基于DSP28335和雙ARM的太陽能光伏逆變器控制器的設計＊

楊清波，歐陽森，曾 江，楊 林

（華南理工大學電力學院，廣東廣州510641）

基于DSP28335和雙ARM的太陽能光伏逆變器控制器的設計＊

楊清波，歐陽森，曾 江，楊 林

（華南理工大學電力學院，廣東廣州510641）

設計了一種基于數字信號處理器28335（DSP28335）和雙ARM為核心的太陽能光伏逆變器控制系統。詳細地對該控制器各處理器的功能、硬件系統架構、核心硬件電路進行了介紹和分析，并基于設計的硬件系統對DSP28335的程序、系統控制以及ARM的程序進行設計。最后將其應用在試制的10kW光伏逆變器上進行實驗，驗證了該設計控制器的可行性。

DSP28335；雙ARM；光伏逆變器；控制器

1 引言

光伏發電的應用日益普遍［1－3］。光伏并網逆變器的控制器是光伏設備中的核心部件之一，其硬件性能、軟件設計與系統控制直接影響光伏逆變的功能和穩定性。

目前，光伏逆變器控制器的設計基本上采用DSP、ARM、FPGA以及它們的組合來實現［4－13］。文獻［4］采用基于ARM為核心的逆變器顯控系統，但ARM的開發成本高，特別是實時性控制不方便；文獻［5、6］采用單DSP設計的控制器，受限于DSP性能，稍微復雜的控制策略就很難兼顧實時性與性能；文獻［7－9］設計的DSP＋FPGA逆變器控制器使得硬件電路的邏輯設計可以像軟件一樣編程實現，但FPGA的設計、調試要比MCU復雜的多；文獻［10、11］采用“DSP＋單ARM”架構的系統設計，DSP用于控制，ARM用于系統數據顯示，可以實現人機交互，但這種結構在應對日益復雜的信息處理、通信等情景會存在資源不足的問題。為此，考慮到當前的光伏逆變器要保證控制周期延長和控制精度的實現，也要同時兼顧運算、輸出控制、故障檢測、通信等功能要求，本文擬采用“DSP28335＋雙ARM”的硬件架構設計光伏逆變器控制系統，以DSP28335為主控制芯片，其中一塊ARM為輔助芯片，另一塊ARM供顯示用。該光伏逆變器硬件系統設計體系通用性強，便于移植，具有研發周期短、成本較低，避免重復設計、擴展功能較強和軟硬件升級方便等優點。

2 DSP＋雙ARM的控制器硬件系統設計

2.1 控制器結構設計

圖1所示為本文設計的控制器結構框圖。

圖1 逆變器控制器結構框圖

DSP選用TMS320F28335芯片，ARM是基于Cortex－M3內核的LPC1768嵌入式微控制器。

光伏逆變器控制器的功能主要包括數據采樣、電壓電流環控制、鎖相環控制、顯示通信等。DSP28335是28XX中的高端芯片，將其作為主控制芯片，既可以保證系統數據處理速度和控制精度，且其又具有足夠的存儲空間，能輸出18路驅動信號，滿足三電平光伏逆變器設計的需要，避免了雙DSP設計造成的資源浪費、底層電路設計困難等問題。此外，設計兩片ARM作為輔助芯片（簡稱ARM＿SLAVE），其中一片作為安全控制輔助，另一片則進行人機交互與通信。

DSP主要實現6個功能：①數據采樣和轉換；②驅動信號輸出，控制功率開關管的導通和關斷；③故障判斷和保護，把實時檢測的數據與硬件保護或顯示屏設置的安全值進行比較，如有異常，設備將進入保護程序或立即停機；④MPPT、電壓電流環和鎖相環的控制；⑤統計系統實時數據、故障和運行狀態等數據信息，并通過SCIA通信口傳送給ARM＿LCD，在人機交互界面顯示，同時接收人機界面設置的用戶參數和安全標準；⑥控制輸出并網繼電器的開關信號。

