基于TMS320F2812的电力系统谐波检测补偿电路设计
摘 要：本文设计了基于TMS320F2812芯片的电力系统谐波检测、补偿电路。论述了如何用DSP芯片构造谐波检测控制主板，三相电流、电压的采样电路，以及IGBT驱动的PWM输出电路结构。
关键词：TMS320F2812；谐波检测；谐波补偿；瞬时无功功率
本文从实际应用出发，采用TMS320F2812芯片，设计了谐波检测、补偿电路。利用DSP芯片构造了谐波检测控制主板，三相电流、电压的采样电路，以及IGBT驱动的PWM输出电路。采用瞬时无功功率法对谐波和无功功率进行分析、补偿。
图1 单相电压信号变换电路
图2 典型的PIE/CPU中断响应
DSP的硬件设计
TMS320F2812芯片的主要性能
采用高性能静态CMOS技术，低功耗 (1.8V内核电压，3.3V I/O电压)；主频为150MHz， 3.3V闪存编程电压。
支持JTAG边界扫描。
高性能的32位CPU，采用哈佛总线结构，具有强大的操作能力，16位×16和32位×32的MAC操作以及16位×16的双MAC，能够迅速地响应和处理中断，具有统一的寄存器编程模式，可达4MB的线性程序和数据地址，代码高效(使用C/C++和汇编语言)且与TMS320F240/LF240X DSP的源代码兼容。
DSP核心板设计
DSP核心板基本结构
DSP芯片最小系统所需外围器件较为简单，由于最小系统在正常供电的情况下也可以工作，所以将这一部分单独提出来，做成一个小的六层板。单独的DSP芯片核心板，与谐波检测、补偿板上的较宽的引脚连线区分开来，防止由检测、补偿电路引入的高频谐波分量对DSP芯片的干扰。同时，一旦DSP芯片发生损坏，还可以直接更换，而不用更换整个电路板。这样，既方便了电路调试，又方便了设备的检修、更换。
TMS320F2812内核电压为1.8V，I/O口电压为3.3V，采用TPS767D318芯片来提供所需的两种电压。
DSP芯片采用有源晶振作为时钟源。由于TMS320F2812最高可在150MHz的频率下工作，所以通常外接一个30MHz的晶振输入到X1/XCLKIN引脚。F2812内含一个基于PLL的时钟模块。该模块为芯片提供了必要的时钟信号。PLL具有4位比例控制，用来选择不同的CPU时钟速率。PLLCR寄存器为PLL控制寄存器，其3~0位为PLL时钟预定标选择位，这4位对输入时钟选择PLL倍频系数。当将这4位设置为1010时，系统内部时钟频率即可达到150MHz。
外围存储器扩展
进行瞬时无功功率运算涉及到大量数据的存储和运算，由于编写的程序较长，需要对芯片进行外部存储空间的扩展。设计存储器接口时，主要考虑的是存储器速度。快速PROM/EPROM可直接与芯片接口，只需将存储器的地址线和数据线相连，辅以必要的译码电路即可。当与慢速存储器接口连接时，必须插入一定的等待状态数。所需等待状态数随存储器访问时间不同而不同。TMS320F2812最大可扩展512KB SRAM。本设计采用两片64K×16bit的CY7C1041V33芯片，对DSP芯片扩展了128KB的SRAM存储器，配合片内128KB全速Flash，使得程序调试变得简单。
谐波检测、补偿板设计
谐波抑制技术一方面涉及到对于变化谐波的动态补偿特性的提高，即通过采样电路得到电网电压、电流瞬时值后，能够迅速进行相关计算分析，得到控制PWM的补偿数据；另一方面涉及到谐波检测电路的稳定可靠运行，即DSP发出的驱动IGBT模块的PWM信号要能正常地对电网进行回馈。
本设计对采集进入DSP系统的电压和电流信号采用瞬时无功功率计算方法，并使用5阶的Butterworth数字滤波器进行滤波，得到所需补偿的谐波电流数字量。根据所要补偿的谐波电流结果，调节输出的PWM脉冲宽度，从而调节IPM功率模块开通和截止的时间，逆变出相应的补偿电流进行补偿。
三相电压、电流采样电路
要进行谐波检测，首先要通过电流型和电压型霍尔传感器将三相电网上每一相的电压和电流信号转换成电压信号。这6路电压和电流信号就是要接入谐波检测、补偿板的信号。
图1所示为单相的电压信号在谐波检测、补偿板上的变换电路。
由霍尔传感器转换得到的电压信号不能直接接入DSP的ADC引脚。而要通过图1所示的电路，使进入ADC的电压信号稳定可靠。其它通道的信号采集电路结构与图1的结构类似。
IGBT驱动接口电路
由于IGBT进行逆变涉及到对整流后高压的操作，因而对IGBT进行驱动就必须设计其驱动接口电路。本设计使用日本三菱公司的PM25RSB120模块。对DSP芯片输出的PWM信号使用6N136进行隔离。通过光隔离作用，将PWM驱动信号和高压端隔离开来。
软件设计
F2812支持CPU级上的1个非屏蔽中断(NMI)和16个可屏蔽优先级中断请求(INT1~INT14， RTOSINT和DLOGINT)。外设级上的中断事件通过外设中断扩展模块(PIE)来处理。F2812的PIE模块支持96个中断，分成12组，每组都被反馈到CPU内核的12条中断线的一条上。PIE向量表用来存储系统的各个中断服务子程序ISR的22位地址。每个中断向量都是32位，这些向量保存在专用RAM块中,并可以修改。图2为F2812典型的中断响应过程。
在执行中断服务子程序之前，必须将寄存器ST0、T、AH、AL、PH、PL、AR0、AR1、DP、ST1、DBGSTAT、PC和IER的值保存到堆栈中。
结语
本文设计的谐波检测补偿装置在电力系统的无功补偿和有源滤波中有着广泛的应用。