摘 要: 以TI公司的電機、逆變器控制專用DSP芯片TMS320LF2407A為基礎，介紹了關于有源電力濾波器控制系統(tǒng)的硬件設計。包括DSP芯片的工作電路設計、外圍信號采集電路的設計及IGBT智能功率模塊IPM 的設計。
關鍵詞: DSP;TMS320LF2407A;有源電力濾波器；控制系統(tǒng)；硬件設計
目前，有源電力濾波器已經在諧波抑制和無功補償方面應用廣泛，而實時準確的控制系統(tǒng)是有源電力濾波器的核心，決定了其主要性能和指標。從有源電力濾波器的工作原理可知，控制系統(tǒng)必須能從負載側電流中實時分離出諧波分量，控制PWM變流器產生與諧波電流大小相等方向相反的電流注入系統(tǒng)，來抵消系統(tǒng)中的諧波電流，達到消除諧波的目的。由于DSP芯片處理數(shù)據(jù)的實時性和準確性，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芯片為基礎來設計控制系統(tǒng)的。本文在TMS320LF2407A芯片的基礎上，提出了有源電力濾波器控制系統(tǒng)的硬件電路設計方案，該方案考慮了芯片工作時的種種細節(jié)，使實現(xiàn)實時可靠的有源濾波功能成為可能。
1 總體設計
有源電力濾波器控制系統(tǒng)的總體設計如圖1所示，包括DSP芯片的工作電路（電源、時鐘、復位電路及其片外存儲器、EEPROM 和DSP芯片的接口電路）、外圍信號采集電路（電平調理電路及其采樣觸發(fā)電路）和IGBT智能功率模塊IPM的設計。下面詳細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，該芯片專門針對電機和逆變器的控制, 具有強大的片上I/O和其他外設，其運算速度可達到40 MIPS（每秒百萬次指令）。它的事件管理器是專門為控制設計的，具有多達4個可編程定時器，每個定時器又具備多種中斷，非常有利于產生控制信號。豐富的I/O口為控制信號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，基于這一點本文采用DFA05-S05D15N（W）型號的AD/DC模塊電源，該電源有3路輸出，將220 V交流電壓轉換成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DC/DC變換芯片可得。這種方法降低了設計的難度，且供電可靠性高。
另外，對于TMS320LF2407A芯片內部3.3 V供電，設計電源時要考慮模擬電源和數(shù)字電源單獨供電及其電源的上電、掉電次序。一般要求CPU內核電源(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過程)。
2.2復位電路和電源監(jiān)視電路
由于DSP系統(tǒng)的時鐘頻率比較高，因此在運行時極有可能發(fā)生干擾和被干擾的現(xiàn)象，嚴重時系統(tǒng)可能會出現(xiàn)死機。為了克服這種情況，硬件上最有效的保護措施是采用具有監(jiān)視（看門狗）功能的自動復位電路。
本文采用MAX706S監(jiān)控器,它具有上電自動復位、手動復位、看門狗及其電壓檢測功能。其內部的看門狗電路能監(jiān)視微處理器的運行，當1.6 s內輸入信號的狀態(tài)沒有改變時就發(fā)出復位信號?？紤]仿真器調試程序時程序裝載過程時間可能大于看門狗電路復位時間（1.6 s），復位電路和電源監(jiān)視電路如圖3所示。
其中MAX706S的引腳功能如下：MR為人工復位輸入；Vcc為電源端；GND為接地端；PFI為門限檢測器輸入端；PFO為門限檢測輸出端；WDI為看門狗電路輸入端；WDO為看門狗電路輸出端；RESET為低電平復位輸出端。
2.3 內部鎖相環(huán)（PLL）時鐘模塊
TMS320LF2407A芯片利用接掛在片內外設總線上的鎖相環(huán)時鐘模塊（PLL）合成系統(tǒng)需要的各種時鐘信號。本文中外部時鐘由10 MHz晶振提供，經PLL模塊倍頻（通過系統(tǒng)控制和狀態(tài)寄存器設置4倍頻因子）后，2407A以最大的時鐘頻率（40 MHz）工作。同時，PLL模塊使用外部濾波器回路來抑制信號抖動和電磁干擾。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片外存儲器
2.5 EEPROM
由于被燒寫到片內程序FLASH中的程序在運行時不能被改寫，而實際工作狀態(tài)中又要根據(jù)需要對一些參數(shù)進行設置，因此，為控制系統(tǒng)擴展了一塊型號為X5043PI-2.7、存儲容量為4 KB的串行EEPROM，與DSP串行外設接口模塊（SPI）連接實現(xiàn)參數(shù)設置、存儲功能，如圖4所示。其中X5043PI-2.7的引腳功能如下：SPICLK為SPI單元的時鐘信號輸出引腳；SPISIMO為從動輸入、主動輸出引腳；SPISOMI為主動輸入、從動輸出引腳；SPISTE為一般I/O口使用，為芯片提供片選信號。
2.6 串行通信接口電路
在電力有源濾波器控制器的設計中，控制器需要與上位機進行通信，進行數(shù)據(jù)交換。2407A的通信接口（SCI）所選用的通信標準為RS-232C標準，它是目前應用得最多的一種串行通信標準。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，必須進行電平轉換。本文采用MAX232芯片進行電平轉換[2]。TMS320LF2407A與MAX232的接口電路如圖5所示。
