有源電力濾波器中的諧波檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)現(xiàn)在有源電力濾波器中諧波檢測(cè)的缺陷，設(shè)計(jì)出一種基于DSP、AD756和MAX260等硬件相結(jié)合的諧波檢測(cè)電路。分析了 ip-iq諧波電流檢測(cè)算法，并且在硬件上實(shí)現(xiàn)。介紹了硬件結(jié)構(gòu)原理，給出硬件設(shè)計(jì)框圖和諧波檢測(cè)各部分的程序流程，并研制出諧波檢測(cè)電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了諧波檢測(cè)的快速性和準(zhǔn)確性，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有較好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：諧波檢測(cè)；TMS320F2812；AD7656；PLL；MAX260；C8051F330

    對(duì)于有源電力濾波器(APF)而言，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出諧波電流是非常關(guān)鍵的，它的快速性、準(zhǔn)確性、靈活性以及可靠性直接決定APF的補(bǔ)償性能。
    設(shè)計(jì)的諧波檢測(cè)電路檢測(cè)出的多路模擬信號(hào)會(huì)有一定的延遲性，這會(huì)大大影響APF計(jì)算諧波的精確性和準(zhǔn)確性。本文中諧波檢測(cè)裝置所用的AD7656具有6路同步采樣特性，克服了測(cè)量結(jié)果之間延遲的缺點(diǎn)，使得測(cè)量精度高。以上優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了目前APF中諧波電流檢測(cè)技術(shù)的缺陷，而且抗混疊濾波器、隔離放大器、過(guò)零檢測(cè)電路、鎖相倍頻電路的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了檢測(cè)的精確性。

1 裝置整體運(yùn)行原理及相關(guān)算法
1．1 裝置運(yùn)行原理
    圖1為并聯(lián)型有源電力濾波器的原理結(jié)構(gòu)框圖。圖中，交流電網(wǎng)對(duì)非線性負(fù)載電，非線性負(fù)載為諧波源，產(chǎn)生諧波并且消耗無(wú)功功率。有源電力濾波器由4部分組成：諧波電流檢測(cè)電路、電流跟蹤控制電路、主開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路和主電路。諧波電流檢測(cè)電路采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq算法，根據(jù)有源電力濾波器的補(bǔ)償目的檢測(cè)出負(fù)載電流中的諧波分量，同時(shí)還要檢測(cè)直流側(cè)母線電容電壓。然后將這些信號(hào)輸入電流跟蹤控制電路，通過(guò)控制算法生成一系列PWM信號(hào)，以此作為補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后輸入主開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)主電路中的主開(kāi)關(guān)器件。此時(shí)，APF產(chǎn)生并向電網(wǎng)注入補(bǔ)償電流，該電流與非線性負(fù)載電流相位相反，幅值為負(fù)載電流中的諧波分量，從而達(dá)到濾波目的。

圖1   APF主電路系統(tǒng)構(gòu)成圖

    有源電力濾波器檢測(cè)模塊的工作框圖如圖2所示。6路電流信號(hào)包括三相電流ia、ib、ic以及由APF發(fā)出的補(bǔ)償電流，這6路電流信號(hào)經(jīng)霍爾電流傳感器變換后，在高精度取樣電阻上形成與原信號(hào)成比例的電壓信號(hào)，霍爾電流傳感器采用LEM公司生產(chǎn)的LA55-P，采用這種霍爾傳感器加高精度取樣電阻的方式，可以獲得更好的抗干擾能力，模擬信號(hào)變換的精度更高。


