專利名稱：一種基于雙浮點(diǎn)dsp的電力電子設(shè)備控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電子設(shè)備控制系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于雙浮點(diǎn)DSP(數(shù)字信號處理器)的電力電子設(shè)備控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著科技的飛速發(fā)展，人們對電能質(zhì)量以及其可靠性的要求越來越高，各種新電力電子設(shè)備不斷出現(xiàn)，例如靜態(tài)切換開關(guān)STS (Static Transfer Switch)、有源電力濾波器 APF (APF-Active Power Filter)、靜止無功發(fā)生器 SVG (Static Var Generator)、配電靜止同步補(bǔ)償器DSTAC0M等。這些電力電子設(shè)備相比較傳統(tǒng)的電力電子設(shè)備，對控制系統(tǒng)的信號處理精度和實(shí)時性有著更高的要求。而現(xiàn)有的控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)處理能力較慢，外部接口的擴(kuò)展性較差，控制不夠方便靈活，信號處理精度可靠性和實(shí)時性滿足不了 新電力電子設(shè)備的要求。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題，就是提供一種基于雙浮點(diǎn)DSP的電力電子設(shè)備控制系統(tǒng)，其能夠有效提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度、數(shù)據(jù)處理能力以及外部接口的擴(kuò)展性，控制方便靈活，有較高的可靠性和實(shí)時性。解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下一種基于雙浮點(diǎn)DSP的電力電子設(shè)備控制系統(tǒng)，包括依次連接的信號采集單元和信號處理單元，其特征是所述的信號采集單元包括模擬電路22及其分出的兩條分支，第一分支為依次連接的第一調(diào)理電路23和第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊25，第二分支為依次連接的第二調(diào)理電路24和第二 A/D轉(zhuǎn)換模塊26 ;所述的信號處理單元包括相互之間通過端口雙向連接的主DSP處理器27、輔助DSP處理器29和FPGA28 ;所述的第一分支的第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊與所述的主DSP處理器連接，所述的第二分支的第二 A/D轉(zhuǎn)換模塊與所述的輔助DSP處理器連接。還包括有信號輸出單元所述的主DSP處理器27、輔助DSP處理器29分別外接第一、第二人機(jī)接口 30、32，所述的FPGA 28輸出控制信號31。本發(fā)明通過對控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新及有效配置，有效提高了控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊速度、運(yùn)算處理速度浮點(diǎn)DSP有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理精度，非常適用于電力系統(tǒng)及其自動化設(shè)備信號處理環(huán)節(jié)。同時DSP內(nèi)置的PWM模塊，可以方便的實(shí)現(xiàn)電力電子輸出控制。雙DSP的架構(gòu)也為將來的功能擴(kuò)展提供了有力保障。雙浮點(diǎn)DSP的控制器結(jié)構(gòu)，如圖I所示。其主要包括兩個浮點(diǎn)DSP (主DSP27、輔助DSP 29)以及一個FPGA28。在以雙DSP為核心的控制系統(tǒng)模塊中，主DSP 27主要功能包括電力電子開關(guān)器件控制，根據(jù)電能質(zhì)量狀態(tài)，做出控制決策；輔助DSP處理器29主要完成電源質(zhì)量的監(jiān)控，包括各種電壓、電流電能質(zhì)量監(jiān)測功能。兩個處理器之間通過FPGA連接。該控制結(jié)構(gòu)的主要特征在于[0009]I.采用雙浮點(diǎn)DSP結(jié)構(gòu)，兩個DSP均有AD采樣信號輸入功能。主DSP 27用于實(shí)時控制，輔助DSP 29用于實(shí)時監(jiān)測。通過浮點(diǎn)DSP27、29之間的協(xié)同工作，可達(dá)到高端處理器的響應(yīng)速度，甚至更優(yōu)的系統(tǒng)性能。2.雙DSP之間采用可編程器件進(jìn)行交互。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，主DSP27、FPGA28、輔助DSP29通過并行接口和多條GPIO 口相連接。FPGA具有高速靈活的特點(diǎn)，通過內(nèi)置的雙口RAM，可使得兩個浮點(diǎn)DSP以MHZ級的速度并行通訊。3.豐富的外部接口。