一種基于fpga可在線修改參數(shù)的靜止無功發(fā)生器控制裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于FPGA可在線修改參數(shù)的靜止無功發(fā)生器控制裝置，涉及電力系統(tǒng)領(lǐng)域。該控制裝置基于集成了ARM硬核處理器系統(tǒng)的Zynq?7000系列芯片，并帶有AD轉(zhuǎn)換模塊、觸摸屏顯示模塊、SD存儲模塊、串口通信模塊、保護動作模塊和PWM模塊，同時也嵌入了實時操作系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了可在線修改參數(shù)的功能。
【專利說明】
一種基于FPGA可在線修改參數(shù)的靜止無功發(fā)生器控制裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種基于FPGA可在線修改參數(shù)的靜止無功發(fā)生器控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在電力系統(tǒng)中，異步電動機和變壓器等設(shè)備要消耗大量的無功功率。若這些無功得不到及時的補償，會對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行產(chǎn)生不利影響，主要包括增加了線路的損耗、增加了變壓器等設(shè)備的容量、降低電網(wǎng)電壓水平等。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對電能質(zhì)量的要求越來越高，所以無功補償裝置在電力供電系統(tǒng)中處在一個不可缺少的非常重要的位置。靜止無功發(fā)生器(SVG)作為新一代無功補償裝置，具有響應(yīng)時間快、無功連續(xù)可調(diào)、電壓精準控制等優(yōu)點。
[0003]傳統(tǒng)的靜止無功發(fā)生器硬件控制系統(tǒng)主要采用M⑶+DSP+FPGA的架構(gòu)，雖然功能強大，但是具有控制器過于復(fù)雜、PCB設(shè)計困難、不易于調(diào)試、成本過高等缺點。并且控制程序不易編寫，通用性也不強。
[0004]不同的靜止無功補償器，很多參數(shù)也不盡相同，特別是PID控制的參數(shù)需要反復(fù)的修改，來尋找合適的值，所以傳統(tǒng)情況下需要反復(fù)的修改和下載程序。在安裝現(xiàn)場有部分值也需要根據(jù)現(xiàn)場的情況修改，所以急需可以靈活改變參數(shù)值的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是克服上述的不足，提出一種基于FPGA可在線修改參數(shù)的靜止無功發(fā)生器控制裝置。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明涉及一種基于FPGA可在線修改參數(shù)的靜止無功發(fā)生器控制裝置。該裝置基于集成了 ARM硬核處理器系統(tǒng)的Zynq-7000系列芯片，并帶有AD轉(zhuǎn)換模塊、觸摸屏顯示模塊、SD存儲模塊、串口通信模塊、保護動作模塊和PffM模塊，同時也嵌入了實時操作系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了可在線修改參數(shù)的功能。
[0007]—種基于FPGA可在線修改參數(shù)的靜止無功發(fā)生器控制裝置，其裝置特征在于。
[0008]以Zynq-7000為核心，觸摸屏模塊采用外設(shè)SPI與Zynq-7000相連，SD存儲模塊采用外設(shè)SD/SD10與Zynq-7000相連，串口通信模塊采用外設(shè)UART與Zynq-7000相連。AD轉(zhuǎn)換模塊、保護動作模塊和PWM模塊與可編程邏輯用戶引腳相連。
[0009]所述觸摸屏模塊，由液晶顯示屏、驅(qū)動芯片和觸摸信號A/D轉(zhuǎn)換芯片組成。驅(qū)動芯片負責驅(qū)動顯示屏以及通過SPI與Zynq-7000進行數(shù)據(jù)傳輸，觸摸信號A/D轉(zhuǎn)換芯片負責觸摸信號的獲取并通過SPI與Zynq-7000進行數(shù)據(jù)傳輸。
[00?0] 所述AD米樣模塊，由AD米樣芯片和彳目號調(diào)理電路組成，彳目號調(diào)理電路將土 1V的電壓通過兩級運算放大器變換為土 2.5V的電壓傳輸給AD采樣芯片，AD采樣芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號通過Zynq-7000可編程用戶引腳傳輸給Zynq-7000芯片。
