摘 要: 以TI公司的電機(jī)、逆變器控制專用DSP芯片TMS320LF2407A為基礎(chǔ)，介紹了關(guān)于有源電力濾波器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。包括DSP芯片的工作電路設(shè)計(jì)、外圍信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)及IGBT智能功率模塊IPM 的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞: DSP;TMS320LF2407A;有源電力濾波器；控制系統(tǒng)；硬件設(shè)計(jì)
目前，有源電力濾波器已經(jīng)在諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方面應(yīng)用廣泛，而實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的控制系統(tǒng)是有源電力濾波器的核心，決定了其主要性能和指標(biāo)。從有源電力濾波器的工作原理可知，控制系統(tǒng)必須能從負(fù)載側(cè)電流中實(shí)時(shí)分離出諧波分量，控制PWM變流器產(chǎn)生與諧波電流大小相等方向相反的電流注入系統(tǒng)，來(lái)抵消系統(tǒng)中的諧波電流，達(dá)到消除諧波的目的。由于DSP芯片處理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，能夠滿足工程中有源濾波器的需要，所以現(xiàn)在大多數(shù)有源電力濾波器均是以DSP芯片為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的。本文在TMS320LF2407A芯片的基礎(chǔ)上，提出了有源電力濾波器控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)方案，該方案考慮了芯片工作時(shí)的種種細(xì)節(jié)，使實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可靠的有源濾波功能成為可能。
1 總體設(shè)計(jì)
有源電力濾波器控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示，包括DSP芯片的工作電路（電源、時(shí)鐘、復(fù)位電路及其片外存儲(chǔ)器、EEPROM 和DSP芯片的接口電路）、外圍信號(hào)采集電路（電平調(diào)理電路及其采樣觸發(fā)電路）和IGBT智能功率模塊IPM的設(shè)計(jì)。下面詳細(xì)介紹各單元模塊的功能與硬件電路。
2 DSP芯片的工作電路[1]
本文采用TI公司的TMS320LF2407A芯片，該芯片專門針對(duì)電機(jī)和逆變器的控制, 具有強(qiáng)大的片上I/O和其他外設(shè)，其運(yùn)算速度可達(dá)到40 MIPS（每秒百萬(wàn)次指令）。它的事件管理器是專門為控制設(shè)計(jì)的，具有多達(dá)4個(gè)可編程定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器又具備多種中斷，非常有利于產(chǎn)生控制信號(hào)。豐富的I/O口為控制信號(hào)的輸出和輸入提供了極大的便利。
2.1 電源電路
DSP控制系統(tǒng)是一個(gè)多電源系統(tǒng)。芯片本身是3.3 V供電，但其外圍電路分別有5 V、±15 V供電，基于這一點(diǎn)本文采用DFA05-S05D15N（W）型號(hào)的AD/DC模塊電源，該電源有3路輸出，將220 V交流電壓轉(zhuǎn)換成5 V、±15 V直流輸出，而3.3 V電壓則利用端口電壓5 V通過(guò)DC/DC變換芯片可得。這種方法降低了設(shè)計(jì)的難度，且供電可靠性高。
另外，對(duì)于TMS320LF2407A芯片內(nèi)部3.3 V供電，設(shè)計(jì)電源時(shí)要考慮模擬電源和數(shù)字電源單獨(dú)供電及其電源的上電、掉電次序。一般要求CPU內(nèi)核電源(VDD)先于I/O電源(VDDO)上電，后于I/O電源掉電。具有上電次序控制的DSP電源電路如圖2所示(其中包括5 V變3.3 V過(guò)程)。
2.2復(fù)位電路和電源監(jiān)視電路
由于DSP系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率比較高，因此在運(yùn)行時(shí)極有可能發(fā)生干擾和被干擾的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)死機(jī)。為了克服這種情況，硬件上最有效的保護(hù)措施是采用具有監(jiān)視（看門狗）功能的自動(dòng)復(fù)位電路。
本文采用MAX706S監(jiān)控器,它具有上電自動(dòng)復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、看門狗及其電壓檢測(cè)功能。其內(nèi)部的看門狗電路能監(jiān)視微處理器的運(yùn)行，當(dāng)1.6 s內(nèi)輸入信號(hào)的狀態(tài)沒(méi)有改變時(shí)就發(fā)出復(fù)位信號(hào)?？紤]仿真器調(diào)試程序時(shí)程序裝載過(guò)程時(shí)間可能大于看門狗電路復(fù)位時(shí)間（1.6 s），復(fù)位電路和電源監(jiān)視電路如圖3所示。
