如何实现基于TMS320C31 DSP的脉冲发生器和有源滤波器控制器的设计？

　　1 引言

　　飞速发展的电力电子技术使各种电力电子装置在工业、交通运输及家庭中的应用日益广泛，而这些非线性负荷带来的谐波危害也日益严重。谐波使电网中元件产生谐波损耗、设备效率和功率因数降低，甚至损害电力设备如电容器等；谐波影响精密仪器和临近的通信系统，使其无法正常工作。
　　电力系统中谐波次数和大小随系统负荷状况而变化，采用传统的LC静态滤波器无法满足要求，而采用电力有源滤波器可以对大小和频率都变化的谐波及变化的无功进行动态补偿，因此有源滤波器的研究和应用越来越受到人们的重视。有源滤波器的基本原理是：先从补偿对象中检测出谐波电流，再由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而相位相反的补偿电流，两者相互抵消而使电网电流中只含有基波分量。控制器是有源滤波器的核心部件，它通过产生并控制驱动开关器件的脉冲来控制有源滤波器的行为，完成动态补偿谐波和无功的功能。
　　2 控制系统的结构与基本功能
　　有源滤波器的主电路采用三单相桥式电压型变流器，通过变压器与系统耦合，其结构如图1所示。采用三单相桥结构是因为三单相桥的控制可以相互解耦，同时还可用于消除零序分量及其谐波电流，实现不对称控制。
　　
　　该有源滤波器的控制系统采用双DSP结构，其中一个DSP处理器用来完成数据处理、控制与高层保护功能；另一个DSP处理器用来产生高精度PWM脉冲。控制器主要有以下功能：
　　（1） 控制有源滤波器的行为
　　根据检测出的负荷电流的谐波和无功电流分量控制逆变器的输出电压，使有源滤波器输出的补偿电流与负荷谐波电流和无功电流之和相互抵消，从而使系统电流为基波正序有功电流。
　　（2） 产生触发脉冲
　　经驱动电路控制IGBT的导通和关断产生PWM触发脉冲，使有源滤波器能输出正确的谐波补偿电流。
　　（3） 脉冲同步
　　根据从电网取回的同步脉冲，产生出与电网电压同步的脉冲信号，使有源滤波器输出的电压与电网电压保持同步。
　　（4） 自我容错功能
　　一旦控制器自身有些元件出现错误（如电压互感器（PT）断线等），控制器能立即发现错误并报警，同时不使装置退出运行，故障修复后可以容易地恢复。
　　（5）保护功能
　　当有源滤波器运行在过载或其他不正常状态下，而电流又没有超过保护动作的整定值时，控制器能通过保护功能使有源滤波器回到正常工作状态，避免其底层保护动作，从而保证了有源滤波器能够连续正常工作。
　　3 有源滤波器控制器的实现
　　有源滤波器控制器的原理框图如图2所示。
　　
　　控制器以60×50Hz（或更高）的采样频率对负荷电流、装置输出的补偿电流及系统电压进行采样和A/D转换。利用谐波分离算法如dq分解法或ab分解法及其它方法对采样电流进行分解，滤除基波有功分量，保留用作补偿所需的谐波电流。然后采用控制算法据电路参数计算出逆变器应产生的谐波电压。将谐波电压瞬时值送至DSP脉冲发生器，让脉冲发生器根据谐波电压瞬时值采用SPWM算法决定逆变器开关元件的动作。脉冲发生器根据电压瞬时值进行SPWM脉冲计算以产生驱动脉冲。
　　下面分别介绍控制器的各项功能。
　　3.1 控制算法
　　本系统的控制算法由谐波和无功电流的检测及电流跟踪控制两部分组成。其中谐波和无功电流的计算是基于三相电路瞬时无功功率理论，如图3所示。
　　
　　
　　由于本文的有源滤波器要对直流侧的电压进行控制，因此在指令电流中需要包含一定的基波有功分量，以便有源滤波器的直流侧与交流侧交换能量，调节电容电压至给定值。
　　图4所示为电流跟踪控制框图。本系统的电流跟踪控制采用PI控制，输出控制量通过双口RAM送至脉冲发生器，脉冲发生器根据得到的波形信息产生触发脉冲，脉冲经隔离、整形后驱动主电路的IGBT使逆变器输出相应电压。补偿电流是由逆变器的输出电压与交流侧电源电压的差值作用于电感而产生的。
　　
　　图5是用该有源滤波器对三相6脉冲整流负载产生的谐波进行补偿的A相数字仿真结果图，仿真软件采用PSCAD。由图可知补偿后的系统电流与系统电压同相位，电流波形得到大大改善，但比较负荷电流和系统电流可知，在负荷电流变化较快瞬间（对应于整流桥的换相）补偿效果差一些，这是因为要补偿快速变化的电流要求APF产生很高的谐波电压，这一方面要求有源滤波器有很快的响应速度，另一方面要求直流侧产生高压，这在实际装置中是较难实现的，因此在负载电流变化非常快时，APF的补偿能力较差。有关系统不对称对APF的影响及其对零序电流的补偿等问题仍在进一步的研究中。图6为A相系统电流的谐波分析，负载电流的谐波总畸变率THD为20.1%，补偿后的系统电流总畸变率为9.4%，5、7、9、11次谐波电流的含有率均小于5%。
　　
　　
　　3.2 数据采样与处理