如圖2主DSP27和輔助DSP29均擴(kuò)展有外部人機(jī)接口 30、32，人機(jī)接口可以為觸摸屏、以太網(wǎng)、485、GPIO等。其外部人機(jī)接口和通訊接口是單浮點(diǎn)DSP系統(tǒng)的兩倍。 4. DSP 27、29同時具有模擬信號采樣功能。可如圖2所示，分別通過并行口或串行口連接外部模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD25、26，或者使用DSP內(nèi)部AD對模擬信號進(jìn)行采樣。通過雙DSP的結(jié)構(gòu)可以真正實(shí)現(xiàn)模擬信號的并行采樣處理。有益效果本實(shí)用新型能夠有效提高控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊速度、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理速度以及系統(tǒng)控制響應(yīng)速度，控制方便靈活且速度極快，與傳統(tǒng)的固態(tài)開關(guān)相比，具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性以及實(shí)效性，同時該硬件架構(gòu)具有較好的軟硬件適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)用低成本的DSP達(dá)到高端DSP的處理性能，可應(yīng)用于多種電力電子設(shè)備，如APF、SVG,、DSTACOM、STS等，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。其具體有益效果如下I、使用雙浮點(diǎn)DSP配置，協(xié)浮點(diǎn)DSP完成電子開關(guān)電壓、電流狀態(tài)監(jiān)測功能，主DSP主要完成供電系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測功能，兩者協(xié)調(diào)合作，可達(dá)到高端處理器的響應(yīng)速度，甚至更優(yōu)的系統(tǒng)性能，有效地提高了系統(tǒng)的整體運(yùn)算速度，保證了控制算法運(yùn)算的可靠性和時效性。2、使用FPGA連接兩個浮點(diǎn)DSP，一方面可以滿足高速通信要求，如使用基于FPGA雙口 RAM通信，可以保證兩個處理器之間進(jìn)行高速可靠的信息傳輸，很好地解決并行性和速度問題，而且其靈活的可配置特性使得DSP的連接和通訊模式易于修改、測試及系統(tǒng)升級，可降低設(shè)計成本，加強(qiáng)系統(tǒng)靈活性。3、豐富的外部接口。主DSP和輔助DSP均可擴(kuò)展人機(jī)接口和通訊接口，包括觸摸屏、以太網(wǎng)、485、GPIO、CAN等。由于雙DSP架構(gòu)，因此其外擴(kuò)端口是單處理器系統(tǒng)的兩倍。4、采用浮點(diǎn)DSP因此系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)范圍更大，數(shù)據(jù)處理精度更高，且運(yùn)算速度更快，能夠適應(yīng)目前越來越高的系統(tǒng)響應(yīng)速度和精度的要求。

下面結(jié)合圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。圖I是基于雙浮點(diǎn)DSP架構(gòu)的中壓固態(tài)開關(guān)控制系統(tǒng)示意圖；圖2是本實(shí)用新型的實(shí)施例組成結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖2所示，本實(shí)用新型的基于雙浮點(diǎn)DSP的電力電子設(shè)備控制系統(tǒng)實(shí)施例，包括依次連接的信號采集單元和信號處理單元，信號采集單元由模擬電路22及其分出的兩條分支構(gòu)成，第一分支為依次連接的第一調(diào)理電路23和第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊25,第二分支為依次連接的第二調(diào)理電路24和第二 A/D轉(zhuǎn)換模塊26 ;信號處理單元包括相互之間通過端口雙向連接的主DSP處理器27、輔助DSP處理器29和FPGA28 ;第一分支的第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊與主DSP處理器連接，第二分支的第二 A/D轉(zhuǎn)換模塊與輔助DSP處理器連接。主DSP處理器27、輔助DSP處理器29分別外接第一人機(jī)接口 30、第二人機(jī)接口32，F(xiàn)PGA28輸出控制信號31。圖I為本實(shí)用新型涉及的基于雙浮點(diǎn)DSP架構(gòu)的控制系統(tǒng)在適用于中高壓級聯(lián)型固態(tài)開關(guān)控制系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖。固態(tài)開關(guān)(SSTS)是利用大功率電力電子技術(shù)和基于微處理器、數(shù)字信號處理測控技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不間斷供電。