磁控電抗器中DSP及其嵌入式系統控制器的研究

張健華 程漢湘 何紹洋 黃淼華

(廣東工業大學自動化學院，廣東 廣州 510000)

0 引言

無功功率平衡對提高電網的經濟效益和改善供電質量至關重要。根據電力工業的現狀與發展，新型無功補償裝置的研制和應用是我國當前電力系統需要解決的重大關鍵技術課題。基于MCR的動態無功補償裝置具有在容性至感性無功范圍內連續可調、產生諧波小、易于維護、成本低等優點，適用高電壓，可直接用于直到1150kV的任何電壓等級的電網中，對于提高電網的輸電能力，調整電網電壓，補償無功功率，以及限制過電壓都有非常大的應用潛力。因此對其進行認真的研究和設計研制具有十分重要的工程實際意義。然而隨著電抗器技術的不斷完善，對控制系統的要求也越來越高［1-3］。目前MCR的控制系統采用單個CPU處理，處理速度已經受到了很大的影響。本文采用雙CPU的處理系統，BF506F完成相應的數字信號處理，ADuC7026完成了控制系統與人機界面的操作，大大的提高了控制系統的響應速度，從而使磁控電抗器的控制更加可靠、靈活，穩定，可以滿足電力系統對無功補償功率連續、平滑調節的要求。

1 控制系統的功能

(1)可以選擇是手動，自動觸發磁控電抗器;

(2)實時快速地采集數據:電網中三相電壓、電流信號、電網頻率，磁控電抗器鐵芯和鐵芯氣隙處的溫度，晶閘管溫度以及故障電流信號;

圖1 系統功能圖

(3)處理采集信號:快速傅里葉變換(FFT)，計算電網的有功功率，無功功率和功率因數，晶閘管觸發角，諧波含量;

(4)顯示信息:當前時間，系統實時工作頻率、電壓有效值、有功功率、無功功率、功率因數、晶閘管觸發角、鐵芯溫度、鐵芯氣隙出溫度、晶閘管溫度、諧波含量;

(5)磁控電抗器(MCR)控制特性

式中I*為基波電流標幺值，β反映了鐵芯飽和程度，即半鐵芯在一個工頻周期內鐵芯的飽和時間，且β=2arccos(1-Bd/Bs)，Bs為鐵芯磁化曲線飽和值，Bd為直流偏磁。

MCR中晶閘管觸發角α和鐵芯飽和度β的關系

根據處理數據結果計算出相應的晶閘管觸發角α，通過控制磁控電抗器(MCR)二次側直流回路晶閘管觸發角，來改變二次側直流的電流，從而達到平滑調節磁控電抗器容量的目的［4］。

2 控制硬件原理

控制系統工作原理如圖2:高壓側是電抗器與電容器的簡化模型，電抗器是感性負載而電容器容性負載，固定容性負載，通過改變晶閘管觸發角就可以改變感性電流大小，這樣改變感性電流大小，就實現了感性無功和容性無功變化。控制箱中裝有晶閘管、二極管以及光纖接收電路。如圖2所示右側控制系統，通過光纖將高低壓隔離，起到安全保護作用。電網中的A、B、C三相電壓首先經過一級PT將1000V電壓轉換為100 V，然后進入采樣板，經過采樣板SPT205B(3/1)型二級電壓互感器轉換成2.5V電壓信號，經信號調理電路處理后，DSP進行采樣。同樣的原理，電網中的A、B、C三相電流信號，經兩級CT0(CT1采集故障電流)和信號調理電路處理后，DSP進行采樣;同時磁控電抗器采樣板，還要采集溫度傳感器輸出的信號。控制系統對采集的數據處理計算后，通過DSP的I/O口發出觸發脈沖，控制磁控電抗器。

系統的控制原理有兩種:兩CPU之間通過UART口來進行數據傳輸，手動觸發時，通過按鍵手動設定觸發角，然后進DSP處理發出觸發角，然后DSP采集數據計算處理，觀察晶閘管觸發后，系統的有功無功，功率因素;自動觸發時，DSP采集三相電壓、電流、溫度傳感器信號，數據處理后發出觸發角，同時把想要顯示的數據輸入ARM7，進行顯示。

圖2 系統控制原理圖

2.1 BF506FDSP和ARM7的特點

BF506FDSP處理器內核:400MHz(800MM-ACS)性能68KBL存儲器，4MB可執行閃存，內置12位雙通道SAR ADC低功耗，2個SPI、2個 SPORT、2個 UART和1個 PPI接口，ADC控制模塊可與外部ADC實現無縫接口，并執行同步采樣，2個三相PWM單元，CAN控制器和移動存儲器接口，8個通用計數器和2個32位升/降計數器，支持旋轉計數 ，12個外設DMA通道和2個存儲器對存儲器DMA通道［5-6］;

ARM7處理器具有高速緩存處理宏單元還提供8KB緩存、讀緩存和具有內存管理功能的高性能處理器，支持高密度16位的Thumb指令擴展;支持片上調試，支持64位乘法指令，支持嵌入式系統調試的Embedded ICE模塊。內置12位的A/D模塊，1個PWM 單元和 2 個 UART［7-10］。

2.2 電源模塊(掉電保護裝置)

控制系統通過開關電源輸出15 V電源，經穩壓電路處理后提供給系統，因為系統需要3.3 V、5 V、1.8 V、1.5 V 多種電源，所以在設置的時候選用不同等級的AMS1117轉換芯片。考慮到系統有時候會掉電，運用ICL7673設置了相應掉電保護模塊。系統掉電時，掉電保護裝置保證控制系統有足夠的時間將正在處理的數據保存，這樣保證了數據不會丟失。