    直流母線電壓信號(hào)經(jīng)霍爾電壓傳感器變換后，由于對(duì)直流母線電壓的精度要求不高，就不再進(jìn)行信號(hào)調(diào)理而直接進(jìn)入A／D芯片的模擬信號(hào)輸入通道。
    A／D采樣啟動(dòng)信號(hào)也可以由DSP內(nèi)部的定時(shí)器發(fā)出，但是由于電網(wǎng)頻率會(huì)有所波動(dòng)，而定時(shí)器的計(jì)時(shí)周期并不會(huì)隨電網(wǎng)的頻率變化而變化，使用內(nèi)部定時(shí)器作為A／D啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，會(huì)影響到瞬時(shí)無(wú)功算法的精度，使用了鎖相倍頻電路發(fā)出的12．8 kHz方波作為A／D芯片采樣控制信號(hào)。
    在諧波計(jì)算當(dāng)中，需要用到采樣點(diǎn)的電角度所對(duì)應(yīng)的正、余弦值，由于將電網(wǎng)頻率256倍頻，也就是在一個(gè)電網(wǎng)電壓信號(hào)周期內(nèi)要采256個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)角度的正、余弦值已經(jīng)計(jì)算出來(lái)，并存儲(chǔ)到了非易失性鐵電存儲(chǔ)器當(dāng)中。每次DSP啟動(dòng)后，會(huì)預(yù)先把正、余弦表從鐵電存儲(chǔ)器中讀取到內(nèi)存中，節(jié)省查表時(shí)間。
    在DSP的CAP4捕獲到過(guò)零檢測(cè)電路信號(hào)的上升沿時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)CAP5來(lái)捕獲12．8 kHz方波的上升沿，同時(shí)將查詢正弦表和余弦表的指針清零，回到表格首地址，開(kāi)始下一個(gè)周期的查詢。[!--empirenews.page--]
1．2 諧波分析算法
    針對(duì)APF的諧波電流檢測(cè)的特點(diǎn)，本課題采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq檢測(cè)法。瞬時(shí)無(wú)功功率理論是將三相電流變換到α、β坐標(biāo)，大大地簡(jiǎn)化了負(fù)載有功功率和無(wú)功功率的計(jì)算，在檢測(cè)三相電路諧波及無(wú)功電流中得到了成功的應(yīng)用。經(jīng)坐標(biāo)變換后，電網(wǎng)基波電流的瞬時(shí)
無(wú)功功率和有功功率在α、β坐標(biāo)系中已成為直流成分，因而只要用低通濾波器濾除交流成分，將直流成分逆變換后，就得到電網(wǎng)基波電流。這樣，電網(wǎng)電流減去已檢測(cè)出的基波電流，就得到電網(wǎng)的諧波電流。
    基于ip-iq算法的諧波電流檢測(cè)方法原理圖如圖3所示。



2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    諧波檢測(cè)電路由DSP外圍電路、模擬信號(hào)調(diào)理電路、A／D采樣電路、過(guò)零檢測(cè)電路及鎖相倍頻電路等5部分組成。
2．1 模擬信號(hào)調(diào)理電路
    模擬信號(hào)調(diào)理電路主要是霍爾電流傳感器、可編程有源濾波芯片MAX260組成，其原理框圖如圖4所示。


    電網(wǎng)電流在經(jīng)萊姆霍爾電流傳感器按一定比例縮小后，在精密采樣電阻上形成一個(gè)壓降，即將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鲏盒盘?hào)(如圖5所示)，之后電壓信號(hào)進(jìn)入抗混疊濾波器MAX260中，將頻率為O．5倍采樣頻率以上的諧波信號(hào)濾除。


    為了避免三相負(fù)載電流檢測(cè)信號(hào)中的高頻分量造成數(shù)字采樣中的混疊現(xiàn)象，影響諧波檢測(cè)的精度，必須設(shè)置抗混疊低通濾波器進(jìn)行濾波；根據(jù)香農(nóng)采樣定理，被采樣信號(hào)中的最高次分量頻率應(yīng)小于或等于采樣頻率的一半。截止頻率設(shè)置較低，能保證濾除效果，但是過(guò)低的截止頻率將使被濾波信號(hào)存在過(guò)大的相位移，給信號(hào)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性帶來(lái)影響。所以，應(yīng)當(dāng)合理選擇抗混疊低通濾波器的截止頻率，使之在保證有效濾除高頻噪聲的前提下，同時(shí)有效保證信號(hào)數(shù)字采樣的精度。
    抗混疊濾波器采用Maxim公司生產(chǎn)的可編程通用有源濾波器芯片MAX260。C8051F330與MAX260的電路連接圖如圖6所示。MAX260內(nèi)部有兩個(gè)濾波器A和B，這兩個(gè)濾波器均需要一個(gè)外部時(shí)鐘，在這里濾波器A和B共用一個(gè)外部時(shí)鐘，這個(gè)外部時(shí)鐘是由單片機(jī)的定時(shí)器來(lái)完成的。在設(shè)置濾波器參數(shù)時(shí)中，A、B兩個(gè)濾波器均被設(shè)置成二階的巴特沃斯低通濾波器，截止頻率為6000 Hz，通帶紋波系數(shù)為0．5dB，阻帶衰減20dB。為了提高濾波效果，將A和B兩個(gè)濾波器級(jí)聯(lián)起來(lái)，即濾波器A的輸出信號(hào)作為濾波器B的輸入信號(hào)，以增強(qiáng)濾波效果。