它通過檢測電源進(jìn)線和出線的三 相電壓和電流，檢測電壓跌落，通過核心控制單元控制電子開關(guān)的通斷，從而實(shí)現(xiàn)兩路進(jìn)線電源的快速切換，解決電壓跌落和短時斷電的問題，有效的保證了用戶的可靠供電。圖I為基于本實(shí)用新型涉及的雙浮點(diǎn)DSP架構(gòu)的級聯(lián)型固態(tài)開關(guān)控制系統(tǒng)示意圖，它可以應(yīng)用于中高壓系統(tǒng)中。如圖I所示，主側(cè)電源11和備用側(cè)電源12分別通過電子開關(guān)13、14連接到負(fù)載15。在正常工作條件下，級聯(lián)電子開關(guān)組13處于導(dǎo)通狀態(tài)，負(fù)載15接入主側(cè)電源11。同時，電壓電流傳感器單元16、17實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)主電源狀態(tài)、備用測電源狀態(tài)以及級聯(lián)電子開關(guān)組中每一個電子開關(guān)的工作狀態(tài)，并把檢測數(shù)據(jù)傳給信號調(diào)理電路18。信號調(diào)理后，通過高精度的A/D轉(zhuǎn)換，將系統(tǒng)的電壓、電流、系統(tǒng)溫度等數(shù)據(jù)反饋給本實(shí)用新型涉及的雙浮點(diǎn)DSP架構(gòu)控制系統(tǒng)，達(dá)到實(shí)時處理系統(tǒng)運(yùn)行中可能遇到的故障的目的?？刂葡到y(tǒng)的工作流程如下(I)電網(wǎng)(主偵彳、備用側(cè))、負(fù)載側(cè)電壓和電流經(jīng)過電壓、電流互感器，經(jīng)過信號調(diào)理單元以及A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。(2)輔助DSP主要用于數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理，其要對主側(cè)、備用側(cè)電源的電能質(zhì)量進(jìn)行檢測，并完成對電壓、電流有效值、相位等數(shù)據(jù)的換算，從而判斷系統(tǒng)中是否存在故障。輔助DSP通過基于FPGA的雙口 RAM與主DSP進(jìn)行通信，使得兩個處理器可以以MHZ級的速度并行通訊。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，主DSP、輔助DSP也有少量的直連端口。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，如欠壓(電壓跌落)、過流、閃變、過溫等等，輔助DSP要通過系統(tǒng)互連接實(shí)時將故障情況通知主DSP。(3)主DSP主要用于控制保護(hù)。主DSP讀取輔助DSP發(fā)來的數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到故障報警時，主DSP實(shí)時做出反應(yīng)，通過控制主側(cè)、備用側(cè)的電子開關(guān)決定負(fù)載切入哪一側(cè)電源。同時，在切換過程中，主DSP需實(shí)時監(jiān)測主側(cè)、備用測的電子開關(guān)電壓、電流，防止切換過程中出現(xiàn)環(huán)流等故障，以保證電源切換過程的安全可靠。(4) FPGAFPGA執(zhí)行主DSP命令，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。(5)輔助DSP繼續(xù)檢測故障側(cè)電源狀態(tài)，如果故障消除，則再切換至原狀態(tài)。(6)主DSP和輔助DSP都擴(kuò)展有豐富的外部人機(jī)接口，如觸摸屏、以太網(wǎng)、GPIO等
坐寸ο下面對本實(shí)用新型的雙浮點(diǎn)DSP硬件架構(gòu)以及輔助其工作的各個單元(電壓電流傳感器單元、電壓電流信號調(diào)理單元、供電電路單元、人機(jī)接口及控制單元、系統(tǒng)溫度監(jiān)測單元等)作進(jìn)一步闡述[0035](I)電壓電流傳感器單元根據(jù)控制要求，控制系統(tǒng)需測量主側(cè)電源相電壓、主側(cè)開關(guān)元件端電壓、備用側(cè)電源相電壓、備用側(cè)開關(guān)元件端電壓、負(fù)載側(cè)相電壓、主側(cè)開關(guān)元件電流、備用側(cè)開關(guān)元件電流。每個傳感器的用途不同，傳感器的參數(shù)不同，其調(diào)理電路也不同。(2)電壓電流信號調(diào)理單元由于電壓傳感器或者電流傳感器副邊得到的量不能夠滿足浮點(diǎn)DSP的AD轉(zhuǎn)換接口對模擬量的要求，其是不能夠直接送到浮點(diǎn)DSP的AD轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的，否則過大的電壓會燒壞浮點(diǎn)DSP內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換芯片。因此，需要對電壓傳感器以及電流傳感器的副邊輸出量進(jìn)行信號調(diào)理，以滿足AD轉(zhuǎn)換對模擬量大小的要求。