基于DSP的諧波控制器設計與實現

徐志勇，王禹橋，楊　海

(中國礦業大學 機電工程學院，江蘇 徐州　221116)

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基于DSP的諧波控制器設計與實現

徐志勇，王禹橋，楊海

(中國礦業大學 機電工程學院，江蘇 徐州221116)

摘要：針對變頻器、伺服驅動器和其它非線性電力電子器件在數控機床和自動化領域的大量使用所引起的諧波問題，設計了一種簡單、有效的基于DSP的諧波補償控制器；該控制器采用基波電流分離法快速分離出基波電流信號和諧波電流信號，通過三角波比較PWM(Pulse Width Modulation)控制法實現補償電流的跟蹤控制。根據設計的控制器，給出了控制器的軟硬件設計，加工出了基于DSP的實驗控制板，并搭建了實驗硬件系統，編寫了軟件程序，對補償前后電流中的諧波含量進行了分析，實驗結果表明諧波控制器投入補償前THD(total harmonic distortion)為8.9%，投入補償后THD為4.45%，諧波含量減少了50%，且各次諧波在補償后與補償前相比都大大減少。

關鍵詞：諧波控制器；基波電流分離法；三角波比較法；PWM控制；DSP

0引言

隨著電力電子技術的迅速發展，各種電力電子裝置在數控機床、智能裝配等自動化領域廣泛使用，電網轉換產生的諧波會對電力電子裝置產生較大影響，且某些電力電子裝置本身就是諧波源[1-2]。如電網中的諧波可以通過空氣開關耦合到數控機床內部；數控機床內部的變頻器和伺服驅動器主電路中均含有整流電路和逆變電路，而整流電路和逆變電路在工作時均會產生諧波[3]。諧波電流會使電機鐵芯損耗明顯增加；使繼電保護和自動裝置出現誤動作[4]；還會造成儀表和傳感器出現較大誤差、給控制電路帶來電磁干擾等。

傳統的諧波治理方式是采用LC無源濾波[5]，主要是利用電感、電容和電阻的組合設計構成的濾波電路但其存在濾波特性受系統影響較大，易和系統發生并聯諧振，導致諧波放大；并且只能消除固定頻率的諧波；以及材料消耗多、體積大等明顯缺點。

針對以上問題，本文設計了一種基于DSP的簡單、有效的諧波控制器，其原理是從補償對象中檢測出諧波電流信號，由補償裝置產生一個與諧波電流大小相等方向相反的補償電流，從而使補償對象中只含有基波分量[6-7]。該控制器采用基波電流分離法分離出基波信號和諧波信號[8]，通過三角波比較PWM方法控制IGBT關斷[9]，產生補償電流，進而實現諧波信號的補償。與傳統的LC無源濾波相比，可實現動態補償；能補償多種頻率諧波；以及具有高度可控性、快速響應性、體積小、不產生諧振等優點。

1諧波檢測與控制算法

根據前文所述，電力有源濾波器控制器的主要功能有兩個：一是實時檢測電流中的諧波信號；二是控制IGBT實現諧波電流補償。本文設計的控制器在檢測環節采用了基波電流分離法，在諧波電流補償環節通過三角波比較PWM法進行控制。

1.1基波電流分離法

基波電流分離法通過實時檢測補償對象的電流和電壓，經過數字算法實現基波和諧波的分離，所用數字法便于DSP編程實現，其原理如圖1所示,被控對象電壓經過鎖相環(PLL)后得到與電壓同頻同相的基波信號，再由正余弦發生器產生單位正余弦信號，以此為電壓參考信號。

圖1　基波分離法原理圖

設電壓參考信號為us(t)=sin(wt),含有諧波的電流信號為iL(t)，根據傅立葉級數展開可得[10]：

(1)

式中Ip*為基波有功分量幅值，Iq*為基波無功分量幅值，ih(t)為諧波分量，ih(t)表達式為：

(2)

