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

一旦有源濾波器過流或者過壓，保護裝置動作將IGBT封鎖使有源濾波器處于封鎖狀態(tài)。此時控制器將根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和有源濾波器本身的狀態(tài)進行判斷，如果二者均恢復正常則控制器會選擇適當?shù)臅r機對有源濾波器進行復位，使其恢復到正常運行狀態(tài)[2]。

4 高精度脈沖發(fā)生器

過去基于單片機的脈寬調(diào)制的實現(xiàn)方案中，由于處理器的指令執(zhí)行時間較長，而難以保證脈沖精度，且受相位抖動的影響也較顯著[4]。數(shù)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，簡單靈活，有較好的通用性[5]。

4.1 變流器脈沖信號之間的關系

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。假定圖中半導體開關為理想開關，則同一橋臂的兩個開關的導通與關斷是互補的（因為同一橋臂的兩個開關不能同時導通，否則將會因橋臂直通而導致直流電源短路）。假定上部開關（圖(a)中的SL和SR）導通而下部開關（圖(a)中的SL′和SR′）關斷時開關狀態(tài)為1，反之為0。如果任一時刻都有兩只管子導通，則單相橋IGBT開關狀態(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、硬件體系結構與實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用SPWM方式將載波與參考波的幅值進行比較，根據(jù)比較結果確定輸出開關的狀態(tài)。本有源濾波器系統(tǒng)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(tǒng)中載波（三角波）的最低頻率應該是2.5 kHz?？紤]到提高調(diào)制波的頻率使功率元件的開關頻率提高，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，因而兩個信號的抽樣頻率越高誤差就越小。考慮數(shù)字信號處理器的實時處理能力，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點幅值信息即可以滿足要求。在實際應用時，程序中構造兩張表，一張為24點的調(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點的參考波幅值，參考波幅值由另外一個控制芯片提供，通過雙口RAM提供本系統(tǒng)數(shù)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DSP芯片（TMS320C31）實現(xiàn)，輸出的控制變量為逆變器輸出電壓的參考值，兩個DSP芯片之間通過雙口RAM交換數(shù)據(jù)。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，在正弦信號的每個負向過零點產(chǎn)生向DSP申請外部中斷的窄脈沖。載波值表存儲于片內(nèi)RAM上，每個中斷周期進行刷新變址寄存器中的數(shù)值來更新當前所指表中數(shù)據(jù)的位置，以便和雙口RAM中的參考波的幅值進行比較。定時器0由外部同步脈沖觸發(fā)并將角度信息值轉(zhuǎn)化為相應的時鐘周期數(shù)加載到定時器1以及串口計數(shù)器的周期計數(shù)器中，用于觸發(fā)計數(shù)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(tǒng)初始化包括寫控制字、變量賦值、確定存儲地址等。在外部中斷服務程序中啟動定時器O，即執(zhí)行系統(tǒng)的主程序。以連續(xù)兩個負向過零點之間的時間間隔為周期計算出同步信號的頻率，并將其轉(zhuǎn)化為相應的時鐘周期數(shù)。定時器中斷程序主要用來保持觸發(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)比較結果來確定發(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(jù)比較結果實時刷新狀態(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 試驗結果

圖10為利用FLUKE 41B型諧波分析儀實測的調(diào)制波為基波正弦疊加11及13次諧波時的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(shù)字信號處理器運算速度快、計算精度高、定時準確的優(yōu)點設計了基于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、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(xiàn)場試驗結果。現(xiàn)場試驗和數(shù)字仿真結果表明，脈沖發(fā)生器精度高、穩(wěn)定性好，控制器的性能符合設計要求。