基于TMS320F28377D的單相PWM整流器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣信息工程系 楊曉艷 施蕓

相比于傳統(tǒng)的二極管、可控硅整流器，單相脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)整流器具有高功率因素、低電流諧波、能量雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于新能源[1-2]、不間斷供電電源(Uninterrupted Power Supply, UPS)[3-4]、電力機(jī)車牽引系統(tǒng)[5]等工業(yè)領(lǐng)域。高性能單相PWM整流器控制存在采樣、數(shù)據(jù)處理、電壓/電流環(huán)控制、占空比更新等多重任務(wù)，采用雙核DSP架構(gòu)的微處理器可并行執(zhí)行代碼，從而可將控制任務(wù)進(jìn)行分解處理，以減小系統(tǒng)的控制時(shí)延，提高系統(tǒng)的控制精度[6]。雙核架構(gòu)微處理器TMS320F28377D在混合脈寬調(diào)制[7]、絕對(duì)值光電編碼[8]等方面已有應(yīng)用，可有效提高程序的運(yùn)行效率。本文以TMS320F28377D為核心，實(shí)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于單相兩電平PWM整流器的基于PI的直接電流控制(PI-based Direct Current Control, PI-based DCC)算法，以期提升程序執(zhí)行效率，減小控制時(shí)延。

1 TMS320F28377D簡(jiǎn)介

相比于單核浮點(diǎn)DSP架構(gòu)的TMS320F28335微控制器，雙核TMS320F28377D微控制在單相PWM整流器控制方面具備的主要優(yōu)勢(shì)如下：

（1）集成了兩個(gè)具備200MHz的信號(hào)處理能力32位浮點(diǎn)DSP核心。單核性能相比于150MHz信號(hào)處理能力的TMS320F28335，處理能力提升33%左右。兩個(gè)內(nèi)核之間通過(guò)內(nèi)部處理器通信(Inter-processor Communication)模塊實(shí)現(xiàn)信息交換。

（2）在集成單精度浮點(diǎn)單元((Floating-point Unit,FPU))的基礎(chǔ)上，增加了三角法數(shù)學(xué)單元(Trigonometric Math Unit,TMU)及Viterbi/復(fù)雜數(shù)學(xué)單元(Viterbi/Complex Math Unit, VCU-II)，可讓三角運(yùn)算和復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算更為快捷。

（3）每個(gè)內(nèi)核均具備可編程控制律加速器(Control Law Accelerator, CLA)，也稱為實(shí)時(shí)控制協(xié)處理器。CLA的運(yùn)行速度與主CPU相同，可與主CPU并行執(zhí)行代碼。

（4）集成4個(gè)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器((Analog-to-digital Converter,ADC))可單獨(dú)設(shè)置為16位或12位模式。其中，16位模式可支持12個(gè)外部差分輸入通道，12位模式可支持24個(gè)外部單端輸入通道。

2 硬件控制電路結(jié)構(gòu)

2.1 單相兩電平PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單相兩電平PWM整流器及其控制回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖中，R和L分別表示交流側(cè)等效電阻和等效電感。RL為直流側(cè)等效負(fù)載，與其并聯(lián)的是直流濾波電容Cd。四支功率開(kāi)關(guān)管S1-S4用于在橋臂a和b上產(chǎn)生兩電平電壓。整流器的交流側(cè)電壓、電流及直流側(cè)電壓通過(guò)電壓/電流傳感器采集，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路處理后輸入微控制器。經(jīng)過(guò)微控制器的處理和計(jì)算后輸出4路PWM脈沖信號(hào)分別控制功率開(kāi)關(guān)管S1-S4。

圖1 單相兩電平PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of single-phase two-level PWM rectifier

2.2 控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

基于TMS320F28377D的單相兩電平PWM整流器硬件控制電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由電源供電、信號(hào)調(diào)理、PWM驅(qū)動(dòng)、故障處理等幾部分電路構(gòu)成。

圖2 基于TMS320F28377D的硬件控制電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of control circuit based on TMS320F28377D