將式(1)兩端同時乘以sin(wt)可得：

(3)

(4)

1.2三角波比較PWM控制法

三角波比較PWM電流控制方法的原理圖如圖2 所示。該方法通過閉環來進行控制，將補償諧波電流信號ic*與實際補償電流ic進行比較，求出偏差電流，通過放大器A后得到調制波μm，μm和高頻三角波進行比較，產生PWM波形作為IGBT的控制信號。放大器A往往采用比例放大器或比例積分放大器，三角波頻率為IGBT的開關頻率。

圖2　三角波比較PWM控制法原理圖

2控制器軟硬件設計

2.1控制器硬件設計

該控制器硬件部分以TI的TMS320F2812型DSP為核心，主要完成對被控對象電壓電流的實時準確檢測、補償電流的精確控制。其結構框圖如圖3所示，整個硬件系統由電源管理模塊、信號調理模塊、模數轉換模塊、數字信號處理模塊、諧波電流補償模塊組成。

圖3　硬件系統總體框圖

電源管理模塊主要實現對其余各模塊的供電管理，需產生3.3V、5V、±12V和4路相互獨立的15V直流電源；信號調理模塊實現對被控對象進線電壓電流信號的轉換，將進線大電壓、大電流信號轉換經電壓互感器、電流互感器轉換為微小信號，再經儀表放大器放大轉換為AD可測量信號；AD轉換模塊考慮到DSP2812內部AD為12位，精度不足問題，采用外部擴展AD，選用ADI公司的16位AD7606型模數轉換器以提高采樣精度；數字信號處理模塊采用TI公司的TMS320F2812型DSP，內部具有硬件乘法器，高速數字信號處理能力能夠滿足諧波補償的實時性需求；諧波電流補償模塊采用了富士的IPM模塊代替傳統的IGBT模塊與驅動電路相結合的方式，使元器件數量大大減少、占用體積小，運行可靠度高。

2.2控制器軟件設計

軟件設計的核心是從采樣的電流信號中將基波電流信號和諧波電流信號分離，根據諧波電流信號和諧波補償電流信號的差值計算調整輸出PWM的占空比以實現諧波電流補償跟蹤，達到諧波補償的目的，其程序流程圖如圖4所示。

圖4　系統軟件流程圖

(1)系統初始化主要完成系統時鐘配置、管腳功能配置、外設中斷初始化、PIE中斷初始化和CPU中斷初始化。完成初始化后，中斷開啟，然后DSP空閑，進入循環等待；

(2)定時器設置為增減計數，計數周期為100μs，周期中斷啟動AD采樣，則采樣頻率為10kHz，下溢中斷更新PWM占空比。循環等待至定時器周期中斷時可啟動AD采樣；

(3)AD采樣轉換完成后輸出一個下降沿用于表示采樣轉換結束，此信號用于觸發DSP外部中斷，讀取AD轉換數據；

(4)將AD采樣數據轉換為對應電壓電流值后按照圖1、圖2所示流程分離被控對象電流中諧波信號和基波信號，由諧波信號和補償電流信號計算輸出占空比，然后等待下溢中斷更新占空比(下溢中斷只用于更新占空比，不觸發中斷)；

(5)由于DSP2812為定點型數字信號處理器，所以在處理浮點運算時耗費時間和占用空間較大，為了解決這一問題，軟件設計部分采用IQ定標法，將浮點運算轉換為定點運算以提高精度和減少耗時；圖1中與電壓同相的正余弦利用查表方法實現，每采樣一次進行一次查表、當查詢至表尾時復位正余弦表；圖1中的LPF(低通濾波器)采用數字濾波法。常用的數字濾波器有FIR型和IIR型，與IIR相比FIR數字濾波器在設計同樣參數的濾波器時所需階數較高，一般比IIR濾波器高5～10倍，使得信號延時較長，考慮到系統的實時型，選擇采用IIR數字濾波器。IIR數字低通濾波器參數使用matlab中的fdatool工具箱設計完成，采用ChebysheI型二階IIR數字低通濾波器，通帶截止頻率20Hz，通帶波紋度0.1dB。