ARM＿SLAVE輔助DSP信號檢測、故障判斷和輸出控制信號。ARM＿SLAVE通過SCIC從DSP獲取各電氣量安全標準，檢測設備的環境和IGBT模塊溫度，并進行越限判斷，將檢測后的信息傳送給DSP，溫度異常時直接封鎖DSP輸出的并網繼電器開關信號和驅動信號。

ARM＿LCD負責人機交互。用戶通過顯示屏設置運行參數和安全標準，同時接收DSP發送的實時數據、運行狀態、故障信息，在顯示屏上顯示。

2.2 光伏逆變器主電路設計

圖2所示為本文設計的雙級式太陽能光伏逆變器控制器的拓撲結構圖。其中，L1為0.74mH，C為 6.6uF，L2為 55uH，電感 L3為0.86mH，Va0、Vb0、Vc0為逆變器輸出相電壓，ia、ib、ic為逆變器并網電流，Va、Vb、Vc為電網電壓。逆變器直流輸入端接入光伏組件，當輸入電壓較低時，經過三電平Boost電路直流升壓，以滿足并網要求。后級為二極管中點鉗位型三電平逆變電路，將直流電壓變換為交流量，經過LCL型低通濾波器后實現光伏逆變器并網，給電網輸送電能。

圖2 太陽能光伏逆變器拓撲結構圖

3 核心硬件電路模塊的設計

核心硬件電路主要包括電流調理電路、驅動電路、電流保護電路、過零檢測電路等4個模塊，下面分別對設計的硬件電路模塊分別進行詳細介紹分析。

3.1 電流調理電路

圖3所示為通過電流傳感器4640－X400測量的逆變器并網電流，比例系數為1：1000，在傳感器輸出側通過100Ω的電阻上形成與原電流信號成比例的正弦小電壓信號，為了穩壓，在輸出端通過電阻分別接入運算放大器UM721A。由于三相并網電流采用相同的采集電路，通過比較三相并網電流前級運放輸出端Iout值的大小，得到三相并網電流最大最小值IgridMAX和IgridMIN，Iout與1.5V的直流偏置電壓作為后級運放加法器的同相輸入端，由于所設計的逆變器輸出交流電流有效值為15.15A，峰值在－21.43A至＋21.43A之間，經計算調理后的電流信號在0.071V－2.928V之間，滿足DSP信號輸入要求。

圖3 電流調理電路圖

3.2 驅動電路

DSP輸出的驅動信號由于電壓低、功率小，無法直接驅動功率開關管，必須經過驅動電路，才可以實現功率幵關管的導通和關斷，驅動電路的作用是完成控制信號的轉換和電氣隔離。驅動電路原理如圖4所示，驅動電路的輸入信號Drive＿A和Drive＿K由DSP產生，輸出信號為Drive＿G和Drive＿S。TLP350為光耦驅動，開關頻率可達50kHz，內部集成了發光二極管、光電二極管和兩個MOSFET，Vcc外部接入電源。當DSP輸出使得Drive＿A和Drive＿K為低電平時，發光二極管和光電二極管均不導通，Drive＿G和Drive＿S輸出反向電壓作用于功率開關管，開關管不導通；當Drive＿A為高電平，Drive＿K為低電平時，發光二極管和光電二極管均導通，Drive＿G和Drive＿S輸出正向電壓，開關管導通。

