的不一致而导致电路运行不稳定,降低了FPGA的编程难度,便于软件驱动程序的编写以及各电路时延的准确计算。