關鍵詞： 能量回饋； 功率因數； SPWM調制； TMS320F2812 DSP
1 引言
伺服電機受電運行時，是以電動機的方式運行，從電網吸收能量；伺服電機制動過程中，是以發(fā)電機的方式運行，往外反向輸出能量。如何將伺服電機在運行過程中快速制動和頻繁正反轉時所產生的再生能量加以回收利用，對于節(jié)能有很大價值。當今最常用的解決方案是利用電力電子技術，將半控型晶閘管器件用于整流、逆變電路，以控制導通角的方式，把電機制動時的再生能量逆變送回電網。這種技術相當成熟，但存在諸多缺點：首先，由于采用半控型晶閘管器件，若逆變角控制不當，或晶閘管發(fā)生故障、觸發(fā)電路工作不可靠、換相裕量角不足等，均易導致逆變過程失敗。其次，晶閘管相控整流電路位移因數、基波因數較低，導致電網電能波形畸變嚴重，波形中的諧波分量較大，電路功率因數很低，大大降低了再生電能的回饋質量。
本文論述的是把SPWM技術應用于由MOSFET、IGBT等全控型器件組成的整流逆變電路，通過TMS320F2812 DSP芯片及其外圍器件構成控制和反饋電路，將伺服電機再生能量回饋電網。SPWM的基本思想是使輸出控制信號的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，這樣的調制技術能有效地抑制輸出電壓中的低次諧波分量。TMS320F2812 DSP是TI公司推出的一種適于逆變器和電機控制的芯片，集實時處理能力和控制器外設功能于一身。高性能的處理器，具有運算精度高、速度快、集成度高等特點，這為提供高質量的SPWM控制信號提供了很好的解決方案。因此，通過對PWM整流逆變電路的適當控制，可以使輸入信號非常接近正弦波，且電流
和電壓信號同相或反相，功率因數近似為1。這對于抑制電網諧波、提高電網功率因數和電
能回饋質量非常有效，這是常規(guī)的半控型晶閘管采用導通角控制方式無法比擬的。
2 系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)控制原理見圖1。該系統(tǒng)主回路器件包括電抗器、浪涌抑制器、三相全橋整流器、儲能電容Uc、IGBT電壓型逆變器、前置濾波器等，外圍控制電路包括IGBT驅動電路、DSP中央處理器、電流電壓信號檢測、故障檢測、外部電源和外部時鐘等部分。伺服電機頻繁制動時產生的再生能量儲存于電容器Uc，當Uc兩端電壓達到限定值時，由DSP控制系統(tǒng)啟動三相橋式電壓型有源逆變器，將儲存于Uc中的能量以SPWM波的形式反饋回電網。
圖1 系統(tǒng)控制原理
2.1 DSP芯片特點
TMS320F2812 DSP是一種32位定點芯片，具有強大的數字信號處理能力、事件管理能力和嵌入式控制能力。主要特點：高性能中央處器，150MHz主頻速度，高性能12位、16通道模/數轉換器；（ADC）轉換時間為200ns，提供多達16路的模擬輸入；基于TMS320F24x的CPU內核保證了其與TMS320系列DSP的代碼兼容；具有兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個均可提供兩個16位通用定時器和八個16位的PWM通道。高達128Kx16位的FLASH片內存儲器；低功耗和節(jié)能模式；等等。
2.2 電流電壓信號采樣
DSP在實時控制過程中，為了產生和電網同步的SPWM信號，需要對電網電壓電流實施跟蹤采樣，這主要由采樣電路完成。本設計采用霍爾傳感器采集信號，為提高信號采集質量，需經過一階濾波、限幅電路、射極跟隨器連接到DSP的模擬輸入信號引腳上?；魻杺鞲衅鬏敵鲂盘栯妷簽?～5V，而F2812模擬輸入信號電壓范圍為0～3V，這就要求電路必須進行電平轉換。本設計采用電阻分壓實現電平轉換。
2.3 A/D信號轉換
采樣信號到達模擬輸入通道后，由DSP內部A/D轉換電路實行信號轉換。TMS320F2812 ADC模塊是一個12位的帶流水線的模數轉換器(ADC)，模數轉換單元的模擬電路包括前向模擬多路復用開關(MUXs)、采樣/保持(S/H)電路、變換內核、電壓參考以及其它輔助模擬電路。ADC模塊有16個通道，可配置為2個獨立的8通道模塊，分別服務于事件管理器EVA和EVB，也可級聯成一個16通道模塊。各個通道模塊能夠自動排序，對于每個通道而言，一旦ADC轉換完成，將會把轉換結果存儲到結果寄存器(ADCRESULT)中，通過合理的中斷處理和中斷服務子程序，將結果寄存器中的數據讀出。
為了獲得更高精度的轉換結果，在硬件設計中，連接到模擬輸入的輸入信號線要盡可能
遠離數字電路信號線。為減少因數字信號的轉換產生的耦合干擾，需要將ADC模塊的電源輸入同數字電源隔離開。
2.4 同步信號捕獲
逆變電路回饋能量時所需SPWM控制信號，是與電網同步同頻的脈寬調制信號。首先，將電網電流電壓信號通過滯回比較電路，使信號在過零時刻產生與電網信號同步同頻的正向脈沖，然后通過TMS320F2812 DSP中的EVA或EVB的捕獲單元將其正向脈沖進行捕獲。每一次正脈沖的捕獲，捕獲單元都會對內部時鐘個數進行存儲，前后兩次時鐘數存儲結果之差值，即為電網信號的時鐘周期數。因此，通過對電網信號的實時捕獲，可以使SPWM控制信號實時跟蹤電網信號變化，其信號的同步性和周期性均等同于電網信號，從而達到了預期目的。