圖4 驅動電路圖

3.3 電流保護電路

設備運行時具有最大輸出電流限制，電流過大，會導致器件乃至設備燒壞，危及操作人員安全。圖5所示為過流檢測電路，輸入信號IgridMAX為圖3檢測的電流最大值，通過電阻把電流信號變為電壓信號，經過電壓跟隨器DM11，把輸出信號輸入比較電路，與2.5V直流基準電壓進行比較，正常情況下，反相器輸出信號SOCP為高電平；當電流異常時，轉換后的電壓值將大于2.5V，SOCP輸出低電平，三極管QM2導通，OUTOCP為高電平，同時將輸出端信號SOCP送給DSP。當任一相輸出電流發生過流故障時，DSP檢測到高電平，將標志故障位置位，系統根據故障標志位信息控制逆變器運行狀態；輸出信號OUTOCP經過分頻輸出兩個控制信號OUTOCP1－OFF和OUTOCP2－OFF，分別接在不同緩沖芯片74VC541AW的OE2引腳上，OE1接入ARM＿SLAVE的輸出信號S＿INV＿OFF，逆變器電路每相功率開關管3，2和4，1的驅動信號分別接入不同的緩沖芯片，圖6所示為其中一塊緩沖芯片引腳連接情況。由于緩沖芯片的引腳OE2和OE1均為低電平有效，當發生過流和IGBT模塊溫度過高時，OE1和均將輸入高電平的控制信號，使緩沖芯片快速封鎖逆變電路功率開關管的驅動信號，避免設備因過流故障而損壞。

圖5 過流檢測電路圖

圖6 過流保護電路圖

3.4 過零檢測電路

為檢測電網電壓的過零點，需要將正弦交流電網電壓信號轉換成脈沖方波信號，輸入到DSP的引腳，DSP以20kHz的中斷頻率檢測該引腳的電平。圖7所示為過零檢測電路，輸出端M.Vgrid＿ZERO接入DSP，由圖可知，后級運放的反相輸入端電壓Vo1＝1.5＋0.0036Vgridin，與正相端的1.5V參考電壓比較，當輸入電壓Vgridin位于正半周時，DSP檢測到低電平；否則，為高電平，過零檢測電路用在鎖相環控制中。

圖7 過零檢測電路圖

4 DSP和雙ARM的主要程序設計和系統控制

4.1 DSP程序設計和系統控制

4.1.1 程序框架

圖8所示為DSP的程序設計圖。其中，系統初始化是指DSP初始化看門狗、鎖相環、使能各模塊時鐘、外部中斷擴展模塊PIE、中斷向量表、GPIO口、SCI通信模塊、ADC模塊、EPWM模塊、ECAP模塊、CPU定時器等。DSP先通過SCIA通信口讀取顯示屏上設置的用戶參數和安全量運行標準，并將相關參數通過SCIC通信口傳送給ARM＿SLAVE，然后進入等待狀態，DSP以20kHz的頻率對輸入、輸出、電壓、電流進行采樣，系統根據實時采樣的數據判斷是否發生過壓、過流等故障；如果系統各參數滿足安全運行標準，設備進入檢測狀態，并判斷并網漏電流和光伏電池板的絕緣電阻是否滿足要求，在兩者數值均正常時，通過Boost電路把母線電壓升高到指令電壓值，并檢測逆變器并網繼電器是否能正常開通關斷；如果繼電器沒有故障，DSP控制繼電器合閘，系統進入正常運行狀態，執行MPPT、鎖相環和電壓電流環控制程序，DSP輸出驅動信號控制開關管動作。在系統正常運行過程中，實時檢測系統的運行狀態，DSP通過SCIC接收ARM＿SLAVE的采樣數據、運行狀態，并統計系統的實時數據和運行狀態，通過SCIA發送給ARM＿LCD，用戶可通過設備顯示屏觀察實時數據。當系統出現故障時，DSP禁止驅動信號輸出。若為永久性故障，系統立即停機；否則，重新進入等待狀態，判斷系統故障是否返回，若返回，則進入正常運行狀態。