[0011]所述Pmi模塊由隔離電路和驅(qū)動電路組成，驅(qū)動電路采用反向驅(qū)動器，提高Zynq-7000芯片PffM輸出的驅(qū)動能力，隔離電路采用光電耦合器，將IGBT驅(qū)動電路的故障反饋信號進行隔離。
[0012]所述保護動作模塊由繼電器電路組成，當系統(tǒng)發(fā)生過流、過壓和IGBT反饋故障時，Zynq-7000通過繼電器電路進行保護動作。
[0013]所述SD存儲模塊由SD卡組成，Zynq-7000系列芯片支持SD和SD1寬范圍的低功耗應(yīng)用，無需再加外圍電路。
[0014]所述的串口通信模塊由RS-232電路組成，采用電平轉(zhuǎn)換芯片對UART進行RS-232標準串口設(shè)計。
[0015]一種基于FPGA可在線修改參數(shù)的靜止無功發(fā)生器控制裝置，其可在線修改參數(shù)的特征在于。
[0016]其中ARM硬核控制程序采用C語言，并嵌入了實時操作系統(tǒng)，可編程邏輯單元采用Verilog HDL語言，并包括AMBA AXI 4總線規(guī)范IP核，用于處理器和可編程邏輯單元之間的互聯(lián)。其中可在線修改的參數(shù)包括用于標么化的基準值、用于電壓解耦控制的電感值和PID控制的參數(shù)值。其中標么化的基準值包括電壓基準、電流基準和阻抗基準，PID控制的參數(shù)值包括電流內(nèi)環(huán)PID參數(shù)值和電壓外環(huán)PID參數(shù)值，用于電壓解耦控制的電感值則為交流側(cè)濾波電抗器的電感值。
[0017]所述的可在線修改參數(shù)的步驟是:工作人員通過觸摸屏將需要的參數(shù)值輸入到控制器ARM當中，ARM將得到的數(shù)據(jù)存儲到SD卡當中，用于下次快速的啟動，同時通過AXI總線將數(shù)據(jù)傳輸給可編程邏輯單元的塊RAM當中，當需要時可直接從RAM中取出使用。
[0018]綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果。
[0019]本發(fā)明基于Zynq-7000系列芯片，Zynq-7000系列芯片集成了雙核ARM Cortex_A9處理器和DSP切片，一個單芯片代替了傳統(tǒng)的ARM+DSP+FPGA多處理器架構(gòu)，簡化了PCB的設(shè)計，降低了硬件的故障，方便了程序的設(shè)計和硬件的調(diào)試。
[0020]本發(fā)明給ARM嵌入了實時操作系統(tǒng)，方便了外圍設(shè)備的程序設(shè)計，增加了程序，提高了系統(tǒng)的可擴展性，使得系統(tǒng)的資源得到更好的應(yīng)用。
[0021]本發(fā)明在基于Zynq-7000系列芯片的基礎(chǔ)上，提出了在線修改參數(shù)的功能。不同的靜止無功發(fā)生器它的標么化的基準值、用于電壓解耦控制的電感值和PID控制的參數(shù)值都不相同，需要不斷的修改和下載程序，特別是調(diào)試階段的PID參數(shù)整定需要反復(fù)地修改和下載程序。本發(fā)明具有在線修改參數(shù)的功能，避免了反復(fù)地修改和下載程序，縮短了產(chǎn)品開發(fā)時間，提高了控制器的通用性。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。
[0023]圖2為本發(fā)明可編程邏輯單元實現(xiàn)無功補償控制算法的結(jié)構(gòu)圖。
[0024]圖3為嵌入式實時操作系統(tǒng)上完成的基本任務(wù)。
[0025]圖4為本發(fā)明在線修改參數(shù)流程圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖及實施例進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0027]如圖1所示，選則Zynq-7000系列芯片的Z-7010為例，Z-7010集成了具有豐富資源的雙核ARM Cortex_A9處理器和28nm工藝的可編程邏輯單元，其中ARM Cortex_A9處理器具有片上存儲和片外存儲的接口，以及一系列的外設(shè)接口。其中AD采樣芯片采用具有12通道和12位分辨率的ADS7869，RS-232標準串口設(shè)計采用MAX232芯片，觸摸屏設(shè)計采用4.3寸型號HSD050IDW1-A20液晶顯示屏，其中觸摸信號A/D轉(zhuǎn)換芯片選擇XPT2046，觸摸屏的驅(qū)動芯片選擇SSD1963，SD卡選擇32G容量的卡。
