基于TMS320F28035CLA的IIR低通濾波器設(shè)計(jì)

，

（華南理工大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

1 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球?qū)G色能源的呼聲越來越高，作為綠色能源裝置的一種——變頻裝置也適應(yīng)時(shí)勢(shì)發(fā)展，正在世界范圍內(nèi)大量投入使用。例如三相變頻器、三相整流器、三相有源逆變器和三相有源濾波器的大量投入使用可以大大提高電能利用率，減少電能的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。但是在這些變頻控制中，控制信號(hào)不可避免的要受到開關(guān)電源高頻開關(guān)信號(hào)或者IGBT高頻開關(guān)信號(hào)的影響，使ADC采樣得到的信號(hào)夾帶有高頻信號(hào)干擾，從而導(dǎo)致控制算法得到錯(cuò)誤的信號(hào)，產(chǎn)生誤動(dòng)作，使控制效果下降甚至失效。在Piccolo系列DSP芯片CPU中雖然可以設(shè)計(jì)濾波器，但是濾波器的運(yùn)行會(huì)增加CPU開銷，使CPU無暇處理其他諸如通信、診斷之類的系統(tǒng)任務(wù)。而TMS320F28035芯片的CLA是一個(gè)獨(dú)立并行控制的單元，它能替CPU分擔(dān)處理一些諸如濾波器算法的程序，減少CPU的開銷，使CPU有更多時(shí)間去處理諸如通信、診斷之類的系統(tǒng)任務(wù)［1］。

基于上述原因，本文在TI公司Piccolo系列DSP芯片TMS320F28035的CLA硬件平臺(tái)上設(shè)計(jì)出IIR低通濾波器，它能有效的濾除高頻信號(hào)的干擾，解決三相變頻控制信號(hào)受高頻信號(hào)干擾的難題，提高控制系統(tǒng)的控制精度，同時(shí)減少CPU的開銷。本文主要給出IIR低通濾波器的Matlab／Simulink仿真設(shè)計(jì)和在TMS320F28035芯片CLA硬件平臺(tái)上的軟件設(shè)計(jì)。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證IIR低通濾波器設(shè)計(jì)的正確性。

2 IIR低通濾波器的Simulink仿真設(shè)計(jì)

在三相變頻控制系統(tǒng)中，和有效的控制信號(hào)頻率相比，干擾信號(hào)的頻率要高得多，比如開關(guān)電源的開關(guān)頻率在50kHz以上，IGBT通常的開關(guān)頻率在20kHz以下。所以根據(jù)變頻控制的要求，本文設(shè)計(jì)的IIR低通濾波器的參數(shù)為：采樣頻率fsamp＝200kHz，通帶截止頻率fp＝20kHz，阻帶下限截止頻率fs＝40kHz，通帶允許最大衰減αp＝3dB，阻帶應(yīng)達(dá)到的最小衰減αs＝40dB，采用Butterworth低通濾波器設(shè)計(jì)［2］。

在Matlab中調(diào)用buttord函數(shù)計(jì)算Butterworth低通濾波器的階數(shù)、調(diào)用butter函數(shù)計(jì)算零極點(diǎn)，調(diào)用zp2sos函數(shù)計(jì)算Butterworth低通濾波器轉(zhuǎn)移函數(shù)的級(jí)聯(lián)形式：

其中

a21＝2.618 612e－001a11＝－1.004 155

b21＝4.066 330e－004b11＝8.132 660e－004b01＝4.066 330e－004a22＝4.003 438e－001

a12＝－1.114 355b22＝1b12＝2b02＝1a23＝7.289 975e－001a13＝－1.375 889b23＝1b13＝2b03＝1。

轉(zhuǎn)移函數(shù)的頻率響應(yīng)曲線見圖1。

圖1 IIR低通濾波器的頻率響應(yīng)曲線Fig.1 The frequency response of IIR low－pass filter

在Simulink［3］中 Butterworth低通濾波器的仿真如圖2所示。分別將5kHz和40kHz的正弦波輸入IIR低通濾波器仿真驗(yàn)證得到輸出波形如圖3和圖4所示。

圖2 IIR低通濾波器的仿真圖Fig.2 The simulation of IIR low－pass filter

圖3 5kHz正弦波仿真驗(yàn)證Fig.3 5kHz sine waves simulation validation

由圖3和圖4仿真可知，5kHz的正弦波可以完全通過IIR低通濾波器，只是相位有延時(shí)，這是IIR濾波器本身的特點(diǎn)決定的。40kHz的正弦波通過IIR低通濾波器后則可以完全濾除，滿足設(shè)計(jì)的要求。

圖4 40kHz正弦波仿真驗(yàn)證Fig.4 40kHz sine waves simulation validation

3 CLA中IIR低通濾波器的軟件設(shè)計(jì)

3.1 CLA硬件觸發(fā)機(jī)制的設(shè)計(jì)

TI的TMS320F28035芯片中的CLA是一個(gè)獨(dú)立、完全可編程的32位浮點(diǎn)數(shù)字處理器，它將并行控制執(zhí)行功能引入到C28x系列芯片中。CLA的低中斷延遲使得它能即時(shí)讀取ADC采樣的結(jié)果。這就極大降低了ADC采樣到輸出的延時(shí)，實(shí)現(xiàn)了更快的系統(tǒng)響應(yīng)和更高頻率的控制回路。通過利用CLA來服務(wù)對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格（time－critical）的控制回路，主CPU就能自由地處理其他諸如通信、診斷之類的系統(tǒng)任務(wù)［1］。CLA在芯片中的結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 CLA硬件觸發(fā)機(jī)制結(jié)構(gòu)圖Fig.5 CLA hardware trigger mechanism structure