其中MAX706S的引腳功能如下：MR為人工復(fù)位輸入；Vcc為電源端；GND為接地端；PFI為門限檢測(cè)器輸入端；PFO為門限檢測(cè)輸出端；WDI為看門狗電路輸入端；WDO為看門狗電路輸出端；RESET為低電平復(fù)位輸出端。
2.3 內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）時(shí)鐘模塊
TMS320LF2407A芯片利用接掛在片內(nèi)外設(shè)總線上的鎖相環(huán)時(shí)鐘模塊（PLL）合成系統(tǒng)需要的各種時(shí)鐘信號(hào)。本文中外部時(shí)鐘由10 MHz晶振提供，經(jīng)PLL模塊倍頻（通過(guò)系統(tǒng)控制和狀態(tài)寄存器設(shè)置4倍頻因子）后，2407A以最大的時(shí)鐘頻率（40 MHz）工作。同時(shí)，PLL模塊使用外部濾波器回路來(lái)抑制信號(hào)抖動(dòng)和電磁干擾。濾波器回路的元件為R1、C1、C2，連接到TMS320F2407A芯片的PLLF和PLLF2引腳。在不同的振蕩器（XTAL1）頻率下的R1、C1和C2推薦值見表1。本文中采用的有源晶振值為10 MHz，所以查表得到R1=11 Ω，C1=0.68 μF，C2=0.015 μF。
2.4片外存儲(chǔ)器
2.5 EEPROM
由于被燒寫到片內(nèi)程序FLASH中的程序在運(yùn)行時(shí)不能被改寫，而實(shí)際工作狀態(tài)中又要根據(jù)需要對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，因此，為控制系統(tǒng)擴(kuò)展了一塊型號(hào)為X5043PI-2.7、存儲(chǔ)容量為4 KB的串行EEPROM，與DSP串行外設(shè)接口模塊（SPI）連接實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、存儲(chǔ)功能，如圖4所示。其中X5043PI-2.7的引腳功能如下：SPICLK為SPI單元的時(shí)鐘信號(hào)輸出引腳；SPISIMO為從動(dòng)輸入、主動(dòng)輸出引腳；SPISOMI為主動(dòng)輸入、從動(dòng)輸出引腳；SPISTE為一般I/O口使用，為芯片提供片選信號(hào)。
2.6 串行通信接口電路
在電力有源濾波器控制器的設(shè)計(jì)中，控制器需要與上位機(jī)進(jìn)行通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。2407A的通信接口（SCI）所選用的通信標(biāo)準(zhǔn)為RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，它是目前應(yīng)用得最多的一種串行通信標(biāo)準(zhǔn)。但是RS-232C邏輯電平與TTL電平不兼容，為了使DSP的TTL電平兼容，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。本文采用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換[2]。TMS320LF2407A與MAX232的接口電路如圖5所示。
3 外圍信號(hào)采集電路[3]
信號(hào)采集電路主要完成電網(wǎng)中電壓、電流信號(hào)的采集工作，被測(cè)得信號(hào)經(jīng)電壓或電流互感器完成強(qiáng)電信號(hào)與弱電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路將其調(diào)理到DSP芯片ADC模塊輸入電平要求范圍的0 V～3.3 V電壓信號(hào)。根據(jù)需要設(shè)計(jì)采樣觸發(fā)信號(hào)電路發(fā)出采樣信息，采集電流電壓信號(hào)。信號(hào)采集電路的硬件結(jié)構(gòu)由3部分構(gòu)成：電壓、電流互感器，信號(hào)調(diào)理電路，采樣觸發(fā)信號(hào)形成電路。
3.1電流采樣電路
通過(guò)互感器采樣到的電流信號(hào)是雙極性的，要想得到適合計(jì)算機(jī)A/D采樣的信號(hào)必須通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的變換。電流的變換過(guò)程為：首先經(jīng)過(guò)5 A/5 mA電流互感器將大電流信號(hào)變?yōu)楹涟布?jí)的電流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)一324 Ω電阻產(chǎn)生電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)電平提升處理后使采集到的電流信號(hào)適合DSP芯片自帶A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)要求。具體電路如圖6(a)所示。為了驗(yàn)證電路可行性，本文還用Multisim軟件對(duì)其做了仿真，如圖6(b)所示，其中sA（t）、sB(t)分別表示信號(hào)抬升之前和抬升之后的波形。仿真結(jié)果證明該電路可實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。