[0028]如圖1所示，Z-7010通過I/O端口的操作控制A/D采樣芯片將送過來的電壓和電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將得到的數(shù)字信號傳遞給無功補償控制算法實現(xiàn)模塊進行操作，無功補償控制算法實現(xiàn)模塊不僅進行無功補償控制的算法實現(xiàn)，并且將電網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)、負載電流數(shù)據(jù)和補償后電流數(shù)據(jù)通過總線傳遞給處理器，處理器將得到的數(shù)據(jù)進行計算和處理，包括功率因數(shù)的計算、補償后電流諧波的分析以及電壓電流的有效值得計算，計算后處理器將得到的結(jié)果存儲在SD卡中和將部分信息發(fā)送到觸摸屏上進行顯示，串口通信可用于與PC機相連進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0029]如圖2所示為無功補償控制算法在可編程邏輯單元中具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，其中無功補償電流Iabc_pu通過坐標變換包括Clark變換和Park變換轉(zhuǎn)換為直流量Iabc_DS和Iabc_QS，同理電網(wǎng)電壓Uabc_pu和負載電流Iabc_load_pu都轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的直流量。其中用于坐標變換的角度通過鎖相環(huán)得到，將直流側(cè)的電壓和給定值做PID調(diào)節(jié)將輸出作為無功補償電流的d軸分量的給定，與無功補償?shù)膶嶋H電流的d軸分量做PID調(diào)節(jié)。將負載的無功電流做為無功補償電流的q軸分量的給定，與無功補償電流的實際的q軸分量做PID調(diào)節(jié)。將兩個電流PID調(diào)節(jié)的輸出分別傳輸給uds和uqs做電流解親前饋控制，從而得到需要的Ud和Uq，根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度對其進行旋轉(zhuǎn)反變換從而得到需要的U_Apha，U_Beta，從而對其進行SVPWM調(diào)制得到PWM波，用得到的PWM波來控制三相逆變器。
[0030]如圖2所示圖中的用于解耦控制的電感值、電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的PID參數(shù)值、用于標么化處理的基準值以及直流側(cè)電壓的給定值，都是通過可編程邏輯單元內(nèi)嵌的雙端口BRAM中得到的，而BRAM中的這些值的內(nèi)容，是通過總線從處理器系統(tǒng)傳輸?shù)玫降摹?br>[0031]如圖3所示，處理器系統(tǒng)嵌入了實時操作系統(tǒng)yC/OS-1I，yC/OS-1I是一個搶占式多任務(wù)的內(nèi)核。圖中顯示了實時操作系統(tǒng)上的幾個基本任務(wù)，其中:
啟動任務(wù)，負責開啟定時器來提供操作系統(tǒng)時鐘滴答服務(wù)。
[0032]總線數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，負責與可編程邏輯單元進行通信，若數(shù)據(jù)是可編程邏輯端到處理器系統(tǒng)端，則將數(shù)據(jù)保存在循環(huán)緩沖區(qū)，若數(shù)據(jù)是從處理器系統(tǒng)端到可編程邏輯端，則數(shù)據(jù)保存在可編程邏輯單元的雙端口 RAM當中。
[0033]緩沖區(qū)處理任務(wù)，總線數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)將接受數(shù)據(jù)存放在循環(huán)緩沖區(qū)，在接收到一組數(shù)據(jù)后發(fā)信號量(POST)給緩沖區(qū)處理任務(wù)，緩沖區(qū)處理任務(wù)獲得信號量，就緒后獲得CPU進行數(shù)據(jù)處理。包括包括功率因數(shù)的計算、補償后電流諧波的分析以及電壓電流的有效值得計算。將處理結(jié)果存儲到數(shù)組，并向顯示任務(wù)和數(shù)據(jù)存取任務(wù)發(fā)信號量，接著請求信號量(PEND)而阻塞。
[0034]觸摸信號檢測任務(wù)，負責獲得觸摸控制位置，向液晶驅(qū)動任務(wù)發(fā)送觸摸消息。
[0035]液晶驅(qū)動任務(wù)，負責創(chuàng)建顯示更新任務(wù)，獲取顯示屏輸入信息，想總線傳輸任務(wù)發(fā)送信息。
[0036]顯示任務(wù)，顯示任務(wù)一直處于等待狀態(tài)，當接收到信號量后，將緩沖區(qū)處理任務(wù)的結(jié)果顯示到液晶顯示屏上。