根據(jù)TMS320F28035芯片的硬件特點(diǎn)和CLA的結(jié)構(gòu)框架，本文選擇PWM4硬件中斷觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，在ADC模塊中選擇ADCINT4連續(xù)中斷觸發(fā)CLA運(yùn)行IIR低通濾波器的程序。最后由CPU讀取濾波的結(jié)果。由于CLA和CPU同步而且都是60MHz的時(shí)鐘頻率，每一路IIR低通濾波器大概需要運(yùn)行1.5μs的時(shí)間（90條匯編指令運(yùn)行所需要的時(shí)間），本文需設(shè)計(jì)3路IIR低通濾波器，則3路IIR低通濾波器運(yùn)行最少需要4.5μs的時(shí)間。所以采用5μs（200kHz中斷頻率）的PWM硬件中斷頻率觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，ADCINA3通道每轉(zhuǎn)換完成一次，就觸發(fā)一次CLA運(yùn)行IIR低通濾波器，這就保障了IIR低通濾波器的采樣頻率為200kHz，同時(shí)保障了3路IIR低通濾波器有足夠的時(shí)間運(yùn)行完畢，如圖5所示。

如果這3路IIR低通濾波器程序用CPU來執(zhí)行，即CPU需采用200kHz（5μs）中斷頻率運(yùn)行IIR低通濾波器的程序，每次運(yùn)行需消耗4.5 μs的時(shí)間，這就極大地增加了CPU的開銷，使CPU無暇處理其他諸如通信、診斷之類的系統(tǒng)任務(wù)。用CLA處理IIR低通濾波器的程序則可克服這一致命的缺點(diǎn)，這正是CLA能減少CPU開銷的原因。

3.2 IIR低通濾波器的軟件設(shè)計(jì)

IIR的直接實(shí)現(xiàn)存在系數(shù)的量化誤差及乘法器的舍入誤差對(duì)輸出都將有積累效應(yīng)的缺點(diǎn)，致使輸出誤差偏大；CLA中程序的執(zhí)行是基于時(shí)序和跳轉(zhuǎn)機(jī)制進(jìn)行的，所以本文采用級(jí)聯(lián)的形式來編程實(shí)現(xiàn)IIR低通濾波器。IIR的級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)［4］見圖6。

圖6 IIR的級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)Fig.6 The cascade realization of IIR

由圖6、式（1）和式（2）可知，本文設(shè)計(jì)的IIR低通濾波器是由3個(gè)二階子系統(tǒng)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)的，第1個(gè)二階子系統(tǒng)的輸出作為第2個(gè)二階子系統(tǒng)的輸入，第2個(gè)二階子系統(tǒng)的輸出作為第3個(gè)二階子系統(tǒng)的輸入，程序需要執(zhí)行2次循環(huán)才能完成。CLA中IIR的匯編程序［1，5］流程圖見圖7和圖8。

圖7 IIR濾波器的系數(shù)結(jié)構(gòu)和歷史數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.7 IIR filter coefficient and history data structure

圖7和圖8中MAR0和MAR1為CLA的輔助寄存器，在此當(dāng)成指針來使用；MR0，MR1，MR2和MR3為CLA的浮點(diǎn)32位結(jié)果寄存器。

圖8 IIR低通濾波器的匯編程序流程圖Fig.8 The IIR low－pass filter assembly program flow

4 IIR低通濾波器的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

對(duì)本文設(shè)計(jì)的IIR低通濾波器進(jìn)行測(cè)試。

圖9～圖11分別為在TMS320F28035芯片CLA硬件平臺(tái)上輸入50Hz，5kHz和40kHz的正弦波測(cè)試圖，其中通道1為信號(hào)波形，通道2為經(jīng)過IIR低通濾波器的輸出波形。由圖可知50 Hz的正弦波可以完全通過；5kHz的正弦波可以通過只是相位有延時(shí)，和圖3仿真結(jié)果一致；40 kHz的正弦波則完全被濾除，和圖4仿真結(jié)果一致。從而驗(yàn)證了在CLA上設(shè)計(jì)IIR低通濾波器的正確性。

圖9 50Hz正弦波驗(yàn)證測(cè)試Fig.9 50Hz sine waves validation test

圖10 5kHz正弦波驗(yàn)證測(cè)試Fig.10 5kHz sine waves validation test

圖11 40kHz正弦波驗(yàn)證測(cè)試Fig.11 40kHz sine waves validation test

5 結(jié)論

在TMS320F28035芯片CLA硬件平臺(tái)上設(shè)計(jì)的IIR低通濾波器，可以有效地濾除變頻控制系統(tǒng)中高頻信號(hào)的干擾，解決三相變頻控制信號(hào)受高頻信號(hào)干擾的難題，提高控制系統(tǒng)的控制精度。同時(shí)，在CLA中設(shè)計(jì)IIR低通濾波器，替CPU分擔(dān)處理了濾波器的程序，減少了CPU的開銷，使CPU有更多時(shí)間去處理諸如通信、診斷之類的系統(tǒng)任務(wù)。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了IIR低通濾波器設(shè)計(jì)的正確性。

［1］Texas Instruments Incorporated.TMS320x2803xPiccolo Control Law Accelerator（CLA）Reference Guide［Z］.Texas Instruments，2009.

［2］丁玉美，高西全.數(shù)字信號(hào)處理［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

［3］林飛，杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的 MATLAB仿真［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2009.

［4］胡廣書.數(shù)字信號(hào)處理理論、算法與實(shí)現(xiàn)［M］.第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［5］汪安民，程昱.DSP應(yīng)用開發(fā)實(shí)用子程序［M］.北京：人民郵電出版社，2005.