(3)供電電路單元該實(shí)用新型設(shè)計的硬件系統(tǒng)中使用了多種控制芯片，其需要不同的直流電壓進(jìn)行供電。因此需要單獨(dú)設(shè)計可行穩(wěn)定的供電電路模塊。(4)人機(jī)接口及控制單元協(xié)浮點(diǎn)DSP連接開關(guān)裝置的人機(jī)交互模塊以及控制面 板，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需求可以提供串口、以太網(wǎng)接口、顯示屏接口、觸摸屏接口等，為固態(tài)開關(guān)裝置的功能拓展提供保障。例如使用DSP作為處理器，可利用其內(nèi)置外設(shè)以及IO 口，設(shè)計多功能的人機(jī)接口及控制單元，方便工作人員對控制系統(tǒng)進(jìn)行人工控制。同時，硬件系統(tǒng)設(shè)計可預(yù)留相關(guān)冗余接口，為將來的功能擴(kuò)展升級備用。(5)系統(tǒng)溫度檢測單元協(xié)浮點(diǎn)DSP連接系統(tǒng)溫度檢測單元，通過溫度傳感器監(jiān)控開關(guān)器件(如晶閘管等)的工作殼溫，如果出現(xiàn)異常，能夠及時報警反饋，以使得快速固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)裝置穩(wěn)定運(yùn)行。雙浮點(diǎn)DSP控制系統(tǒng)單元該單元包括兩個浮點(diǎn)DSP和一個可編程邏輯器件。主浮點(diǎn)DSP、可編程邏輯器件、協(xié)浮點(diǎn)DSP三者串聯(lián)。正常工作時，輔助DSP主要完成對主側(cè)、備用側(cè)電源的電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，通過對主側(cè)備用側(cè)電源的電壓和電流實(shí)時采樣和信號處理，對各種電能質(zhì)量問題如欠壓(電壓跌落)、過流、閃變、過溫等，進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時，輔助DSP通過系統(tǒng)互連接口實(shí)時將故障情況通知主浮點(diǎn)DSP ;主浮點(diǎn)DSP根據(jù)接收到的故障報警信號，來控制主側(cè)、備用側(cè)電源的電子開關(guān)，決定負(fù)載切入哪一側(cè)電源。在切換過程中，主浮點(diǎn)DSP，通過對主側(cè)和備用側(cè)電子開關(guān)電壓、電流的實(shí)時采樣，來監(jiān)測系統(tǒng)切換過程電壓、電流狀態(tài)是否正確等。保證電源切換過程安全可靠?？删幊踢壿嬈骷鸬竭B接兩個浮點(diǎn)DSP，并協(xié)調(diào)系統(tǒng)外部數(shù)字接口的作用。
權(quán)利要求1.一種基于雙浮點(diǎn)DSP的電力電子設(shè)備控制系統(tǒng)，包括依次連接的信號采集單元和信號處理單元，其特征是所述的信號采集單元包括模擬電路(22)及其分出的兩條分支，第一分支為依次連接的第一調(diào)理電路(23)和第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊(25)，第二分支為依次連接的第二調(diào)理電路(24)和第二 A/D轉(zhuǎn)換模塊(26);所述的信號處理單元包括相互之間通過端口雙向連接的主DSP處理器(27)、輔助DSP處理器(29)和FPGA (28);所述的第一分支的第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊與所述的主DSP處理器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙浮點(diǎn)DSP的電力電子設(shè)備控制系統(tǒng)，其特征是所述的主DSP處理器(27)、輔助DSP處理器(29)分別外接第一、第二人機(jī)接口(30、32)，所述的FPGA 28輸出控制信號(31)。
專利摘要一種基于雙浮點(diǎn)DSP的電力電子設(shè)備控制系統(tǒng)，包括信號采集單元和信號處理單元，其特征是所述的信號采集單元包括模擬電路(22)及其分出的兩條分支，第一分支為依次連接的第一調(diào)理電路(23)和第一A/D轉(zhuǎn)換模塊(25)，第二分支為依次連接的第二調(diào)理電路(24)和第二A/D轉(zhuǎn)換模塊(26)；所述的信號處理單元包括相互之間通過端口雙向連接的主DSP處理器(27)、輔助DSP處理器(29)和FPGA(28)；所述的第一分支的第一A/D轉(zhuǎn)換模塊與所述的主DSP處理器連接，所述的第二分支的第二A/D轉(zhuǎn)換模塊與所述的輔助DSP處理器連接。本實(shí)用新型配以外圍電路，可以作為多種電力電子設(shè)備，如APF、電能綜合質(zhì)量監(jiān)測儀、SVG、固態(tài)開關(guān)等的數(shù)字測控平臺。
文檔編號G05B19/042GK202649751SQ20122018015
公開日2013年1月2日 申請日期2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月26日
發(fā)明者翁洪杰, 徐柏榆, 朱良合, 姚佳, 徐海華 申請人:廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院