PWM整流器器的控制與驅(qū)動(dòng)電路之間需要實(shí)現(xiàn)電氣隔離，供電電路先采用開(kāi)關(guān)電源輸出24V直流電壓，然后通過(guò)隔離型DC-DC模塊將24V直流電壓變換為各個(gè)電路模塊所需的直流電壓。其中，DC3.3V是微控制器((Input-output,IO))端口及外圍電路的電源；DC1.2V是微控制器CPU核心電源；DC±9V是采樣信號(hào)調(diào)理電路所用運(yùn)放的電源；DC15V及DC-9V為PWM驅(qū)動(dòng)電路電源。

信號(hào)采樣電路對(duì)整流器交流側(cè)電壓、電流及直流側(cè)電壓進(jìn)行采樣。TMS320F28377D的ADC模塊輸入電壓范圍為0～3V，與PWM整流器功率回路所需要采樣信號(hào)的幅值變化相差很大。通過(guò)電壓、電流傳感器將所需采樣信號(hào)進(jìn)行比例縮小，然后輸入調(diào)理電路。調(diào)理電路是由運(yùn)放構(gòu)建的比例放大器，進(jìn)行信號(hào)幅值的小范圍調(diào)整，最后輸入至ADC模塊。對(duì)于交流側(cè)電壓、電流采樣通道，由于采樣信號(hào)為交流信號(hào)，在調(diào)理電路中需要增加同相加法器，疊加一個(gè)直流電壓后讓輸入的采樣電壓符合要求。

TMS320F28377D的PWM模塊輸出脈沖信號(hào)為3.3V電平標(biāo)準(zhǔn)，PWM驅(qū)動(dòng)電路將其轉(zhuǎn)化為可驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)的脈沖信號(hào)。常用的集成驅(qū)動(dòng)芯片如EXB841、MC33153等，都具備電氣隔離，過(guò)流、過(guò)壓、欠壓等保護(hù)功能，其故障輸出端口接入TMS320F28377D的數(shù)字IO端口，可實(shí)現(xiàn)故障的實(shí)時(shí)響應(yīng)及處理。

其他外圍電路主要包括微處理器的時(shí)鐘、JTAG調(diào)試端口、RAM/ROM存儲(chǔ)器擴(kuò)展、按鍵輸入、顯示輸出等電路模塊，可確?？刂齐娐废到y(tǒng)能夠正常調(diào)試與運(yùn)行。

3 控制算法的實(shí)現(xiàn)

3.1 算法的控制框圖介紹

單相PWM整流器的PI-based DCC算法具備較好的魯棒性，能實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差，在實(shí)際中應(yīng)用廣泛。PI-based DCC算法的控制框圖，如圖3所示。其中，udc、udcref分別是直流側(cè)電壓及參考電壓；us、is分別是交流側(cè)電壓、電流；ω是us的角頻率；usα/usβ、isα/isβ分別是us、is的α-β分量；usd/usq、isd/isq分別是us、is的d-q分量。idref、iqref分別是電流環(huán)參考電流的d-q軸分量。

圖3 PI-based DCC算法的控制框圖Fig. 3 Control diagram of PI-based DCC

圖3中，電壓外環(huán)采用1個(gè)PI控制器實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓調(diào)整。電流內(nèi)環(huán)首先利用鎖相環(huán)(Phase Lock Loop, PLL)獲取us的角頻率ω，再經(jīng)過(guò)廣義二階積分(Generalized Second-order Integral,SOGI)獲取us、is的正交分量usα/usβ、isα/isβ，然后通過(guò)αβ-dq變換轉(zhuǎn)換得到交流側(cè)電壓、電流的d-q軸分量usd/usq、isd/isq。通過(guò)兩個(gè)PI控制器分別對(duì)isd、isq進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差控制。計(jì)算獲得的調(diào)制信號(hào)的d-q軸分量通過(guò)dq-αβ變換得到調(diào)制信號(hào)uab,將其輸入EPWM模塊后，獲得輸出的PWM調(diào)制脈沖。

3.2 算法的任務(wù)分配及實(shí)現(xiàn)

