數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)在串聯(lián)型電力有源濾波器中的應(yīng)用

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）在串聯(lián)型電力有源濾波器中的應(yīng)用東南大學(xué)電氣工程系曹然高亮蔣平唐國(guó)慶（南京210096）

1引言應(yīng)用電力電子技術(shù)抑制諧波，以改善電能質(zhì)量的新技術(shù)——電力有源濾波器（ActivePowerFilter）已成為近年來電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域中新的熱點(diǎn)。國(guó)際上以抑制諧波電流為目的的并聯(lián)型電力有源濾波器應(yīng)用居多，而隨著電壓敏感性負(fù)載不斷增多，以電壓畸變治理為主的串聯(lián)型有源濾波器，正顯示著越來越大的利用價(jià)值。同時(shí)，它又是進(jìn)一步研究綜合電能質(zhì)量補(bǔ)償器的前提條件，因此，對(duì)串聯(lián)型有源濾波器進(jìn)行研究有著重大的意義。在串聯(lián)型有源濾波器的研制過程中，我們采用了美國(guó)德州儀器公司（TI）的TMS320F240數(shù)字信號(hào)處理器（DigitalSignalProcessor），極大地方便了軟硬件的開發(fā)，加快了研制的進(jìn)程。TMS320F240具有下述特點(diǎn)【2】【3】：（1）50ns的指令周期，在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；（2）大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器：包含544字×16位的片內(nèi)數(shù)據(jù)/程序雙口（DualAccess）RAM，16k字×16位的片內(nèi)FlashEEPRO，共計(jì)224k字×16位存儲(chǔ)器地址范圍（64k數(shù)據(jù)，64k程序和I/O以及32k全局存儲(chǔ)器空間）；（3）事件管理模塊：12路比較/脈沖寬度調(diào)制（PWM）通道，3個(gè)16位通用定時(shí)器，3個(gè)死區(qū)控制的16位全比較單元，4個(gè)捕獲單元；（4）雙10位A/D轉(zhuǎn)換模塊；（5）基于鎖相環(huán)（PLL）的時(shí)鐘模塊；（6）看門狗定時(shí)器模塊（具有實(shí)時(shí)中斷功能）；（7）6個(gè)外部中斷（電源驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位、NMI及3種可屏蔽中斷）。充分使用TMS320F240DSP芯片構(gòu)成的實(shí)用系統(tǒng)，具有擴(kuò)充的外圍電路少、控制電路簡(jiǎn)單、控制手段靈活、易調(diào)試和易維護(hù)等很多特點(diǎn)。2以DSP為核心的硬件結(jié)構(gòu)串聯(lián)型電力有源濾波器主電路由串聯(lián)電路和并聯(lián)電路組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1串聯(lián)型電力有源濾波器主電路圖2以DSP為核心的控制結(jié)構(gòu)框圖串聯(lián)電路功能是：檢測(cè)電網(wǎng)畸變電壓，分離出需要補(bǔ)償?shù)碾妷翰a(chǎn)生控制信號(hào)，生成補(bǔ)償電壓注入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電壓補(bǔ)償?shù)墓δ?。并?lián)電路功能是：檢測(cè)有源濾波器輸入電流，生成電流控制信號(hào)，從而維持電容電壓恒定和保證設(shè)備功率因數(shù)。同時(shí)，作為一個(gè)實(shí)用裝置，還必須實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的投入、切除手段和故障情況下的保護(hù)手段?？刂齐娐芬訢SP為核心，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。電網(wǎng)電壓、電流經(jīng)過傳感器后變成＋5V～－5V的弱電信號(hào),經(jīng)過調(diào)理電路后變成0～5V的信號(hào),其中從電壓互感器來的A相電壓信號(hào)經(jīng)帶通濾波后送入鎖相分頻模塊,產(chǎn)生采樣保持分頻窄脈沖信號(hào)來控制保持電路,使之每個(gè)工頻周期保持指定點(diǎn)。而分頻窄脈沖經(jīng)過處理電路的處理后作為DSP內(nèi)部A/D的起動(dòng)信號(hào)使用。主電路的控制采用兩片TMS320F240。