基于DSP 28335的單相有源濾波控制器設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)有源電力濾波器(APF)要求快速、精確地檢測(cè)諧波電流的特點(diǎn)，在此利用高速浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP 28335作為處理器，設(shè)計(jì)了一種全數(shù)字單相APF控制器，給出了硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程。實(shí)驗(yàn)表明，該控制器方案較傳統(tǒng)利用定點(diǎn)DSP芯片的控制器更加簡(jiǎn)單、快速、有效。
關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；控制器；諧波

1 引言
    現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，由于大量非線性電力電子裝置的應(yīng)用，使得電能質(zhì)量備受關(guān)注。APF能動(dòng)態(tài)、快速補(bǔ)償諧波，其實(shí)時(shí)性和精確性至關(guān)重要。當(dāng)前國內(nèi)的APF控制器多采用定點(diǎn)的DSP完成諧波的計(jì)算和控制，在完成浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)，其實(shí)時(shí)性得不到保證，在此采用具有浮點(diǎn)運(yùn)算單元的DSP28335作為處理器，可以提高實(shí)現(xiàn)算法的速度及補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性，在此主要討論單相APF控制器的硬軟件實(shí)現(xiàn)方案，并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，驗(yàn)證控制器方案的正確性和有效性。

2 單相諧波檢測(cè)工作原理
    在三相系統(tǒng)中利用瞬時(shí)功率法的ip-iq法已得到廣泛應(yīng)用，但ip-iq法不能直接運(yùn)用于單相系統(tǒng)，需要經(jīng)過構(gòu)造三相電流。該方法算法復(fù)雜，在微處理器實(shí)現(xiàn)時(shí)補(bǔ)償實(shí)時(shí)性不佳。文獻(xiàn)提出簡(jiǎn)化的基于鑒相原理的瞬時(shí)檢測(cè)方法，如圖1所示。

    該方法算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)并且實(shí)時(shí)性好，在此設(shè)計(jì)的控制器采用此方法，其原理為：負(fù)載電壓us經(jīng)過鎖相環(huán)(PLL)后，得到與us同頻同相的基波信號(hào)，再由正、余弦發(fā)生器產(chǎn)生與us基波同相的單位正弦和余弦信號(hào)，以此為電壓的參考信號(hào)。設(shè)畸變電流為：

    用i(t)減去i1(t)可得檢測(cè)出的諧波電流ib(t)。
    需要指出的是該方法雖然稱為瞬時(shí)諧波檢測(cè)，但實(shí)際上由于算法中LPF的存在，惡化了算法的動(dòng)態(tài)性能，做不到真正意義的“瞬時(shí)”。

3 基于DSP 28335的軟硬件實(shí)現(xiàn)方案
3．1 硬件設(shè)計(jì)
    數(shù)字化APF控制器要求完成A／D采樣、諧波計(jì)算、變流器控制、通訊、故障保護(hù)與報(bào)警等功能。APF常應(yīng)用在有快速波動(dòng)負(fù)載的系統(tǒng)中，故要求響應(yīng)時(shí)間小，盡量減小時(shí)間延時(shí)和補(bǔ)償?shù)南辔粶蟆Ｔ诖嗽O(shè)計(jì)的控制器以DSP 28335為核心。DSP28335是以C28X為核心的32位浮點(diǎn)高速CPU，系統(tǒng)最高頻率可達(dá)150 MHz，芯片內(nèi)部集成2×8通道12 bit的AID轉(zhuǎn)換器。具有豐富的I／O口資源，便于外圍控制。
    圖2示出控制器結(jié)構(gòu)框圖。

3．2 軟件設(shè)計(jì)
    DSP軟件主要包括系統(tǒng)初始化程序和中斷程序。中斷程序包括定時(shí)器中斷、電壓同步鎖相中斷、故障保護(hù)中斷、通訊中斷、啟停中斷。定時(shí)器中斷是整個(gè)軟件的核心，完成了對(duì)負(fù)載電流、直流側(cè)電壓等模擬量的采集，同時(shí)進(jìn)行諧波補(bǔ)償量計(jì)算，并根據(jù)滯環(huán)控制邏輯輸出控制信號(hào)，其流程如圖3所示。