3實驗分析

為了驗證本文所設計的諧波控制器對諧波補償的有效性，通過單相整流橋帶阻感負載模擬諧波源，使用ISDS210B型示波器對補償前和補償后電流進行了采樣分析，采樣頻率為10kHz。將采集的數據利用matlab進行FFT(FastFourierTransformation)變換，取其前21次主要諧波成分進行分析,各次諧波電流值補償前后大小如圖5所示，從圖中可以看出，雖然13、21次諧波電流值補償前后大小約相等，且15次諧波補償后略大于補償前，但3、5、7、11、17、19次諧波補償后比補償產前明顯減少。

圖5　負載電流

各次諧波含有率(諧波電流大小與基波電流大小的百分比)如圖6所示,從圖中可以看出，19、21次諧波含量很小，幾乎可以忽略；13、15次諧波補償后含有率略大于補償前；3、5、7、9、11、17次諧波補償后含有率明顯小于補償前，各次含有率下降了一半左右。

圖6　各次諧波含有率

根據THD(總諧波失真)定義為電流中的各次諧波分量Ih的平方和的開放值，與基波電流I1之比，再換算成為百分數，即：

(5)

對采集數據分析計算得補償前總諧波失真為8.9%，補償后總諧波失真為4.45%，諧波含量減少了50%，由此可驗證本文所設計的諧波控制器能夠很好的抑制諧波，降低電流中的諧波含量。

4結束語

針對非線性電力電子器件在數控機床、智能裝配等自動化領域廣泛使用所帶來的諧波問題，設計實現了一種基于DSP的諧波控制器。分析了諧波檢測和補償算法，給出了控制器的軟硬件設計，并使用單相整流橋帶阻感負載模擬諧波源進行了實驗分析。諧波控制器投入補償后，諧波源所引起的總諧

波失真降低了50%，大大減少了負載電流中的諧波含有率。本文設計的諧波控制器相對于傳統的無源濾波法，響應速度快、補償精度高、受工況環境影響小、可補償多次諧波等，在抑制諧波電流和APF(有源電力濾波器)的應用具有一定的指導意義。

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(編輯李秀敏)

文章編號：1001-2265(2016)07-0060-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.017

收稿日期：2016-01-20;修回日期：2016-02-21

*基金項目：國家高新技術研究發展計劃(863)資助項目(2013AA06A411)

作者簡介：徐志勇(1990—)，男，河南許昌人，中國礦業大學研究生，研究方向為機電系統智能檢測與控制，(E-mail)cumt_xzy@126.com。

中圖分類號：TH162；TG506

文獻標識碼：A

Design and Implementation for Harmonics Suppression Controller Based on DSP

XU Zhi-yong，WANG Yu-qiao，YANG Hai

(SchoolofMechatronicEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,XuzhouJiangsu221116,China)

Abstract：As the problems of harmonics caused by the widely used of inverter,AC servo driver and other nonlinear power electronic devices in the field of numerical control machine and automation,this paper design a simple and effective harmonics suppression controller.This harmonics suppression controller can realize the current tracking control using fundamental wave current separation method to separate the fundamental wave current signal and harmonic current signals and triangle wave comparison PWM control method.According to the design of the harmonics suppression controller,this paper gives the design of hardware and software.The experimental control panel based on DSP and the experimental hardware system were conduct. And the software program was written.The harmonics content was analyzed before and after the use of the harmonics suppression controller.The experimental result indicates that THD(total harmonic distortion) is 8.9% before using the harmonics suppression controller,THD is 4.45% after using the harmonics suppression controller,harmonic content decreased by 50%.And compare to before using the harmonics suppression controller,every harmonic are greatly reduced after using the harmonics suppression controller.

Key words：harmonics suppression controller;fundamental wave current separation method;triangle wave comparison method;PWM control;DSP