2．2 AD7656采樣電路
    AD7656與DSP7656的接口電路如圖7所示。


    AD7656連接外圍電路時(shí)，在DVCC、AVCC、VDRIVE、REFIN／0UT和VSS引腳須加1組去耦電路，該去耦電路是由1個(gè)10 μF和1個(gè)100 nF電容組成。去耦電容要盡量靠近器件，以達(dá)到更好的去耦效果。AD7656其他關(guān)鍵引腳的連接是STBY接VDRIVE，選擇正常模式；RANGE接地表示選擇輸入范圍±10 V；SER／PAR接地。選擇并行接口；W／B接地表示16位并行輸出；WR／REFEN／DIS接VDRIVE表示選擇內(nèi)部參考。
2．3 過(guò)零檢測(cè)電路
    過(guò)零檢測(cè)電路電路圖如圖8所示。采用宇波公司的CHV-25P霍爾電壓傳感器，此霍爾電壓傳感器的額定電流為10 mA，原邊與副邊匝數(shù)比為2500：1000．所以在將A相電網(wǎng)電壓接入霍爾電壓傳感器前，需要通過(guò)一個(gè)限流電阻進(jìn)行限流，以免電流過(guò)大將霍爾電壓傳感器燒壞，它
的M端為副邊電流輸出端，需要加一支采樣電阻，將電阻上的壓降引入一個(gè)由運(yùn)算放大器CA3140及4個(gè)電阻組成的滯回比較器，然后在其輸出端通過(guò)一個(gè)由兩個(gè)二極管組成的鉗位電路之后，將高低電平鎖定為5 V和0 V，然后再進(jìn)入一個(gè)與非門(mén)CD4093，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行整形。
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2．4 過(guò)零信號(hào)與電網(wǎng)信號(hào)相位差的解決方法
   在示波器上將過(guò)零信號(hào)與正弦信號(hào)拉伸之后發(fā)現(xiàn)，過(guò)零信號(hào)超前正弦信號(hào)200 μs。對(duì)過(guò)零信號(hào)進(jìn)行了硬件補(bǔ)償。如圖9所示，時(shí)間常數(shù)τ=RC，且τ要滿足τ≥200μs的條件。在圖中CA3140是一個(gè)電壓比較器，調(diào)節(jié)R的阻值就可以調(diào)節(jié)CA3140輸出信號(hào)的高電平寬度，然后與輸入信號(hào)進(jìn)入與門(mén)74LS08，得到輸出信號(hào)，此輸出信號(hào)不再具有占空比50％的特點(diǎn)，但這不妨礙過(guò)零信號(hào)的準(zhǔn)確性，因?yàn)镈SP的CAP4只是捕獲其上升沿，將過(guò)零方波的上升沿推遲200μ也就達(dá)到了過(guò)零信號(hào)與正弦信號(hào)同步的目的。


