有源濾波器控制器的設計

3.3 控制器的高層保護與復位功能

一旦有源濾波器過(guò)流或者過(guò)壓，保護裝置動(dòng)作將IGBT封鎖使有源濾波器處于封鎖狀態(tài)。此時(shí)控制器將根據系統狀態(tài)和有源濾波器本身的狀態(tài)進(jìn)行判斷，如果二者均恢復正常則控制器會(huì )選擇適當的時(shí)機對有源濾波器進(jìn)行復位，使其恢復到正常運行狀態(tài)[2]。

4 高精度脈沖發(fā)生器

過(guò)去基于單片機的脈寬調制的實(shí)現方案中，由于處理器的指令執行時(shí)間較長(cháng)，而難以保證脈沖精度，且受相位抖動(dòng)的影響也較顯著(zhù)[4]。數字信號處理器快速的運算能力使得我們有可能采用微處理器結構實(shí)現高精度的脈沖發(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(lèi)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構圖和工作原理示意圖。假定圖中半導體開(kāi)關(guān)為理想開(kāi)關(guān)，則同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)的導通與關(guān)斷是互補的（因為同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)不能同時(shí)導通，否則將會(huì )因橋臂直通而導致直流電源短路）。假定上部開(kāi)關(guān)（圖(a)中的SL和SR）導通而下部開(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，輸出電壓分別對應＋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、硬件體系結構與實(shí)現

本系統采用SPWM方式將載波與參考波的幅值進(jìn)行比較，根據比較結果確定輸出開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。本有源濾波器系統的設計目標是消除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頻率的2倍才能保持原信號的全部信息，因此本系統中載波（三角波）的最低頻率應該是2.5 kHz?？紤]到提高調制波的頻率使功率元件的開(kāi)關(guān)頻率提高，損耗變大，因而本系統中三角波的頻率采用2.5kHz。由于采用數字離散化方式比較載波和參考波，因而兩個(gè)信號的抽樣頻率越高誤差就越小?？紤]數字信號處理器的實(shí)時(shí)處理能力，本系統采用每隔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(mǎn)足要求。在實(shí)際應用時(shí)，程序中構造兩張表，一張為24點(diǎn)的調制三角波幅值表，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提供本系統數字接口。

脈沖發(fā)生器的硬件結構如圖8。圖中的控制器由另外一個(gè)DSP芯片（TMS320C31）實(shí)現，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交換數據。同步信號發(fā)生電路完成對電網(wǎng)電壓信號的濾波和整形處理，在正弦信號的每個(gè)負向過(guò)零點(diǎn)產(chǎn)生向DSP申請外部中斷的窄脈沖。載波值表存儲于片內RAM上，每個(gè)中斷周期進(jìn)行刷新變址寄存器中的數值來(lái)更新當前所指表中數據的位置，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)并將角度信息值轉化為相應的時(shí)鐘周期數加載到定時(shí)器1以及串口計數器的周期計數器中，用于觸發(fā)計數器1和串口中斷程序。

與硬件結構相應的軟件結構如圖9。系統初始化包括寫(xiě)控制字、變量賦值、確定存儲地址等。在外部中斷服務(wù)程序中啟動(dòng)定時(shí)器O，即執行系統的主程序。以連續兩個(gè)負向過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為周期計算出同步信號的頻率，并將其轉化為相應的時(shí)鐘周期數。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)比較參考波與調制波的幅值大小，每次用于比較的參考波為三相幅值，根據比較結果來(lái)確定發(fā)出的狀態(tài)字相應位是1還是0。由于主電路采用三單相橋結構需要6路觸發(fā)脈沖，因此狀態(tài)字為6位，根據比較結果實(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脈沖。

4.3 試驗結果

圖10為利用FLUKE 41B型諧波分析儀實(shí)測的調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 結論

本文利用了數字信號處理器運算速度快、計算精度高、定時(shí)準確的優(yōu)點(diǎn)設計了基于TMS320C31 DSP的脈沖發(fā)生器和控制器。詳細地介紹了有源濾波器控制器的特點(diǎn)、結構、控制方法和主要功能以及脈沖發(fā)生器的設計、軟硬件結構和現場(chǎng)試驗結果?，F場(chǎng)試驗和數字仿真結果表明，脈沖發(fā)生器精度高、穩定性好，控制器的性能符合設計要求。