柯程虎，張輝

(1.西安理工大學 自動化與信息工程學院,陜西 西安 710048；2.西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室,陜西 西安 710049)

太陽能是重要的可再生能源之一，是取之不盡、用之不竭、無污染、人類能夠自由利用的能源，光伏能源被認為是二十一世紀最重要的新能源。

在幾乎所有的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，都涉及到一系列的大功率、高效率、高質量的能量轉換和控制，這個過程需要對大量的光伏逆變控制系統(tǒng)進行研究[1-3]。

早期的光伏控制系統(tǒng)采用模擬電路來實現(xiàn)比例、積分、微分控制[4]，其優(yōu)點是成本低、容易實現(xiàn)；缺點是參數(shù)調節(jié)困難，難以實現(xiàn)復雜的控制算法。現(xiàn)在逐漸轉向采用數(shù)字信號處理器(DSP)，通過軟件編程的方法實現(xiàn)控制算法，進而實現(xiàn)控制的功能，以往的光伏控制器只采用一片DSP芯片對全部信號進行處理，因而處理數(shù)據(jù)較大，從而限制了系統(tǒng)處理信號的效率，若工作時DSP芯片出現(xiàn)故障而停止工作，信號將不能被處理，從而不能實現(xiàn)光伏控制系統(tǒng)的信號處理，故系統(tǒng)可靠性不高。

針對單芯片光伏控制器的以上缺點，有必要考慮雙機冗余備份技術[5]在光伏控制系統(tǒng)中的應用。

冗余技術主要包括兩個方面：功能性冗余和結構性冗余。功能性冗余又分為靜態(tài)功能冗余和動態(tài)功能冗余；結構性冗余又分為硬件冗余、軟件冗余和時間冗余[6]。

二十世紀50年代，馮·諾依曼率先提出了適用容錯技術中的復合冗余方法[7]，其基本思想是通過用多個器件冗余組成一個單個器件，來提高單個部件存在的可靠性不高的問題，在同一時期還出現(xiàn)了莫爾-香農冗余法[6-7]。二十世紀60年代則是以硬件冗余容錯為主，硬件冗余是對關鍵性的部件配備多份，即在物理層面可通過元件的重復而獲得自動恢復的作用，如三模冗余、N模冗余等，硬件冗余包括系統(tǒng)級冗余、部件級和元器件級冗余[6-8]。二十世紀70年代則是解析冗余容錯發(fā)展時期，建立在解析數(shù)學模型之上的解析冗余技術得到關注，并逐漸發(fā)展起來，由美國首先提出了解析冗余技術代替硬件冗余技術的想法，即通過比較觀測器的輸出得到系統(tǒng)故障信息的新思想[9]。80年代至今，冗余技術向著智能化方面發(fā)展，促進了冗余技術發(fā)展進程[10-12]。

本文在硬件冗余的基礎上加以改進并設計了雙機冗余方案，以TMS320F2812 DSP[13-14]為核心，通過對故障檢測模塊[15]、自動判決模塊關鍵技術的研究完成了一種雙DSP冗余結構光伏控制系統(tǒng)的設計。

1 系統(tǒng)總體框架與設計方案

雙DSP冗余結構光伏控制系統(tǒng)總體框架結構如圖1所示。兩級式并網逆變[16]的前級為BOOST升壓電路，由光伏陣列PV板、輸入儲能電感L1、功率開關管Q0、二極管D組成，大電容C1存儲DC-DC經BOOST電路升壓后的電壓，后級全橋逆變器由Q1～Q4四個開關管、并網濾波電感L2、并網濾波電容C2組成，io為并網逆變器的輸出電流，ug為市電電壓。

圖1 系統(tǒng)框架結構圖

DSP1采樣市電電壓、逆變電流、母線電壓信號，輸出PWM控制逆變橋電路。DSP2采樣光伏板電壓、光伏板電流信號,輸出PWM信號控制BOOST升壓電路。當DSP1發(fā)生故障，DSP2迅速切換執(zhí)行采樣市電電壓、逆變電流、母線電壓信號工作，輸出PWM(即PWM 7～10)控制逆變橋電路。當DSP2發(fā)生故障，DSP1迅速切換并執(zhí)行采樣光伏板電壓、光伏板電流信號工作，輸出PWM(即PWM 2)控制BOOST升壓電路。

