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基于DSP28335处理器实现单相APF控制器的硬软件设计

高工
2021-01-18 23:50:32    评分

1引言

现代电力系统中,由于大量非线性电力电子装置的应用,使得电能质量备受关注。APF能动态、快速补偿谐波,其实时性和精确性至关重要。当前国内的APF控制器多采用定点的DSP完成谐波的计算和控制,在完成浮点运算时,其实时性得不到保证,在此采用具有浮点运算单元的DSP28335作为处理器,可以提高实现算法的速度及补偿的实时性,在此主要讨论单相APF控制器的硬软件实现方案,并给出实验结论,验证控制器方案的正确性和有效性。

2单相谐波检测工作原理

在三相系统中利用瞬时功率法的ip-iq法已得到广泛应用,但ip-iq法不能直接运用于单相系统,需要经过构造三相电流。该方法算法复杂,在微处理器实现时补偿实时性不佳。文献提出简化的基于鉴相原理的瞬时检测方法,如图1所示。

基于DSP28335处理器实现单相APF控制器的硬软件设计

该方法算法简单,易于实现并且实时性好,在此设计的控制器采用此方法,其原理为:负载电压us经过锁相环(PLL)后,得到与us同频同相的基波信号,再由正、余弦发生器产生与us基波同相的单位正弦和余弦信号,以此为电压的参考信号。设畸变电流为:

需要指出的是该方法虽然称为瞬时谐波检测,但实际上由于算法中LPF的存在,恶化了算法的动态性能,做不到真正意义的“瞬时”。

3基于DSP28335的软硬件实现方案

3.1硬件设计

数字化APF控制器要求完成A/D采样、谐波计算、变流器控制、通讯、故障保护与报警等功能。APF常应用在有快速波动负载的系统中,故要求响应时间小,尽量减小时间延时和补偿的相位滞后。在此设计的控制器以DSP28335为核心。DSP28335是以C28X为核心的32位浮点高速CPU,系统最高频率可达150MHz,芯片内部集成2×8通道12bit的AID转换器。具有丰富的I/O口资源,便于外围控制。

图2示出控制器结构框图。

3.2软件设计

DSP软件主要包括系统初始化程序和中断程序。中断程序包括定时器中断、电压同步锁相中断、故障保护中断、通讯中断、启停中断。定时器中断是整个软件的核心,完成了对负载电流、直流侧电压等模拟量的采集,同时进行谐波补偿量计算,并根据滞环控制逻辑输出控制信号,其流程如图3所示。

电压同步锁相中断是响应电压基波的过零信号,复位DSP内部的正弦、余弦表指针,得到与电压基波同频同相的电压参考信号。故障保护中断程序中对变流器过压、过流、过热及直流侧电压过压的故障信号进行响应,接收到这些故障信号,控制器进入自动保护,封锁控制输出,并报警等待故障信号解除。控制器的通讯部分采用发送查询、接收中断的方式,通讯中断程序中接收主控机的参数设定等命令。启停中断程序中外部的启动和停止命令。

4注意的问题

4.1电压过零干扰的处理

由于在该控制器设计中用过零检测及正余弦查表的方式代替了图1中的PLL和正弦、余弦发生电路。在该控制器设计中采用LM339比较器检测电压过零时刻,电压过零点的检测对于准确检测出补偿量十分重要,若电压过零点检测不准,则不能保证同步采样,导致计算补偿量不准。电压过零的实现是通过对电压信号经过电压比较器,转换为方波信号,DSP28335捕捉上升沿时刻进而确定周期的开始。由于传感器输出不是理想平滑的电压信号,在过零点处,电压的微小波动会使比较器的输出有很多毛刺。

这样的毛刺小方波会被DSP28335捕捉到,从而使周期开始判断失误,导致补偿量计算误差,为了解决上述问题,比较器前加滤波电路,去除高频外,还利用DSP28335的管脚输入滤波功能,配置输入量化寄存器GPxQUAL在精度允许的情况下,对输入方波边沿的毛刺进行滤波。

4.2数字滤波的选择

数字LPF根据结构分为无限冲击响应滤波器(IIR)和有限冲击响应滤波器(FIR)。实现相同的功能,FIR阶数要比IIR高几倍,存在运算速度慢,占用空间大的不足,结合谐波检测要求实时性的要求,选择IIR,在此采用二阶巴特沃斯LPF,系数利用Matlab的FilterDesigners设计。

5实验结果

在设计的软硬件实现方案基础上搭建了实验装置。整体结构如图4所示。

功率单元采用智能功率模块PS21865-P。基于实验安全的考虑电源侧用调压器调压,使得系统工作在低电压小电流条件下。非线性负载接二极管全桥整流,再接阻感负载。电感用调压器的二次线圈,调节电感,改变负载电流畸变程度,观察补偿效果。实验主要参数:电源电压us=30V;直流侧电压Udc=50V;L=4.5mH;RL=2Ω;环宽0.2A;采样频率25.6kHz;最高开关频率fmax=12.8kHz。实验波形如图5所示。

由图可见,设计的基于DSP28335的单相有源滤波控制器实时性好,补偿后电源侧电流具有很好的正弦性,且延时小,具有很好的补偿效果。

6结论

采用具有浮点运算功能的DSP28335作为处理器,设计了单相有源滤波器控制器,该控制器的突出特点是控制精度高,实现简单。由实验结果可知,采用该方案的控制器能够快速准确地检测、补偿谐波电流,具有很好的工程应用价值。




工程师
2021-01-18 23:59:23    评分
2楼

设计的很到位


工程师
2021-01-19 23:59:48    评分
3楼

设计的很到位


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