基于DSP 28335的單相有源濾波控制器設(shè)計

摘要：針對有源電力濾波器(APF)要求快速、精確地檢測諧波電流的特點，在此利用高速浮點數(shù)字信號處理芯片DSP 28335作為處理器，設(shè)計了一種全數(shù)字單相APF控制器，給出了硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程。實驗表明，該控制器方案較傳統(tǒng)利用定點DSP芯片的控制器更加簡單、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能動態(tài)、快速補償諧波，其實時性和精確性至關(guān)重要。當前國內(nèi)的APF控制器多采用定點的DSP完成諧波的計算和控制，在完成浮點運算時，其實時性得不到保證，在此采用具有浮點運算單元的DSP28335作為處理器，可以提高實現(xiàn)算法的速度及補償?shù)膶崟r性，在此主要討論單相APF控制器的硬軟件實現(xiàn)方案，并給出實驗結(jié)論，驗證控制器方案的正確性和有效性。

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

    該方法算法簡單，易于實現(xiàn)并且實時性好，在此設(shè)計的控制器采用此方法，其原理為：負載電壓us經(jīng)過鎖相環(huán)(PLL)后，得到與us同頻同相的基波信號，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，以此為電壓的參考信號。設(shè)畸變電流為：

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

3 基于DSP 28335的軟硬件實現(xiàn)方案
3．1 硬件設(shè)計
    數(shù)字化APF控制器要求完成A／D采樣、諧波計算、變流器控制、通訊、故障保護與報警等功能。APF常應(yīng)用在有快速波動負載的系統(tǒng)中，故要求響應(yīng)時間小，盡量減小時間延時和補償?shù)南辔粶?。在此設(shè)計的控制器以DSP 28335為核心。DSP28335是以C28X為核心的32位浮點高速CPU，系統(tǒng)最高頻率可達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
    DSP軟件主要包括系統(tǒng)初始化程序和中斷程序。中斷程序包括定時器中斷、電壓同步鎖相中斷、故障保護中斷、通訊中斷、啟停中斷。定時器中斷是整個軟件的核心，完成了對負載電流、直流側(cè)電壓等模擬量的采集，同時進行諧波補償量計算，并根據(jù)滯環(huán)控制邏輯輸出控制信號，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，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。故障保護中斷程序中對變流器過壓、過流、過熱及直流側(cè)電壓過壓的故障信號進行響應(yīng)，接收到這些故障信號，控制器進入自動保護，封鎖控制輸出，并報警等待故障信號解除?？刂破鞯耐ㄓ嵅糠植捎冒l(fā)送查詢、接收中斷的方式，通訊中斷程序中接收主控機的參數(shù)設(shè)定等命令。啟停中斷程序中外部的啟動和停止命令。

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)計中用過零檢測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)計中采用LM339比較器檢測電壓過零時刻，電壓過零點的檢測對于準確檢測出補償量十分重要，若電壓過零點檢測不準，則不能保證同步采樣，導(dǎo)致計算補償量不準。電壓過零的實現(xiàn)是通過對電壓信號經(jīng)過電壓比較器，轉(zhuǎn)換為方波信號，DSP 28335捕捉上升沿時刻進而確定周期的開始。由于傳感器輸出不是理想平滑的電壓信號，在過零點處，電壓的微小波動會使比較器的輸出有很多毛刺。
    這樣的毛刺小方波會被DSP 28335捕捉到，從而使周期開始判斷失誤，導(dǎo)致補償量計算誤差，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，對輸入方波邊沿的毛刺進行濾波。
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)。實現(xiàn)相同的功能，F(xiàn)IR階數(shù)要比IIR高幾倍，存在運算速度慢，占用空間大的不足，結(jié)合諧波檢測要求實時性的要求，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。

5 實驗結(jié)果
    在設(shè)計的軟硬件實現(xiàn)方案基礎(chǔ)上搭建了實驗裝置。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?；趯嶒灠踩目紤]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。非線性負載接二極管全橋整流，再接阻感負載。電感用調(diào)壓器的二次線圈，調(diào)節(jié)電感，改變負載電流畸變程度，觀察補償效果。實驗主要參數(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。實驗波形如圖5所示。

    由圖可見，設(shè)計的基于DSP 28335的單相有源濾波控制器實時性好，補償后電源側(cè)電流具有很好的正弦性，且延時小，具有很好的補償效果。

6 結(jié)論
    采用具有浮點運算功能的DSP 28335作為處理器，設(shè)計了單相有源濾波器控制器，該控制器的突出特點是控制精度高，實現(xiàn)簡單。由實驗結(jié)果可知，采用該方案的控制器能夠快速準確地檢測、補償諧波電流，具有很好的工程應(yīng)用價值。