雙DSP冗余系統(tǒng)方案設計如圖2所示。光伏板電壓信號、光伏板電流信號、市電電壓信號、母線電壓信號、逆變電流信號經過信號調理模塊的濾波和限幅后輸入到兩個DSP的A/D中，DSP1采樣處理市電電壓信號、母線電壓信號、逆變電流信號并輸出相應的PWM信號控制逆變橋電路，DSP2采樣處理光伏板電壓信號、光伏板電流信號并輸出相應的PWM信號控制直流-直流升壓變換器。

當DSP2發(fā)生故障，故障檢測模塊通過監(jiān)測DSP2的CLKOUT信號及RESET信號的變化從而產生上升沿信號通知自動判決模塊，自動判決模塊被觸發(fā)后產生由高電平到低電平的跳變并將此低電平送入DSP1指定的I/O口中，當DSP1檢測到指定I/O口為低電平時就知道DSP2已經發(fā)生故障，從而DSP1程序作出跳轉并執(zhí)行光伏板電壓信號、光伏板電流信號的采樣處理及PWM輸出任務。DSP1發(fā)生故障時，冗余切換原理同上。

圖2 雙DSP冗余系統(tǒng)方案設計框圖

2 雙DSP冗余系統(tǒng)關鍵技術設計

雙DSP同時運行的情況下時刻檢測故障發(fā)生并迅速切換備份DSP完成冗余工作，需要解決的關鍵技術有：硬件故障檢測模塊設計、軟件故障檢測模塊設計、自動判決模塊設計、雙口RAM模塊設計。

2.1 硬件故障檢測模塊設計

硬件故障與正常的DSP最大的區(qū)別就是時鐘輸出引腳CLKOUT信號不同，正常的DSP時鐘輸出引腳為周期性方波，而硬件故障DSP的時鐘輸出引腳停止輸出。因此根據(jù)這一特點，設計硬件故障檢測模塊原理如圖3所示。

圖3 硬件故障檢測模塊原理圖

圖4 K與CX關系圖

2.2 軟件故障檢測模塊設計

系統(tǒng)在實際運行中出現(xiàn)最多的不是硬件故障而是像程序跑飛、進入不了中斷、程序鎖死等軟件故障[19]。看門狗定時器是作為監(jiān)控軟件故障的理想部件，看門狗定時器是DSP芯片中一個獨立的計數(shù)模塊，如果不周期性地使看門狗計數(shù)寄存器復位，看門狗模塊將產生計數(shù)溢出，從而導致整個系統(tǒng)復位，此時DSP的XRS引腳被拉低[20]。根據(jù)這一特點設計的軟件故障檢測模塊原理如圖5所示。

由圖5可看出軟件故障檢測模塊也是由一個74LS393與一個74LS123組成，只是接法順序與硬件故障檢測模塊不同。DSP的XRS引腳(即RESET信號)接到74LS123的A2輸入端，74LS123的輸出端Q2接到74LS393的2A輸入端，輸出端2Qa接至自動判決模塊。

軟故障模塊通過監(jiān)測DSP的RESET信號的電平變化來判斷是否需要切入冗余備份。通常在DSP正常工作的情況下RESET信號為高電平，此高電平輸入到74LS123的A2端，當B2與Clear2都接高電平時，根據(jù)手冊可知，74LS123的Q2輸出低電平，而計數(shù)器74LS393只在2A有下降沿時才開始計數(shù)，因此計數(shù)器輸出最低位2Qa保持低電平不變。當有軟故障發(fā)生時并且看門狗溢復位，使得看門狗復位狀態(tài)標志位置1，從而導致RESET信號輸出低電平，即切入冗余備份。74LS123的Q2產生一正脈沖，使74LS393計數(shù)器的2A端出現(xiàn)下降沿跳變，即74LS393開始計數(shù)，2Qa產生由低電平到高電平的變化并輸出至自動判決模塊。

圖5 軟件故障檢測模塊原理圖

2.3 自動判決模塊設計

自動判決模塊是根據(jù)故障DSP的硬件、軟件檢測模塊送達的信號進行判決并將判決結果送至正常DSP的I/O中，當正常DSP的I/O檢測到此信號時即刻作出冗余切換。自動判決模塊主要由一個雙上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器74LS74[19]、一個或門74LS32及一個非門74LS04[21]構成，如圖6所示。