一片作為主DSP，除負(fù)責(zé)并聯(lián)整流控制（產(chǎn)生并聯(lián)側(cè)整流及輸入電流控制PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)并聯(lián)側(cè)主電路）外，還承擔(dān)整套裝置的協(xié)調(diào)工作，包括投入切除算法控制，故障保護(hù)控制及故障檢測(cè)功能。它的輸出信號(hào)一部分用于控制驅(qū)動(dòng)模塊以得到恒定的直流電容電壓，另一部分控制主電路繼電器。而另一片作為從DSP，用于串聯(lián)側(cè)的電壓補(bǔ)償PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生，TMS320F240將電壓電流采樣信號(hào)經(jīng)過DSP檢測(cè)算法運(yùn)算后生成補(bǔ)償信號(hào)，補(bǔ)償信號(hào)通過TMS320F240內(nèi)部PWM控制模塊產(chǎn)生PWM控制信號(hào)送給驅(qū)動(dòng)模塊，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)主電路生成補(bǔ)償電壓注入電網(wǎng)。3DSP軟件的設(shè)計(jì)DSP完成了APF系統(tǒng)中的絕大多數(shù)功能，為了完成這些功能，除用到TMS320F240的核心部分外，還充分應(yīng)用了F240片內(nèi)的許多外圍模塊，如A/D模塊，事件處理模塊和外部中斷功能。整個(gè)算法由并聯(lián)側(cè)與串聯(lián)側(cè)算法構(gòu)成。3．1并聯(lián)側(cè)DSP軟件算法（1）整體軟件流程并聯(lián)側(cè)DSP除完成并聯(lián)整流算法外，還需要完成APF設(shè)備的投入和切除算法，故障檢測(cè)和故障控制算法。圖3是并聯(lián)側(cè)DSP軟件算法的流程圖。如圖3所示，當(dāng)DSP起動(dòng)后首先進(jìn)行設(shè)備初始化操作，結(jié)束后進(jìn)行設(shè)備投入電網(wǎng)操作，然后DSP空閑，等待中斷的發(fā)生，一旦中斷出現(xiàn)，運(yùn)行相應(yīng)的中斷處理程序，處理完成后DSP空閑等待另一個(gè)中斷的發(fā)生。A/D變換，控制算法和PWM產(chǎn)生等一系列過程都在外部中斷XINT3中斷服務(wù)程序中完成。在設(shè)備初始化過程中，完成對(duì)故障檢測(cè)中斷設(shè)置、DSP的PLL鎖相時(shí)鐘模塊設(shè)置，外部中斷XINT2和XINT3的初始化設(shè)置和PWM的比較方式、輸出方式和死區(qū)設(shè)置等功能，最后進(jìn)行繼電器控制狀態(tài)設(shè)置，用于控制繼電器動(dòng)作和接收繼電器當(dāng)前狀態(tài)的I/O口和外部I/O空間。（2）中斷服務(wù)的設(shè)計(jì)圖3并聯(lián)側(cè)DSP軟件算法的流程圖并聯(lián)側(cè)的中斷服務(wù)子程序是軟件算法的最主要的組成部分,控制算法的實(shí)現(xiàn)、故障的檢測(cè)和保護(hù)等主要算法都通過中斷服務(wù)子程序來實(shí)現(xiàn)。并聯(lián)側(cè)中斷服務(wù)子程序有3個(gè)：XINT2中斷、XINT3中斷、PDPINT（功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷）。XINT3中斷處理程序的作用是對(duì)并聯(lián)側(cè)的輸入電流進(jìn)行處理，并執(zhí)行相應(yīng)的控制算法，以取得相應(yīng)的電壓補(bǔ)償信號(hào)，作為PWM控制信號(hào)產(chǎn)生的輸入。最終通過PWM控制主電路IGBT有規(guī)律的開關(guān)動(dòng)作，以維持直流電容電壓的恒定。XINT2中斷服務(wù)在A相電壓過零時(shí)響應(yīng)，通過XINT2中斷和XINT3中斷聯(lián)合完成控制算法中的同步邏輯。故障中斷的作用是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生中斷時(shí)，檢測(cè)各故障線的故障信號(hào)以判斷發(fā)生的故障類型，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。3．2串聯(lián)側(cè)DSP軟件算法串聯(lián)側(cè)僅完成補(bǔ)償電壓控制信號(hào)的生成，僅需要XINT2、XINT3中斷服務(wù)子程序，并在XINT3的中斷服務(wù)程序中采用相應(yīng)的電壓補(bǔ)償PWM控制策略。4結(jié)語(yǔ)在串聯(lián)型有源濾波器中采用數(shù)字信號(hào)處理器，所有算法均通過編程完成，易調(diào)試、易維護(hù)、所占空間小，不易受干擾，與傳統(tǒng)的硬件模擬方法比較有著巨大的優(yōu)勢(shì)，在響應(yīng)速度滿意的情況下，可以逐步地取代硬件模擬法。因此，數(shù)字信號(hào)處理器有著廣闊的應(yīng)用前景，也將會(huì)受到越來越多的重視。