　　该DSP处理器对负荷侧的三相电流、电压信号以及有源滤波器输出的电流信号进行同步采样，然后进行数据处理。根据负荷侧的电流与电压值计算出瞬时有功、瞬时无功功率，再经过谐波检测与分离算法计算出补偿电流的参考值，该值与有源滤波器实际补偿电流的差值通过PI控制环节得到相应的控制信号。
　　3.3 控制器的高层保护与复位功能
　　一旦有源滤波器过流或者过压，保护装置动作将IGBT封锁使有源滤波器处于封锁状态。此时控制器将根据系统状态和有源滤波器本身的状态进行判断，如果二者均恢复正常则控制器会选择适当的时机对有源滤波器进行复位，使其恢复到正常运行状态。
　　4 高精度脉冲发生器
　　过去基于单片机的脉宽调制的实现方案中，由于处理器的指令执行时间较长，而难以保证脉冲精度，且受相位抖动的影响也较显著。数字信号处理器快速的运算能力使得我们有可能采用微处理器结构实现高精度的脉冲发生器，该方法修改脉冲发生部分的程序即可产生各种类型的PWM脉冲，简单灵活，有较好的通用性。
　　4.1 变流器脉冲信号之间的关系
　　图7（a）、7（b）是基于IGBT的单相桥电压型逆变器的结构图和工作原理示意图。假定图中半导体开关为理想开关，则同一桥臂的两个开关的导通与关断是互补的（因为同一桥臂的两个开关不能同时导通，否则将会因桥臂直通而导致直流电源短路）。假定上部开关（图（a）中的SL和SR）导通而下部开关（图（a）中的SL′和SR′）关断时开关状态为1，反之为0。如果任一时刻都有两只管子导通，则单相桥IGBT开关状态的可能组合只有10和01两种，输出电压分别对应＋Ed和－Ed。
　　
　　这样，利用一个6位的状态字即可表征三单相全桥逆变器的输出电压，如100110B表示此时输出电压为A相＋Ed，B相－Ed，C相＋Ed。
　　4.2 脉冲发生器软、硬件体系结构与实现
　　本系统采用SPWM方式将载波与参考波的幅值进行比较，根据比较结果确定输出开关的状态。本有源滤波器系统的设计目标是消除25次（1.25 kHz）以下的谐波，即参考波的最高频率为1.25kHz。由采样定理可知采样频率必须大于或等于原信号频率的2倍才能保持原信号的全部信息，因此本系统中载波（三角波）的最低频率应该是2.5 kHz。考虑到提高调制波的频率使功率元件的开关频率提高，损耗变大，因而本系统中三角波的频率采用2.5kHz。由于采用数字离散化方式比较载波和参考波，因而两个信号的抽样频率越高误差就越小。考虑数字信号处理器的实时处理能力，本系统采用每隔0.3°比较一次的方法，即抽样频率为60 kHz。由于周期三角波频率为2.5kHz，所以只需要24点幅值信息即可以满足要求。在实际应用时，程序中构造两张表，一张为24点的调制三角波幅值表，另一张为参考波幅值表，即0°～360°之间间隔0.3°共1200点的参考波幅值，参考波幅值由另外一个控制芯片提供，通过双口RAM提供本系统数字接口。
　　脉冲发生器的硬件结构如图8。图中的控制器由另外一个DSP芯片（TMS320C31）实现，输出的控制变量为逆变器输出电压的参考值，两个DSP芯片之间通过双口RAM交换数据。同步信号发生电路完成对电网电压信号的滤波和整形处理，在正弦信号的每个负向过零点产生向DSP申请外部中断的窄脉冲。载波值表存储于片内RAM上，每个中断周期进行刷新变址寄存器中的数值来更新当前所指表中数据的位置，以便和双口RAM中的参考波的幅值进行比较。定时器0由外部同步脉冲触发并将角度信息值转化为相应的时钟周期数加载到定时器1以及串口计数器的周期计数器中，用于触发计数器1和串口中断程序。
　　
　　与硬件结构相应的软件结构如图9。系统初始化包括写控制字、变量赋值、确定存储地址等。在外部中断服务程序中启动定时器O，即执行系统的主程序。以连续两个负向过零点之间的时间间隔为周期计算出同步信号的频率，并将其转化为相应的时钟周期数。定时器中断程序主要用来保持触发脉冲的同步和初始化查表用的变址寄存器，并保存上一次的角度信息。串口中断程序用来比较参考波与调制波的幅值大小，每次用于比较的参考波为三相幅值，根据比较结果来确定发出的状态字相应位是1还是0。由于主电路采用三单相桥结构需要6路触发脉冲，因此状态字为6位，根据比较结果实时刷新状态字，状态字经输出锁存器锁存后即形成连续脉冲。
　　
　　4.3 试验结果
　　图10为利用FLUKE 41B型谐波分析仪实测的调制波为基波正弦叠加11及13次谐波时的A相PWM脉冲的谐波分析图，其中11及13次谐波的幅值均为基波幅值的1/4。
　　
　　5 结论
　　本文利用了数字信号处理器运算速度快、计算精度高、定时准确的优点设计了基于TMS320C31 DSP的脉冲发生器和控制器。详细地介绍了有源滤波器控制器的特点、结构、控制方法和主要功能以及脉冲发生器的设计、软硬件结构和现场试验结果。现场试验和数字仿真结果表明，脉冲发生器精度高、稳定性好，控制器的性能符合设计要求。