硬件故障檢測模塊或者軟件故障檢測模塊的上升沿電平經過一個或門74LS32輸入到觸發(fā)器74LS74的1CLK中，當74LS74的1PRE、1CLR都接高電平的時候，根據(jù)手冊可知，1Q的輸出是和觸發(fā)器的1D有關的，當1D為高電平時1Q為低電平，當1D為低電平時1Q為高電平。經過74LS04反向后進入DSP的I/O口。

圖6 自動判決模塊原理圖

2.4 雙口RAM模塊設計

系統(tǒng)加入雙口RAM模塊設計主要是為了解決兩個DSP之間的通信問題以及數(shù)據(jù)繼承問題。本文采用CYPRESS公司2K×16CMOS雙端口靜態(tài)RAM芯片CY7C133-55，具有兩套獨立、完全對稱的地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，兩個端口允許訪問存儲器任意存儲單元，-55表示芯片存取時間為55 ns，采用68管腳的PLCC封裝形式。CY7C133-55電路連接如圖7所示。

圖7 雙口RAM電路

DSP通過片選信號XZCS2接到CY7C133上，擴展區(qū)域為DSP的XINTF接口的Zone2區(qū)域，經過11根地址線連接，所以訪問外部空間為0x080000～0x080800，由此可知當DSP讀寫雙口RAM的過程如下：當DSP的WE、XZCS2腳同時為低電平，DSP將向CY7C133寫入16位數(shù)據(jù)；當DSP腳WE為高電平、腳XZCS2、RD為低電平時，DSP將讀出CY7C133中的16位數(shù)據(jù)。讀、寫數(shù)據(jù)的地址由該時刻地址線上的值決定，數(shù)據(jù)根據(jù)16位數(shù)據(jù)線傳遞。

3 雙DSP冗余系統(tǒng)硬件、軟件設計

3.1 雙DSP冗余系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要分為六個大部分：雙DSP模塊、信號調理模塊、故障檢測[22]及判決模塊、雙口RAM模塊、調試模塊、電源及復位模塊。系統(tǒng)硬件結構框圖如圖8所示。

1)電源模塊原理設計

5V、2A的直流電源適配器通過電源接口給硬件系統(tǒng)供電，5V電壓通過跳線帽選擇，一路為雙口RAM模塊、故障檢測及判決模塊供電，另一路通過TI公司的TPS767D301雙輸出低穩(wěn)壓調節(jié)電源芯片為DSP提供3.3V和1.8V電壓以及為JTAG口調試模塊中緩沖芯片提供3.3V電壓。3.3V、1.8V電源模塊原理圖如圖9所示。

圖8 硬件結構框圖

圖9 3.3V、1.8V電源電路

2)菊花型JTAG接口原理設計

系統(tǒng)要對兩片TMS320F2812芯片進行聯(lián)合仿真調試，雙DSP系統(tǒng)和一般的單DSP芯片系統(tǒng)調試方式不同。

因此，必須在仿真器與兩個DSP之間采用多處理器接法的菊花形鏈接，如圖10所示。

圖10 菊花型JTAG接口原理圖

菊花型JTAG鏈接能把仿真器和處理器相隔離并將仿真信號進行緩沖以及為兩個DSP提供足夠的信號驅動。

3.2 雙DSP冗余系統(tǒng)軟件設計

DSP故障分為硬件故障和軟件故障，都是通過程序檢測各自指定I/O口電平得知是否另一DSP發(fā)生故障[23]。

對于每一個DSP都要在程序中啟動看門狗程序，在程序中定時復位看門狗計數(shù)器。當軟件發(fā)生故障時，例如程序跑飛、進入死循環(huán)等，如果沒有及時復位看門狗計數(shù)器，會導致看門狗計數(shù)器溢出且看門狗復位即WDFLAG標志位置為1，進而DSP RESET引腳被置為低電平。對于每一個DSP硬件故障如掉電處理，DSP CLKOUT信號停止，從而通知故障檢測及判決模塊，又由于系統(tǒng)采樣50Hz的正弦信號，對正弦信號一個周期采樣400次，這樣定時器周期設置為50 μs，一個定時器周期里有比較單元1、2中斷，定時器T1比較中斷及周期中斷，每個中斷時間相隔12.5 μs，從而設計系統(tǒng)整體程序流程如圖11所示。

