基于C28X DSP的单相有源滤波控制器设计

作者：赵伟，田铭兴，赵庆春

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。



     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：



     用i(t)减去i1(t)可得检测出的谐波电流ib(t)。

     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DSP 28335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DSP 28335为核心。DSP 28335是以C28X为核心的32位浮点高速CPU，系统最高频率可达150 MHz，芯片内部集成2×8通道12 bit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，DSP 28335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DSP 28335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DSP 28335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Filter Designers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=30 V；直流侧电压Udc=50 V；L=4．5 mH；RL=2 Ω；环宽0．2 A；采样频率25．6 kHz；最高开关频率fmax=12．8 kHz。实验波形如图5所示。


   
     由图可见，设计的基于DSP 28335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DSP 28335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。