摘 要: 以TI公司的電機、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,。包括DSP芯片的工作電路設(shè)計、外圍信號采集電路的設(shè)計及IGBT智能功率模塊IPM 的設(shè)計,。
關(guān)鍵詞: DSP;TMS320LF2407A;有源電力濾波器,；控制系統(tǒng),；硬件設(shè)計
目前，有源電力濾波器已經(jīng)在諧波抑制和無功補償方面應(yīng)用廣泛,，而實時準(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)電流中實時分離出諧波分量,，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)的實時性和準(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)來設(shè)計控制系統(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)計方案,，該方案考慮了芯片工作時的種種細(xì)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(shè)計
有源電力濾波器控制系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示,，包括DSP芯片的工作電路（電源、時鐘,、復(fù)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(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,。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，該芯片專門針對電機和逆變器的控制, 具有強大的片上I/O和其他外設(shè),，其運算速度可達(dá)到40 MIPS（每秒百萬次指令）,。它的事件管理器是專門為控制設(shè)計的，具有多達(dá)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(chǎn)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(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DC/DC變換芯片可得。這種方法降低了設(shè)計的難度,，且供電可靠性高,。
另外，對于TMS320LF2407A芯片內(nèi)部3.3 V供電,，設(shè)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(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過程)。
2.2復(fù)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(yán)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(hù)措施是采用具有監(jiān)視（看門狗）功能的自動復(fù)位電路,。
本文采用MAX706S監(jiān)控器,它具有上電自動復(fù)位、手動復(fù)位,、看門狗及其電壓檢測功能,。其內(nèi)部的看門狗電路能監(jiān)視微處理器的運行，當(dāng)1.6 s內(nèi)輸入信號的狀態(tài)沒有改變時就發(fā)出復(fù)位信號,?？紤]仿真器調(diào)試程序時程序裝載過程時間可能大于看門狗電路復(fù)位時間（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(fù)位輸出端。
2.3 內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）時鐘模塊
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(jīng)PLL模塊倍頻（通過系統(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(nèi)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(jìn)行設(shè)置,，因此，為控制系統(tǒng)擴(kuò)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(shè)接口模塊（SPI）連接實現(xiàn)參數(shù)設(shè)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(shè)計中,，控制器需要與上位機進(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 外圍信號采集電路[3]
信號采集電路主要完成電網(wǎng)中電壓、電流信號的采集工作,，被測得信號經(jīng)電壓或電流互感器完成強電信號與弱電信號之間的轉(zhuǎn)換,，再經(jīng)過信號調(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。根據(jù)需要設(shè)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(jié)構(gòu)由3部分構(gòu)成：電壓,、電流互感器，信號調(diào)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(diào)理電路的變換,。電流的變換過程為：首先經(jīng)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?jīng)過一324 Ω電阻產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)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(zhuǎn)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(jié)果證明該電路可實現(xiàn)預(yù)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(wǎng)電壓同頻率的方波信號，以實現(xiàn)正弦表的準(zhǔn)確復(fù)位和A/D采樣準(zhǔn)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(gòu)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(diào)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(hù),。
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(jīng)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(fù)載電流的采樣周期相同,。由于一般APF補償至非線性負(fù)載電流的最高次諧波為13次諧波（即650 Hz）,，又由于采樣會造成延時誤差，所以考慮香農(nóng)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(chǎn)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(jìn)行256倍分頻,，分頻后的信號再送回CD4046的BIN端,，內(nèi)部鑒相器對2個輸入進(jìn)行相位比較,，鑒相器的輸出再經(jīng)過由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,，通過閉環(huán)調(diào)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(shè)計[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、檢測和保護(hù)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(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)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(jìn)行設(shè)定,。本文以PM100DSA120功率模塊為例進(jìn)行說明,。
由于PM100DSA120內(nèi)置IGBT的驅(qū)動電路，只要將光耦的輸出連接到IPM的驅(qū)動信號輸入即可,，其中一個開關(guān)管的驅(qū)動電路如圖8所示,。
本文所采用的PM100DSA120內(nèi)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(jīng)過低通阻容濾波器連接到DSP的PDPINT引腳,。當(dāng)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(nèi)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(guān)管的IPM保護(hù)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(shè)計方案。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,、時鐘,、復(fù)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(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3個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， 對從事相關(guān)硬件設(shè)計的工程技術(shù)人員有一定的參考價值,。
參考文獻(xiàn)
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