    電壓同步鎖相中斷是響應(yīng)電壓基波的過零信號(hào)，復(fù)位DSP內(nèi)部的正弦、余弦表指針，得到與電壓基波同頻同相的電壓參考信號(hào)。故障保護(hù)中斷程序中對(duì)變流器過壓、過流、過熱及直流側(cè)電壓過壓的故障信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，接收到這些故障信號(hào)，控制器進(jìn)入自動(dòng)保護(hù)，封鎖控制輸出，并報(bào)警等待故障信號(hào)解除。控制器的通訊部分采用發(fā)送查詢、接收中斷的方式，通訊中斷程序中接收主控機(jī)的參數(shù)設(shè)定等命令。啟停中斷程序中外部的啟動(dòng)和停止命令。

4 注意的問題
4．1 電壓過零干擾的處理
    由于在該控制器設(shè)計(jì)中用過零檢測(cè)及正余弦查表的方式代替了圖1中的PLL和正弦、余弦發(fā)生電路。在該控制器設(shè)計(jì)中采用LM339比較器檢測(cè)電壓過零時(shí)刻，電壓過零點(diǎn)的檢測(cè)對(duì)于準(zhǔn)確檢測(cè)出補(bǔ)償量十分重要，若電壓過零點(diǎn)檢測(cè)不準(zhǔn)，則不能保證同步采樣，導(dǎo)致計(jì)算補(bǔ)償量不準(zhǔn)。電壓過零的實(shí)現(xiàn)是通過對(duì)電壓信號(hào)經(jīng)過電壓比較器，轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，DSP 28335捕捉上升沿時(shí)刻進(jìn)而確定周期的開始。由于傳感器輸出不是理想平滑的電壓信號(hào)，在過零點(diǎn)處，電壓的微小波動(dòng)會(huì)使比較器的輸出有很多毛刺。
    這樣的毛刺小方波會(huì)被DSP 28335捕捉到，從而使周期開始判斷失誤，導(dǎo)致補(bǔ)償量計(jì)算誤差，為了解決上述問題，比較器前加濾波電路，去除高頻外，還利用DSP 28335的管腳輸入濾波功能，配置輸入量化寄存器GPxQUAL在精度允許的情況下，對(duì)輸入方波邊沿的毛刺進(jìn)行濾波。
4．2 數(shù)字濾波的選擇
    數(shù)字LPF根據(jù)結(jié)構(gòu)分為無限沖擊響應(yīng)濾波器(IIR)和有限沖擊響應(yīng)濾波器(FIR)。實(shí)現(xiàn)相同的功能，F(xiàn)IR階數(shù)要比IIR高幾倍，存在運(yùn)算速度慢，占用空間大的不足，結(jié)合諧波檢測(cè)要求實(shí)時(shí)性的要求，選擇IIR，在此采用二階巴特沃斯LPF，系數(shù)利用Matlab的Filter Designers設(shè)計(jì)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    在設(shè)計(jì)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方案基礎(chǔ)上搭建了實(shí)驗(yàn)裝置。整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    功率單元采用智能功率模塊PS21865-P?；趯?shí)驗(yàn)安全的考慮電源側(cè)用調(diào)壓器調(diào)壓，使得系統(tǒng)工作在低電壓小電流條件下。非線性負(fù)載接二極管全橋整流，再接阻感負(fù)載。電感用調(diào)壓器的二次線圈，調(diào)節(jié)電感，改變負(fù)載電流畸變程度，觀察補(bǔ)償效果。實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)：電源電壓us=30 V；直流側(cè)電壓Udc=50 V；L=4．5 mH；RL=2 Ω；環(huán)寬0．2 A；采樣頻率25．6 kHz；最高開關(guān)頻率fmax=12．8 kHz。實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。

    由圖可見，設(shè)計(jì)的基于DSP 28335的單相有源濾波控制器實(shí)時(shí)性好，補(bǔ)償后電源側(cè)電流具有很好的正弦性，且延時(shí)小，具有很好的補(bǔ)償效果。

6 結(jié)論
    采用具有浮點(diǎn)運(yùn)算功能的DSP 28335作為處理器，設(shè)計(jì)了單相有源濾波器控制器，該控制器的突出特點(diǎn)是控制精度高，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采用該方案的控制器能夠快速準(zhǔn)確地檢測(cè)、補(bǔ)償諧波電流，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。