3 外圍信號采集電路[3]
信號采集電路主要完成電網中電壓、電流信號的采集工作，被測得信號經電壓或電流互感器完成強電信號與弱電信號之間的轉換，再經過信號調理電路將其調理到DSP芯片ADC模塊輸入電平要求范圍的0 V～3.3 V電壓信號。根據(jù)需要設計采樣觸發(fā)信號電路發(fā)出采樣信息，采集電流電壓信號。信號采集電路的硬件結構由3部分構成：電壓、電流互感器，信號調理電路，采樣觸發(fā)信號形成電路。
3.1電流采樣電路
通過互感器采樣到的電流信號是雙極性的，要想得到適合計算機A/D采樣的信號必須通過信號調理電路的變換。電流的變換過程為：首先經過5 A/5 mA電流互感器將大電流信號變?yōu)楹涟布壍碾娏餍盘?，再經過一324 Ω電阻產生電壓信號，經過電平提升處理后使采集到的電流信號適合DSP芯片自帶A/D轉換器的輸入信號要求。具體電路如圖6(a)所示。為了驗證電路可行性，本文還用Multisim軟件對其做了仿真，如圖6(b)所示，其中sA（t）、sB(t)分別表示信號抬升之前和抬升之后的波形。仿真結果證明該電路可實現(xiàn)預定功能。
3.2 電壓過零比較及抬升電路
電壓過零比較電路主要是為了獲得與電網電壓同頻率的方波信號，以實現(xiàn)正弦表的準確復位和A/D采樣準時啟動。電壓過零比較及提升電路圖如圖7（a）所示 ,此圖中的運放構成了一個電壓比較器，運放后面的3個電阻用來抬升電壓到0 V～3.3 V，且其中有一個為電位器，可以通過調節(jié)它來任意改變電路的抬升幅值，從而可以動態(tài)滿足不同的要求。二極管用來保護。
圖7（b）為Ｍultisim仿真波形，通過波形可以看到過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電壓過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載電流的采樣周期相同。由于一般APF補償至非線性負載電流的最高次諧波為13次諧波（即650 Hz），又由于采樣會造成延時誤差，所以考慮香農采樣定理和最小延時誤差原則，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由鎖相環(huán)倍頻電路產生，鎖相環(huán)芯片采用CD4046實現(xiàn)。與a相電壓同步的工頻50 Hz方波信號送入鎖相環(huán)CD4046的AIN端，CD4046 的鎖相環(huán)輸出信號送入12位計數(shù)器CD4040進行256倍分頻，分頻后的信號再送回CD4046的BIN端，內部鑒相器對2個輸入進行相位比較，鑒相器的輸出再經過由R2、C1構成的低通濾波器，濾波器的輸出作為壓控振蕩器VCO的控制信號，通過閉環(huán)調解過程，最終使得CD4046的輸出鎖定在12.8 kHz左右。該信號送入DSP的CAP4口，CAP4口同時檢測其上升沿和下降沿作為25.6 kHz的采樣周期信號。
4 IGBT智能功率模塊IPM的設計[4]
IPM是一種先進的功率開關模塊，內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，使用起來方便，不僅減小了系統(tǒng)的體積和開發(fā)時間，也大大地增強了系統(tǒng)的可靠性，在電力電子領域得到了越來越廣泛的應用。在APF控制系統(tǒng)中，IPM的型號可以根據(jù)要補償?shù)碾娏鞔笮『碗妷褐颠M行設定。本文以PM100DSA120功率模塊為例進行說明。
由于PM100DSA120內置IGBT的驅動電路，只要將光耦的輸出連接到IPM的驅動信號輸入即可，其中一個開關管的驅動電路如圖8所示。
本文所采用的PM100DSA120內部集成了6個IGBT單元，具有下臂報警功能，在過流、短路、控制電源欠壓及過熱時，6個功率器件IPM的故障信號通過光耦隔離，送至或非門CD4078，其輸出經過低通阻容濾波器連接到DSP的PDPINT引腳。當至少有一個功率器件有故障發(fā)生時，PDPINT引腳被拉為低電平，DSP內部定時器立即停止工作，所有PWM輸出高阻態(tài)，封鎖IPM控制信號。對一個開關管的IPM保護報警信號輸出電路如圖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)的設計方案。該方案考慮到控制系統(tǒng)工作的種種細節(jié)，并從DSP芯片的工作電路（電源、時鐘、復位電路及其片外存儲器、EEPROM 和DSP芯片的接口電路）、外圍信號采集電路（電平調理電路及其采樣觸發(fā)電路）和IGBT智能功率模塊IPM的設計3個方面分別做了詳盡的介紹。該方案還可以應用到其他電力電子裝置的控制系統(tǒng)設計， 對從事相關硬件設計的工程技術人員有一定的參考價值。
參考文獻
[1] 劉和平，嚴利平，張學峰，等.TMS320LF240X DSP 結構、原理及應用[M].北京：北京航天航空大學出版社，2002.
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[3] 劉南平，吉紅.模擬電子技術[M].北京：科學出版社，2005.
[4] 李廣海，葉勇，蔣靜坪.IPM驅動和保護電路的研究[J].自動化與儀器儀表，2003（12）：43-49.