3.2 電壓過(guò)零比較及抬升電路
電壓過(guò)零比較電路主要是為了獲得與電網(wǎng)電壓同頻率的方波信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)正弦表的準(zhǔn)確復(fù)位和A/D采樣準(zhǔn)時(shí)啟動(dòng)。電壓過(guò)零比較及提升電路圖如圖7（a）所示 ,此圖中的運(yùn)放構(gòu)成了一個(gè)電壓比較器，運(yùn)放后面的3個(gè)電阻用來(lái)抬升電壓到0 V～3.3 V，且其中有一個(gè)為電位器，可以通過(guò)調(diào)節(jié)它來(lái)任意改變電路的抬升幅值，從而可以動(dòng)態(tài)滿足不同的要求。二極管用來(lái)保護(hù)。
圖7（b）為Ｍultisim仿真波形，通過(guò)波形可以看到過(guò)零比較的波形及幅值。其中sC、sD分別為互感器輸出的電壓值和經(jīng)電壓過(guò)零比較和抬升電路之后的電壓值。
3.3 鎖相環(huán)與倍頻電路
本文中，APF的控制周期與三相非線性負(fù)載電流的采樣周期相同。由于一般APF補(bǔ)償至非線性負(fù)載電流的最高次諧波為13次諧波（即650 Hz），又由于采樣會(huì)造成延時(shí)誤差，所以考慮香農(nóng)采樣定理和最小延時(shí)誤差原則，選擇采樣周期為39 μs，即采樣周期是工頻周期的1/512。
本文中的采樣周期信號(hào)由鎖相環(huán)倍頻電路產(chǎn)生，鎖相環(huán)芯片采用CD4046實(shí)現(xiàn)。與a相電壓同步的工頻50 Hz方波信號(hào)送入鎖相環(huán)CD4046的AIN端，CD4046 的鎖相環(huán)輸出信號(hào)送入12位計(jì)數(shù)器CD4040進(jìn)行256倍分頻，分頻后的信號(hào)再送回CD4046的BIN端，內(nèi)部鑒相器對(duì)2個(gè)輸入進(jìn)行相位比較，鑒相器的輸出再經(jīng)過(guò)由R2、C1構(gòu)成的低通濾波器，濾波器的輸出作為壓控振蕩器VCO的控制信號(hào)，通過(guò)閉環(huán)調(diào)解過(guò)程，最終使得CD4046的輸出鎖定在12.8 kHz左右。該信號(hào)送入DSP的CAP4口，CAP4口同時(shí)檢測(cè)其上升沿和下降沿作為25.6 kHz的采樣周期信號(hào)。
4 IGBT智能功率模塊IPM的設(shè)計(jì)[4]
IPM是一種先進(jìn)的功率開關(guān)模塊，內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測(cè)和保護(hù)電路，使用起來(lái)方便，不僅減小了系統(tǒng)的體積和開發(fā)時(shí)間，也大大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，在電力電子領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在APF控制系統(tǒng)中，IPM的型號(hào)可以根據(jù)要補(bǔ)償?shù)碾娏鞔笮『碗妷褐颠M(jìn)行設(shè)定。本文以PM100DSA120功率模塊為例進(jìn)行說(shuō)明。
由于PM100DSA120內(nèi)置IGBT的驅(qū)動(dòng)電路，只要將光耦的輸出連接到IPM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入即可，其中一個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路如圖8所示。
本文所采用的PM100DSA120內(nèi)部集成了6個(gè)IGBT單元，具有下臂報(bào)警功能，在過(guò)流、短路、控制電源欠壓及過(guò)熱時(shí)，6個(gè)功率器件IPM的故障信號(hào)通過(guò)光耦隔離，送至或非門CD4078，其輸出經(jīng)過(guò)低通阻容濾波器連接到DSP的PDPINT引腳。當(dāng)至少有一個(gè)功率器件有故障發(fā)生時(shí)，PDPINT引腳被拉為低電平，DSP內(nèi)部定時(shí)器立即停止工作，所有PWM輸出高阻態(tài)，封鎖IPM控制信號(hào)。對(duì)一個(gè)開關(guān)管的IPM保護(hù)報(bào)警信號(hào)輸出電路如圖9所示。
本文提出了以TMS320LF2407A芯片為核心的有源電力濾波器APF控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案考慮到控制系統(tǒng)工作的種種細(xì)節(jié)，并從DSP芯片的工作電路（電源、時(shí)鐘、復(fù)位電路及其片外存儲(chǔ)器、EEPROM 和DSP芯片的接口電路）、外圍信號(hào)采集電路（電平調(diào)理電路及其采樣觸發(fā)電路）和IGBT智能功率模塊IPM的設(shè)計(jì)3個(gè)方面分別做了詳盡的介紹。該方案還可以應(yīng)用到其他電力電子裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 對(duì)從事相關(guān)硬件設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員有一定的參考價(jià)值。
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