2.3 信號采集模塊

首先將輸入信號經過電壓和電流互感器轉換成1.0 mA和2.5 mA的信號，然后濾波，相位補償，經信號調理電路后轉換成0～5 V電壓信號，輸入到DSP采樣模塊，考慮到系統中含有諧波分量，需用RC低通濾波，截止頻率為f，根據截止頻率的計算公式f=1/2πRC，可以先確定電容C1的大小，再計算出電阻R1的大小，濾波電路的相位補償電路是補償信號在采集過程中相位偏移，電壓抬升電路將負半波信號抬升，輸入到系統的A/D采樣模塊。而相位補償計算入在圖3中，假設Uo=(a+bj)Ui，要使Ui和Uo同相，必須使參數b等于0。經分析計算可知

圖3 信號調理電路

這里可以通過調節R2、R3的大小確定a值，再根據式(2)、(3)算出 R4和 C2。

2.4 晶閘管驅動和檢測模塊

晶閘管驅動電路采用的脈沖變壓器，選用脈沖變壓器響應速度快，具有很高的抗干擾能力;漏感小，保證了更好的輸出脈沖波形;該模塊驅動功率大，隔離強，性能好，電路簡單可靠性高使用方便。電路圖如4所示:DSP輸出控制脈沖，控制三極管的開斷。當DSP輸出高電平的時三極管導通，脈沖變壓器初級輸入電壓Uo=Vcc-Vcc/R1，通過調節R1的大小就可以改變輸入脈沖變壓器的電壓，當DSP輸出為低電平時，三極管截止，脈沖變壓器輸入電壓Uo=0:通過控制三級管可以提供給脈沖變壓器一個脈沖電壓。R2、D1起到續流的作用，D2、D3、R3起到整流的作用。圖5仿真波形是觸發角α=120°時晶閘管導通電壓波形，電流波形以及二極管電流波形。

晶閘管是否導通直接關系到磁控電抗器的補償效果，所以本系統設計了晶閘管檢測電路，監控晶閘管是否正常觸發。檢測電路圖如圖6所示:晶閘管兩極電壓經過電壓互感器PT隔離，經橋式整流、濾波(通過調節R4、C1可以改變濾波截止頻率)，經過比較電路后(調節R2可以改變基準電壓)然后輸入到三極管基極，當晶閘管不導通時，基極為高電平三極管導通，DSP接收到高電平;反之，DSP接收到低電平。

圖4 晶閘管驅動電路

圖5 晶閘管實驗波形

2.5 通信及人機對話模塊

圖6 晶閘管檢測電路

圖7 軟件設計流程圖

系統運用RS232與計算機進行通信，DSP和ARM都可以單獨與計算機進行通信。協議進行設定:用標準異步串行通信協議，只使用數據接收(RXD)線和數據傳輸(TXD)線，兩機通信采用同一波特率，每個命令字節(10位)包括一個低電平起始位、8位數據位、1個高電平停止位。控制系統每隔一段時間控制系統與計算機通信一次，將系統采集的數據傳輸到計算機，供工作人員分析數據。

控制系統運用ARM7實現LCD(320*240)顯示和鍵盤的控制，本系統可以實現自動投切，自動觸發，也可以手動觸發，通過鍵盤來輸入晶閘管觸發角，鍵盤控制使用的是ARM7外部中斷。

3 軟件設計

系統開始初始化，然后開始采樣電流電壓信號，過零檢測實時跟蹤電網的頻率，在A、B、C三相電壓的每次過零點處，DSP相應外部中斷，在中斷子程序中以三相電壓的過零點作為晶閘管觸發角α基準，來找出相應晶閘管觸發角α，調節磁控電抗器二次側的直流，從而達到補償效果。系統軟件流程圖如圖7:為了提高系統的精確度，處理數據采用快速傅里葉(FFT)處理采集的數據，將采集的數據傅里葉展開，取出基波進行計算，有功功率和無功功率，還可以非常方便的計算出諧波含量，提高了控制系統的處理精度。

4 結束語

本文基于DSP芯片BF506F和ADuC7026設計了磁閥式可控電抗器的控制裝置。能夠實時采集電網信號，監控磁控電抗器鐵芯氣隙，晶閘管溫度，而且高精度轉換快速處理數據，實現對磁控電抗器容量進行有效和平滑地調節，達到動態無功補償的目的。

本系統創新點

(1)硬件方面:采用雙CPU，BF506F和ADuC7026，DSP采用的是國內最先進 BF506F，400 MH的指令執行速度，內置4MBFlash存儲器，內置一個特別ADC控制模塊(ACM)可以自己獨立設置采樣模式，選擇采樣通道，不占用DSP內核處理的時間，這樣大大的節省了DSP處理的執行時間從而提高了DSP的數據處理速度。數據傳輸采用DMA(Direct Memory Access)通過硬件實現存儲器與存儲器之間、存儲器與ADuC7026之間高速數據傳送，不需要內核干預，減少中間環節，而且存儲器地址的修改和傳送均有硬件自動完成，極大的提高了傳送速度和工作效率［5］。設計系統的掉電保護模塊和晶閘管檢測模塊等。

(2)軟件方面:軟件程序可靠性高，具有看門狗保護程序。采用快速傅里葉(FFT)處理采集數據，可以利用功率因數和電壓穩定兩種控制原理來控制磁控電抗器進行補償無功，系統采用了PI控制，可以實現快速穩定的調節晶閘管觸發角?，同時控制進行自動和手動切換控制磁控電抗器。

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