2.5 諧波成分及其濾除
三相橋式逆變電路產生的SPWM逆變信號，在反饋電網過程中存在一定的諧波成分。由于本設計采用了SPWM波的控制形式，所以三相電流逆變回饋電網時，諧波成分較少，不含有與調制波ωr相關的低次諧波，也不含有三角載波ωc整數倍的頻率諧波。其中含有的只是三角載波ωc倍頻附近的高頻諧波，其中幅值較高的有ωc＋2ωr、ωc－2ωr、2ωc＋ωr、2ωc－ωr，等等。這些高次諧波頻率比基波頻率高出很多，非常容易濾除：若濾波器設計成高通濾波，且按載波角頻率來設計，并帶有一定的帶寬，那么三角載波ωc倍頻附近的高頻諧波ωc＋2ωr、ωc－2ωr、2ωc＋ωr、2ωc－ωr等就可予以濾除。
3 系統(tǒng)軟件設計
3.1 系統(tǒng)的初始化
系統(tǒng)初始化包括：系統(tǒng)控制初始化，GPIO、GPAMUX和GPBMUX初始化，禁止系統(tǒng)總中斷(INTM=1)和初始化PIE中斷向量表，屏蔽CPU中斷和中斷標志，等等。
3.2 事件管理器的設置
為了使事件管理器EVA或EVB產生所需的SPWM控制信號，需要對管理器的寄存器進行如下配置：設置和裝載ACTRx；設置和裝載DBTCONx，使能死區(qū)功能；初始化CMPRx；設置和裝載COMCONx；設置和裝載T1CON(對EVA)或T3CON(對EVB)；根據所需SPWM載波的周期設置TxPR；啟動操作。利用定時器周期中斷，循環(huán)查詢中斷子程序，并用中斷子程序中軟件計算出來的SPWM脈沖寬度(占空比)及時更新比較寄存器的值CMPRx。
3.3 定時器周期寄存器值TxPR的確定
設電網正弦信號的周期數為T，每個正弦周期需要輸出的SPWM脈沖調制波個數為N，CPU的指令周期數為Ts(TMS320F2812為6.67ns)，時鐘預分頻數為M，當采用連續(xù)遞增計數模式時，周期寄存器所需的值TxPR=T/(N*M*Ts)；當采用連續(xù)遞增/遞減計數模式時，周期寄存器所需的值TxPR=T/2(N*M*Ts)。不過，由于本設計中采用了事件管理器中的捕獲單元，因而可以直接由捕獲單元堆棧中獲得正弦信號的周期脈沖個數，設為X，若每個正弦周期需要輸出的SPWM脈沖調制波個數為N ，則周期寄存器所需的值TxPR=X/N或TxPR=X/(2N)。事件管理器捕獲單元的采用，可以讓控制信號很好地實時跟蹤電網信號頻率的變化，以使所產生的SPWM信號的頻率和電網信號的頻率相等。
3.4 比較寄存器值CMPRx的確定
根據規(guī)則采樣法原理，SPWM調制波的每個矩形波的寬度δ＝Tc*[1+a*Sin(ω*t)]/2。其中a為調制度，0<=a<1；ω為正弦調制信號的角頻率；t為采樣時刻；Tc為載波周期。由矩形波寬度δ和載波周期Tc可以計算出矩形波形的占空比k，用占空比乘以周期寄存器值TxPR，便可計算出比較寄存器的值CMPRx。當脈沖的采樣點在0～π之間時，占空比k＝δ/ Tc＝[1＋a*Sin(ω*t)]/2，比較寄存器值CMPRx＝(Tc－δ)/2＝Tc*[1－a*Sin(ω*t)]/4；當脈沖的采樣點在π～2π之間時，占空比k＝δ/Tc＝[1－a*Sin(ω*t)]/2，比較寄存器值CMPRx＝(Tc－δ)/2＝Tc*[1＋a*Sin(ω*t)]/4。
3.5 系統(tǒng)程序流程
整個系統(tǒng)程序采用C語言和匯編語言混合編寫。為了使三相SPWM輸出波形嚴格對稱，以及每相SPWM波形正負半周鏡像對稱，載波比n應取奇數且為3的整數倍。在軟件編寫中，應注意外設中斷標志和PIE應答寄存器的軟件清零、以及EV事件管理器的合理設置。為了得到理想的信號波形，應注意周期寄存器、比較寄存器賦值的準確計算。系統(tǒng)的主程序流程見圖2，子程序流程見圖3。
圖2 主程序流程
圖3 中斷子程序流程
4 結論
利用外圍控制電路以及DSP芯片內部事件管理器ADC、捕獲等單元的處理，并通過CCS2000進行電路實時仿真，獲得了滿意的仿真圖形和試驗結果，本設計是成功的。本文創(chuàng)新點如下：
1、 采用TMS320F2812事件管理器產生SPWM控制波形，實現了伺服電機再生能量的反饋控制，同時很好地避免了由于采用傳統(tǒng)半控型晶閘管控制模式帶來的諧波干擾，提高了能量回饋質量。在本設計中將濾波器設計成帶有一定帶寬載波角頻率的高通濾波，回饋電能中少量的載波倍頻附近的高頻諧波，均能很好地予以濾除。
2、 通過事件管理器軟件程序的編寫，直接產生了用于控制IGBT的三相SPWM信號波形，省去了調制波、載波調制比較等相關電路，簡化了硬件電路的設計，節(jié)約了成本和時間。
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