[0037]數(shù)據(jù)存取任務(wù)，當接收到信號量后，將緩沖區(qū)處理任務(wù)的結(jié)果顯示到液晶顯示屏上。
[0038]如圖4所示為在線修改參數(shù)流程圖，圖中表示當工作人員在觸摸屏上修改參數(shù)值時，觸摸信號檢測任務(wù)得到信號量處于就緒態(tài)，得到CPU的使用權(quán)后，向液晶驅(qū)動任務(wù)發(fā)送信號量，液晶驅(qū)動任務(wù)得到信號量處于就緒態(tài)，得到CPU的使用權(quán)后，獲取觸摸屏輸入的數(shù)據(jù)信息，當數(shù)據(jù)接收完畢后，向總線數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)發(fā)送信號量，總線數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)得到信號量后，將數(shù)據(jù)傳輸給可編程邏輯單元的雙端口RAM當中，則當無功補償控制算法需要數(shù)據(jù)時可以到雙端口 RAM中去取。
[0039]以上僅是本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)的較佳實例，僅為說明本裝置的基本結(jié)構(gòu)和主要特點，并不能以此限制本發(fā)明的權(quán)利范圍。應(yīng)當指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種基于FPGA可在線修改參數(shù)的靜止無功發(fā)生器控制裝置，其裝置特征在于:以Zynq-7000為核心，觸摸屏模塊采用外設(shè)SPI與Zynq-7000相連，SD存儲模塊采用外設(shè)SD/SD1與Zynq-7000相連，串口通信模塊采用外設(shè)UART與Zynq-7000相連，AD轉(zhuǎn)換模塊、保護動作模塊和PffM模塊與可編程邏輯用戶引腳相連； 所述觸摸屏模塊，由液晶顯示屏、驅(qū)動芯片和觸摸信號A/D轉(zhuǎn)換芯片組成，驅(qū)動芯片負責驅(qū)動顯示屏以及通過SPI與Zynq-7000進行數(shù)據(jù)傳輸，觸摸信號A/D轉(zhuǎn)換芯片負責觸摸信號的獲取并通過SPI與Zynq-7000進行數(shù)據(jù)傳輸； 所述AD采樣模塊，由AD采樣芯片和信號調(diào)理電路組成，信號調(diào)理電路將± 1V的電壓通過兩級運算放大器變換為土 2.5V的電壓傳輸給AD采樣芯片，AD采樣芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號通過Zynq-7000可編程用戶引腳傳輸給Zynq-7000芯片； 所述Pmi模塊由隔離電路和驅(qū)動電路組成，驅(qū)動電路采用反向驅(qū)動器，提高Zynq-7000芯片PffM輸出的驅(qū)動能力，隔離電路采用光電耦合器，將IGBT驅(qū)動電路的故障反饋信號進行隔咼； 所述保護動作模塊由繼電器電路組成，當系統(tǒng)發(fā)生過流、過壓和IGBT反饋故障時，Zynq-7000通過繼電器電路進行保護動作； 所述SD存儲模塊由SD卡組成，Zynq-7000系列芯片支持SD和SD1寬范圍的低功耗應(yīng)用，無需再加外圍電路； 所述的串口通信模塊由RS-232電路組成，采用電平轉(zhuǎn)換芯片對UART進行RS-232標準串口設(shè)計。2.—種基于FPGA可在線修改參數(shù)的靜止無功發(fā)生器控制裝置，其可在線修改參數(shù)的特征在于:其中ARM硬核控制程序采用C語言，并嵌入了實時操作系統(tǒng)，可編程邏輯單元采用Verilog HDL語言，并包括AMBA AXI 4總線規(guī)范IP核，用于處理器和可編程邏輯單元之間的互聯(lián)，其中可在線修改的參數(shù)包括用于標么化的基準值、用于電壓解耦控制的電感值和PID控制的參數(shù)值，其中標么化的基準值包括電壓基準、電流基準和阻抗基準，PID控制的參數(shù)值包括電流內(nèi)環(huán)PID參數(shù)值和電壓外環(huán)PID參數(shù)值，用于電壓解耦控制的電感值則為交流側(cè)濾波電抗器的電感值； 所述的可在線修改參數(shù)的步驟是:工作人員通過觸摸屏將需要的參數(shù)值輸入到控制器ARM當中，ARM將得到的數(shù)據(jù)存儲到SD卡當中，用于下次快速的啟動，同時通過AXI總線將數(shù)據(jù)傳輸給可編程邏輯單元的塊RAM當中，當需要時可直接從RAM中取出使用。
【文檔編號】H02J3/18GK105896555SQ201610234817
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】蒯松巖, 衡鳳平, 崔鑫, 趙帥, 孫文兵
【申請人】中國礦業(yè)大學