圖11 DSP1整體程序流程圖

在第一路A/D轉換后插入等待程序，給DSP1及時寫入0x55+0xAA程序并檢測DSP1 I/O口電平，若為高電平則繼續(xù)等待中斷，若為低電平則程序跳轉到冗余切換模塊，開始采樣處理5路正弦信號。從而可知程序每隔12.5 μs檢測一次I/O電平，即一旦DSP2發(fā)生故障，DSP1最多12.5 μs切換冗余程序,完成冗余功能。

當DSP在等待中斷處檢測到DSP的I/O為低電平時，即程序調用切換程序，進入冗余切換程序，如下所示。

Uint32 io_flag; //定義循環(huán)標志位

io_flag=0; //置循環(huán)標志位0

while(io_flag==0)

{

if(GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIOA0= =0)

//檢測DSP的I/O電平

{

void qiehuan()； //調用切換函數(shù)

}

}

在void qiehuan()程序中首先要關定時器和看門狗模塊，其次重新初始化系統(tǒng)，打開定時器1、定時器3，開啟5路AD轉換，輸出相應的PWM波形。程序如下所示。

Void qiehuan(void)

{

EvaRegs.T1CON.bit.TENABLE=0；

//禁止定時器T1

SysCtrlRegs.WDCR= 0x0068；

//禁止看門狗

InitRongyu()； //冗余配置初始化

InitAdc()； //ADC初始化

InitEv()； //EV初始化

EvaRegs.T1CON.bit.TENABLE=1；

//開定時器T1

EvbRegs.T3CON.bit.TENABLE=1；

//開定時器T3

io_flag=1; //置循環(huán)標志位1

}

4 系統(tǒng)容錯功能調試及結果

本文主要解決的硬件故障是由于DSP芯片因損壞或掉電而不能正常工作時，導致其CLKOUT引腳輸出異常的那一類故障，此類故障必須投入硬件冗余備份才能解決。所以本文通過以下兩種方法來模擬硬件故障。

1)掉電故障

圖12 CLKOUT腳輸出時鐘波形圖

圖13 發(fā)生故障后74LS123的腳跳變圖

2)編寫軟件使得CLKOUT腳波形改變

上述掉電處理僅僅測試了CLKOUT引腳從正常到無的狀況，現(xiàn)在還需要檢測DSP1的CLKOUT時鐘異常輸出的情況下，系統(tǒng)是否能實現(xiàn)容錯功能。

圖14 改變CLKOUT腳周期波形圖

經過74LS393后輸出周期為2 128 ns的脈沖信號，因為2 128 ns遠遠大于1 020 ns，74LS393輸出的負脈沖信號不會再被觸發(fā)為低電平，因此在程序改變1 020 ns后74LS393輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?，此上升沿跳變進入自動判決模塊并導致DSP2的IO腳發(fā)生由高電平到低電平的跳變，如圖15所示。DSP2的程序檢測到IO口為低電平時，因此認為DSP1發(fā)生故障從而通知DSP2做出反應。

圖15 發(fā)生故障后DSP2 IO口電平跳變圖

3)切換結果

設置DSP1的定時器T3為1 000 μs,在等待程序處插入檢測DSP1 I/O口電平程序。設置DSP2的CLKOUT腳輸出15MHz的方波。在兩個DSP同時上電工作時，對DSP2突然掉電處理，此時DSP1檢測到I/O低電平并切換程序輸出相應的PWM波形，如圖16所示。

圖16 DSP1冗余切換后PWM輸出波形圖

5 結 論

本文詳細講述了雙DSP冗余系統(tǒng)關鍵技術的原理設計，設計了雙DSP冗余結構的光伏控制系統(tǒng)的硬件平臺,并在此硬件平臺上設計了實現(xiàn)系統(tǒng)冗余切換功能的程序。

針對傳統(tǒng)冷備份系統(tǒng)冗余切換速度慢、數(shù)據(jù)采樣頻率低的缺點，設計了每個DSP分擔處理信號并通過監(jiān)測各自的關鍵信號來判斷是否發(fā)生故障并迅速通知備份DSP做出切換的互為備份的系統(tǒng)。

實驗結果表明，系統(tǒng)中一個DSP發(fā)生故障，另一DSP能夠及時做出切換，實現(xiàn)雙DSP系統(tǒng)的容錯功能。

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