PI-based DCC算法的涉及的主要任務(wù)包括：信號(hào)采樣及濾波，電壓外環(huán)控制及電流內(nèi)環(huán)控制等模塊。其中，電流內(nèi)環(huán)控制包括PLL、SOGI、αβ-dq及dq-αβ變換、PI控制等子任務(wù)。在單核微處理器中，所有任務(wù)需要按照優(yōu)先級(jí)別順序處理。同時(shí)，還需要考慮人機(jī)接口等附加任務(wù)的影響。采用雙核微控制器TMS320F28377D編程時(shí)，可將任務(wù)進(jìn)行合理分配，優(yōu)化程序執(zhí)行流程。

單相PWM整流器運(yùn)行在高開(kāi)關(guān)頻率狀態(tài)下，小功率PWM整流器開(kāi)關(guān)頻率可高達(dá)100kHz，大功率PWM整流器開(kāi)關(guān)頻率一般高于1kHz，電流內(nèi)環(huán)的控制頻率常取開(kāi)關(guān)頻率的整數(shù)倍。電壓外環(huán)輸出信號(hào)用作電流內(nèi)環(huán)參考信號(hào)的幅值，在穩(wěn)態(tài)下是一個(gè)直流信號(hào),因此電壓外環(huán)的控制頻率及PLL的處理頻率可以低于電流內(nèi)環(huán)的控制頻率。根據(jù)采樣定律并考慮工程實(shí)際，電壓外環(huán)和PLL的控制頻率取交流側(cè)電壓頻率的5～10倍。根據(jù)上述分析，可將電壓外環(huán)、PLL、人機(jī)接口、故障處理等任務(wù)交給一個(gè)CPU內(nèi)核處理，另一個(gè)內(nèi)核專注于電流內(nèi)環(huán)，輸出PWM脈沖?；陔p核微控制器TMS320F28377D實(shí)現(xiàn)PI-based DCC算法的任務(wù)分配如圖4所示。

圖4 基于TMS320F28377D實(shí)現(xiàn)PI-based DCC算法的任務(wù)分配Fig.4 Diagram of task allocation for PI-based DCC based on TMS320F28377D

圖4中，內(nèi)核CPU1主要負(fù)責(zé)電壓外環(huán)PI控制，PLL輸出交流側(cè)電壓角度計(jì)算，故障信息處理，人機(jī)接口交互等。其中，PLL計(jì)算、電壓環(huán)PI控制交由CLA1處理，這樣可以消除其他任務(wù)對(duì)控制算法執(zhí)行的影響。內(nèi)核CPU2主要電流內(nèi)環(huán)控制算法實(shí)現(xiàn)，包括利用SOGI、αβ-dq和dq-αβ變換、d-q軸PI控制、PWM調(diào)制輸出等。其中，交流側(cè)電流的αβ-dq變換及q軸PI控制交由CLA2并行處理。在內(nèi)核CPU1與CPU2之間會(huì)涉及的信號(hào)采樣值、交流電壓角度、參考電流值、系統(tǒng)狀態(tài)等信息，這些通過(guò)IPC模塊實(shí)現(xiàn)信息交互。

程序流程圖，如圖5所示。

圖5 基于TMS320F28377D實(shí)現(xiàn)PI-based DCC算法的程序流程圖Fig. 5 Flowchart of PI-based DCC based on TMS320F28377D

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證雙核微控制器性能的優(yōu)越性，將PI-based DCC算法分別在TMS320F28377D及TMS320F28355微處理器中實(shí)現(xiàn)，并連接dSPACE半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。為了讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果具備可比性，TMS320F28377D和TMS320F28355的核心運(yùn)行頻率統(tǒng)一設(shè)置為150MHz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：TMS320F28355微控制器單次執(zhí)行控制算法耗時(shí)約22.3μs，TMS320F28377D微控制器耗時(shí)約為17.9μs，PWM整流器的控制時(shí)延減小約19.7%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了基于雙核DSP架構(gòu)的TMS320F28377D的單相PWM整流器的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法，給出了控制硬件電路結(jié)構(gòu)，利用雙核架構(gòu)微控制器的并行運(yùn)行特性，對(duì)控制算法的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制任務(wù)進(jìn)行了合理分配和優(yōu)化。通過(guò)半實(shí)物仿真平臺(tái)對(duì)單核TMS320F28355和雙核TMS320F28377D的執(zhí)行效率進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TMS320F28377D能有效提高程序的執(zhí)行效率，減小單相PWM整流器的控制時(shí)延。