有源濾波器控制器的設(shè)計(jì)
3.3 控制器的高層保護(hù)與復(fù)位功能
一旦有源濾波器過(guò)流或者過(guò)壓,保護(hù)裝置動(dòng)作將IGBT封鎖使有源濾波器處于封鎖狀態(tài)。此時(shí)控制器將根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和有源濾波器本身的狀態(tài)進(jìn)行判斷,如果二者均恢復(fù)正常則控制器會(huì)選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)對(duì)有源濾波器進(jìn)行復(fù)位,使其恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)[2]。
4 高精度脈沖發(fā)生器
過(guò)去基于單片機(jī)的脈寬調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方案中,由于處理器的指令執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng),而難以保證脈沖精度,且受相位抖動(dòng)的影響也較顯著[4]。數(shù)字信號(hào)處理器快速的運(yùn)算能力使得我們有可能采用微處理器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度的脈沖發(fā)生器,該方法修改脈沖發(fā)生部分的程序即可產(chǎn)生各種類型的PWM脈沖,簡(jiǎn)單靈活,有較好的通用性[5]。
4.1 變流器脈沖信號(hào)之間的關(guān)系
圖7(a)、7(b)是基于IGBT的單相橋電壓型逆變器的結(jié)構(gòu)圖和工作原理示意圖。假定圖中半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)為理想開(kāi)關(guān),則同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷是互補(bǔ)的(因?yàn)橥粯虮鄣膬蓚€(gè)開(kāi)關(guān)不能同時(shí)導(dǎo)通,否則將會(huì)因橋臂直通而導(dǎo)致直流電源短路)。假定上部開(kāi)關(guān)(圖(a)中的SL和SR)導(dǎo)通而下部開(kāi)關(guān)(圖(a)中的SL′和SR′)關(guān)斷時(shí)開(kāi)關(guān)狀態(tài)為1,反之為0。如果任一時(shí)刻都有兩只管子導(dǎo)通,則單相橋IGBT開(kāi)關(guān)狀態(tài)的可能組合只有10和01兩種,輸出電壓分別對(duì)應(yīng)+Ed和-Ed。
這樣,利用一個(gè)6位的狀態(tài)字即可表征三單相全橋逆變器的輸出電壓,如100110B表示此時(shí)輸出電壓為A相+Ed,B相-Ed,C相+Ed。
4.2 脈沖發(fā)生器軟、硬件體系結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)采用SPWM方式將載波與參考波的幅值進(jìn)行比較,根據(jù)比較結(jié)果確定輸出開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。本有源濾波器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是消除25次(1.25 kHz)以下的諧波,即參考波的最高頻率為1.25kHz。由采樣定理可知采樣頻率必須大于或等于原信號(hào)頻率的2倍才能保持原信號(hào)的全部信息,因此本系統(tǒng)中載波(三角波)的最低頻率應(yīng)該是2.5 kHz??紤]到提高調(diào)制波的頻率使功率元件的開(kāi)關(guān)頻率提高,損耗變大,因而本系統(tǒng)中三角波的頻率采用2.5kHz。由于采用數(shù)字離散化方式比較載波和參考波,因而兩個(gè)信號(hào)的抽樣頻率越高誤差就越小??紤]數(shù)字信號(hào)處理器的實(shí)時(shí)處理能力,本系統(tǒng)采用每隔0.3°比較一次的方法,即抽樣頻率為60 kHz。由于周期三角波頻率為2.5kHz,所以只需要24點(diǎn)幅值信息即可以滿足要求。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),程序中構(gòu)造兩張表,一張為24點(diǎn)的調(diào)制三角波幅值表,另一張為參考波幅值表,即0°~360°之間間隔0.3°共1200點(diǎn)的參考波幅值,參考波幅值由另外一個(gè)控制芯片提供,通過(guò)雙口RAM提供本系統(tǒng)數(shù)字接口。
脈沖發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)如圖8。圖中的控制器由另外一個(gè)DSP芯片(TMS320C31)實(shí)現(xiàn),輸出的控制變量為逆變器輸出電壓的參考值,兩個(gè)DSP芯片之間通過(guò)雙口RAM交換數(shù)據(jù)。同步信號(hào)發(fā)生電路完成對(duì)電網(wǎng)電壓信號(hào)的濾波和整形處理,在正弦信號(hào)的每個(gè)負(fù)向過(guò)零點(diǎn)產(chǎn)生向DSP申請(qǐng)外部中斷的窄脈沖。載波值表存儲(chǔ)于片內(nèi)RAM上,每個(gè)中斷周期進(jìn)行刷新變址寄存器中的數(shù)值來(lái)更新當(dāng)前所指表中數(shù)據(jù)的位置,以便和雙口RAM中的參考波的幅值進(jìn)行比較。定時(shí)器0由外部同步脈沖觸發(fā)并將角度信息值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的時(shí)鐘周期數(shù)加載到定時(shí)器1以及串口計(jì)數(shù)器的周期計(jì)數(shù)器中,用于觸發(fā)計(jì)數(shù)器1和串口中斷程序。
與硬件結(jié)構(gòu)相應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖9。系統(tǒng)初始化包括寫(xiě)控制字、變量賦值、確定存儲(chǔ)地址等。在外部中斷服務(wù)程序中啟動(dòng)定時(shí)器O,即執(zhí)行系統(tǒng)的主程序。以連續(xù)兩個(gè)負(fù)向過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為周期計(jì)算出同步信號(hào)的頻率,并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的時(shí)鐘周期數(shù)。定時(shí)器中斷程序主要用來(lái)保持觸發(fā)脈沖的同步和初始化查表用的變址寄存器,并保存上一次的角度信息。串口中斷程序用來(lái)比較參考波與調(diào)制波的幅值大小,每次用于比較的參考波為三相幅值,根據(jù)比較結(jié)果來(lái)確定發(fā)出的狀態(tài)字相應(yīng)位是1還是0。由于主電路采用三單相橋結(jié)構(gòu)需要6路觸發(fā)脈沖,因此狀態(tài)字為6位,根據(jù)比較結(jié)果實(shí)時(shí)刷新?tīng)顟B(tài)字,狀態(tài)字經(jīng)輸出鎖存器鎖存后即形成連續(xù)脈沖。
4.3 試驗(yàn)結(jié)果
圖10為利用FLUKE 41B型諧波分析儀實(shí)測(cè)的調(diào)制波為基波正弦疊加11及13次諧波時(shí)的A相PWM脈沖的諧波分析圖,其中11及13次諧波的幅值均為基波幅值的1/4。
5 結(jié)論
本文利用了數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)算速度快、計(jì)算精度高、定時(shí)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于TMS320C31 DSP的脈沖發(fā)生器和控制器。詳細(xì)地介紹了有源濾波器控制器的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、控制方法和主要功能以及脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)、軟硬件結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果?,F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)字仿真結(jié)果表明,脈沖發(fā)生器精度高、穩(wěn)定性好,控制器的性能符合設(shè)計(jì)要求。
評(píng)論