“用計(jì)算器計(jì)算稍復(fù)雜的小數(shù)加、減法”教學(xué)設(shè)計(jì)［教學(xué)目標(biāo)］：1、會(huì)用計(jì)算器進(jìn)行一些稍復(fù)雜的小數(shù)加、減法計(jì)算。

2、讓學(xué)生體驗(yàn)用計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算的方便與快捷，進(jìn)一步培養(yǎng)對(duì)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，感受計(jì)算器在人們生活和工作中的價(jià)值。

［教材簡(jiǎn)析］：例題通過相對(duì)復(fù)雜的問題情境，引入用計(jì)算器計(jì)算小數(shù)加、減法，教給學(xué)生在計(jì)算器上按出整數(shù)部分是0的小數(shù)的簡(jiǎn)便按法，再用計(jì)算器解決小數(shù)加法的實(shí)際問題?！霸囈辉嚒崩^續(xù)通過例4的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生借助計(jì)算器解決小數(shù)減法的實(shí)際問題。

［教學(xué)過程］：

一、談話導(dǎo)入，激發(fā)興趣

談話：同學(xué)們都有去超市購(gòu)物的經(jīng)驗(yàn)，購(gòu)?fù)晡?，營(yíng)業(yè)員都能借助計(jì)算器準(zhǔn)確、快速地算出應(yīng)付的價(jià)錢，今天我們也來用計(jì)算器解決一些計(jì)算問題。

二、創(chuàng)設(shè)情境，解決問題

1、教學(xué)例4

（1）出示例題，理解題意。談話：怎樣用計(jì)算器算出她一共用了多少元？

（2）先讓學(xué)生獨(dú)立思考，然后指名回答。在全班交流中達(dá)成共識(shí)：只要把“金額”一欄的數(shù)據(jù)加起來。

（3）提問：那在計(jì)算器上，怎樣才能按出買鉛筆的錢呢？先讓學(xué)生自己試著按一按，再交流方法。學(xué)生的方法可能有：①按照“0”、“·”、“8”、“0”的`次序按鍵。②先按“·”再按“8”，顯示“0·8”，就是買鉛筆的錢數(shù)。

（4）嘗試計(jì)算。

（5）集體校對(duì)。提問：怎樣才能計(jì)算得又對(duì)又快？學(xué)生的想法可能有：①先記牢這個(gè)數(shù)，然后再按。②看到零點(diǎn)幾的小數(shù)，可以直接按小數(shù)點(diǎn)和小數(shù)部分，這樣能節(jié)省計(jì)算時(shí)間。③按好一個(gè)數(shù)，還要看看顯示屏，核對(duì)一下。④算完還可以用計(jì)算器再算一遍。