2．5 鎖相倍頻電路
    鎖相倍頻電路采用了鎖相環(huán)芯片(Phase Locked Loop，PLL)74HC4046、累加計(jì)數(shù)器CD4040和低通濾波器組成，其電路連接圖如圖10所示。A相電壓信號(hào)過(guò)零信號(hào)檢測(cè)電路后得到與A相電壓同步的50 Hz方波，此方渡作為鎖相倍頻電路的輸入信號(hào)進(jìn)入鎖相環(huán)芯片74HCA046的14號(hào)引腳，4號(hào)引腳是74HC4046內(nèi)部壓控振蕩器的輸出端，其輸出信號(hào)進(jìn)入二進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4040的10號(hào)引腳，進(jìn)行256倍倍頻，其倍頻信號(hào)從二進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4040的13號(hào)引腳輸出又進(jìn)入74HCA046的3號(hào)引腳，即比較信號(hào)輸入端，74HCA046內(nèi)部的相位比較器對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行相位比較后，從相位比較器的輸出端13號(hào)引腳輸入。經(jīng)過(guò)由R1、R2和C組成的低通濾波器，將高頻噪聲濾除后，再進(jìn)入74HC4046的內(nèi)部壓控振蕩器，作為其控制信號(hào)，從上述過(guò)程可以看到這是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)節(jié)，使輸出信號(hào)頻率為輸入信號(hào)頻率的256倍，并且使輸入信號(hào)與比較信號(hào)的頻差為0。


    鎖相倍頻電路能否迅速穩(wěn)定并準(zhǔn)確倍頻出12．8 kHz方波，是整個(gè)檢測(cè)模塊乃至整個(gè)有源電力濾波器在開(kāi)機(jī)后能否在最短時(shí)間開(kāi)始工作的關(guān)鍵，所以，為了研究鎖相倍頻電路的暫態(tài)特性，畫(huà)出鎖相倍頻電路這個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理框圖，如圖11所示。



3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本檢測(cè)模塊的軟件主要包括主程序、A／D采樣子程序、諧波電流指令計(jì)算子程序、鐵存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)讀寫(xiě)子程序等三部分組成。其中前兩項(xiàng)是運(yùn)行在DSP TMS320F2812上的程序，最后一項(xiàng)是運(yùn)行在單片機(jī)C8051F330上的程序。
3．1 主程序設(shè)計(jì)
    在系統(tǒng)上電之后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，按默認(rèn)值設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘、各外設(shè)時(shí)鐘、I2C通信速度，還要開(kāi)啟相關(guān)外設(shè)，如PWM輸出、定時(shí)器，以及相關(guān)外設(shè)的中斷，如捕獲中斷、I2C通信中斷、定時(shí)器中斷等等，系統(tǒng)初始化完成之后，通過(guò)查詢一個(gè)標(biāo)志位判斷是否讀取鐵電存儲(chǔ)器當(dāng)中的數(shù)據(jù)。鐵電存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)主要是一個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)256個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的正弦值和余弦值，以及各個(gè)外設(shè)的設(shè)定選項(xiàng)，待將鐵電存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存中開(kāi)辟的單元后，按照這些外設(shè)設(shè)定選項(xiàng)重新去設(shè)定各個(gè)外設(shè)，設(shè)定完成之后，通過(guò)一個(gè)標(biāo)志位再次判斷是否讀取鐵電存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，之后會(huì)進(jìn)到一個(gè)循環(huán)當(dāng)中，不斷查詢是否要進(jìn)行諧波電流計(jì)算，諧波電流計(jì)算完成之后，再判斷是否發(fā)出相應(yīng)的PWM波，并按照相應(yīng)的標(biāo)志位做出相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)這個(gè)循環(huán)也是一個(gè)等待捕獲中斷的過(guò)程，待有捕獲中斷發(fā)生后就會(huì)啟動(dòng)外部A／D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行采樣，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送回DSP中，并置諧波電流計(jì)算標(biāo)志位。
3．2 A／D采樣子程序
    在DSP TMS320F2812的CAP5捕獲到由鎖相倍頻電路發(fā)出的12．8 kHz方波的上升沿后，GPIOB11就會(huì)發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)的片選信號(hào)給AD7656的CS端，之后GPIOB10就會(huì)發(fā)出一個(gè)高電平信號(hào)來(lái)啟動(dòng) AD7656對(duì)6路模擬信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣，GPIOB1O與AD7656的CONVSTA、CONVSTB和CONVSTC相連，這樣就可以同時(shí)啟動(dòng) AD7656同時(shí)對(duì)6路模擬信號(hào)采樣。