2、完成“試一試”

（1）提問：如果李蕓付出100元，應(yīng)找回多少元？請(qǐng)你用計(jì)算器算一算。

（2）學(xué)生嘗試用計(jì)算器計(jì)算。

（3）小結(jié)：用計(jì)算器計(jì)算這些比較復(fù)雜的小數(shù)加減法（出示課題），確實(shí)非常快捷，正確率也高。

［設(shè)計(jì)意圖：用計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算時(shí)，為確保計(jì)算的快捷和正確，核對(duì)和驗(yàn)算很重要，通過學(xué)生的討論和交流使學(xué)生獲得準(zhǔn)確靈活的計(jì)算方法。

學(xué)生已經(jīng)有了用計(jì)算器計(jì)算的基礎(chǔ)，因此這個(gè)環(huán)節(jié)以嘗試使用、相互交流為主要學(xué)習(xí)方式，順應(yīng)了學(xué)生使用計(jì)算器的需要，也為學(xué)生提供了很好的相互啟發(fā)、相互學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。］

三、鞏固練習(xí)，應(yīng)用拓展

1、完成“練一練”

（1）讓學(xué)生用計(jì)算器獨(dú)立計(jì)算，在書上記下每題的得數(shù)。

（2）交流計(jì)算的注意點(diǎn)。在討論交流中使學(xué)生明確：先記牢一個(gè)數(shù)，然后再按，按好后注意核對(duì)，提高計(jì)算的正確率。

2、完成練習(xí)九第6題

（1）提問：你是怎樣列式的，結(jié)果是多少？

（2）學(xué)生各自用計(jì)算器計(jì)算這四題。

（3）同桌互相出題并借助計(jì)算器解答。

3、練習(xí)九第8題

（1）理解題意。先讓學(xué)生觀察這張收支情況統(tǒng)計(jì)表，說說每欄表示什么含義。

（2）思考：怎樣算“小明開學(xué)繳費(fèi)”后的余額？先讓學(xué)生獨(dú)自思考，再指名回答。在交流中明確：只要用上月的余額1203·5元減去支出的100元，就能算出小明開學(xué)繳費(fèi)后的余額。

（3）明確各項(xiàng)余額的算法。讓學(xué)生挑選一欄和同桌說說怎樣算它的余額？重點(diǎn)解決“合計(jì)收入”“合計(jì)支出”的算法。

（4）學(xué)生獨(dú)立用計(jì)算器算出每次收支后的余額，集體校對(duì)答案。

（5）拓展延伸。談話：我們也能像小明一樣，學(xué)記自己的經(jīng)濟(jì)小帳本。設(shè)想一下，如果要你來統(tǒng)計(jì)每月零花錢的收支情況，你準(zhǔn)備怎樣來設(shè)計(jì)這張統(tǒng)計(jì)表？希望同學(xué)們持之以恒記好經(jīng)濟(jì)帳，合理支配自己的零花錢。

［設(shè)計(jì)意圖：通過用計(jì)算器計(jì)算開支情況，使學(xué)生感受到計(jì)算器在人們生活和工作中的價(jià)值。并且聯(lián)系生活用數(shù)學(xué)，讓學(xué)生學(xué)記經(jīng)濟(jì)帳，從而不斷增強(qiáng)學(xué)生學(xué)數(shù)學(xué)、用數(shù)學(xué)的自覺性。］

4、練習(xí)九第9題

（1）學(xué)生先用計(jì)算器計(jì)算前三題。

（2）匯報(bào)結(jié)果。前三題的答案依次是1·89、2·889、3·8889。

（3）提問：觀察一下，這三題的答案有什么規(guī)律？學(xué)生的想法可能有：①個(gè)位上的數(shù)一個(gè)比一個(gè)多1。每個(gè)數(shù)的末尾都是9。②小數(shù)中間“8”的個(gè)數(shù)和個(gè)位上