圖8 DSP程序設計

4.1.2 MPPT

本文的MPPT參考文獻［12、13］的算法。MPPT流程圖如圖9所示，其中標志位MPPT＿Const＝1時，采用恒電壓法，通過比較實時光伏板電壓Vpv與0.8倍開路電壓Vopen的大小，確定參考電壓的擾動方向，擾動步長為Vstep1；否則，采用變步長的擾動觀察法，通過比較前后兩次光伏板輸出功率P（k－1）、P（k）和電壓Vpv（k－1）、Vpv（k）的大小確定參考電壓的擾動方向，當P（k）與P（k－1）功率之差絕對值大于功率值P1時，擾動步長為Vstep2，如果擾動步長不大于P1，擾動步長為Vstep3，其中Vstep1＞Vstep2＞Vstep3。

圖9 MPPT工作流程圖

4.1.3 電壓電流環控制模塊

逆變器要向電網輸出交流正弦電流波，需要保持直流母線電壓的穩定，同時電流開環控制系統缺乏輸出電流對輸入參考電流的反饋，難以達到并網電流要求。為此，本文采用電壓電流雙環控制，圖10所示為其控制框圖。圖中Vdcref為逆變器母線參考電壓，電壓外環通過MPPT，PI調節和Boost電路控制母線電壓Vdc跟蹤參考電壓Vdcref，二者誤差經過比例環節得到部分有功參考電流idref1；根據輸入輸出有功功率守恒、網側電壓平均有效值和比例環節求出有功參考電流idref2，兩者之和作為電流內環的有功參考電流idref，無功參考電流iqref一般為零。逆變器三相并網電流ia、ib、ic作為逆變器電流內環控制的調制波，經過Clark和Park變換的dq軸分量分別與有功、無功參考電流做差，PI調節后得到逆變器開關管dq軸占空比，經過逆變器電路和電流內環控制，把直流母線電壓變換為三相交流開關脈沖量Va0、Vb0、Vc0，經過LCL濾波向電網輸出三相并網電流ia、ib、ic。

圖10 電壓電流環控制框圖

4.1.4 鎖相環控制模塊

鎖相環的作用是調節逆變器并網電流的頻率和相位，使其和電網電壓逐漸進入同步鎖定狀態，保證并網電流和電壓嚴格同頻、同相。鎖相控制環節由過零檢測電路和軟件組成。過零檢測硬件電路如圖7所示，在電網電壓過零點處，脈沖信號電平發生跳變，系統檢測脈沖信號的上升沿，脈沖信號檢測點與電網電壓過零點同步。圖11所示為控制框圖，其原理是將實際的電網電壓經過Clark變換和Park變換，得到電網電壓的dq分量。圖中PI相當于環路濾波器，前饋系數W0為電網電壓的額定頻率，可以加快鎖定速度；W1為鎖相環輸出的旋轉角速度，f1為鎖相環輸出的頻率，經過積分環節和取余函數得到當前電壓周期的相位信息θ1，用于閉環控制系統的Park變換，積分環節相當于一個壓控振蕩器。鎖相環輸出頻率f1為電網電壓頻率，輸出相位θ1等于電網電壓相位，通過電流內環實現并網電流的頻率、相位與電網電壓同步。

圖11 單同步坐標系軟件鎖相環控制結構原理圖

4.2 ARM＿SLAVE程序設計

ARM＿SLAVE實時采樣系統溫度，并將采樣信息發送給DSP，若系統運行正常，進入下一次的采樣與判斷；否則，將故障信息發送給DSP，同時封鎖繼電器控制信號和開關管驅動信號，具體流程圖如圖12所示。

圖12 ARM＿SLAVE程序設計圖

圖13 ARM＿LCD程序設計圖

4.3 ARM＿LCD程序設計

顯示屏在系統上電后進行初始化，用戶可以對系統的運行參數進行設置。當主DSP讀取到ARM＿LCD的用戶參數時，通過SCIA通信接口向ARM＿LCD發送實時的電壓電流、功率、溫度、頻率、功率、系統狀態等數據，并在顯示屏上顯示，具體程序流程如圖13所示。

5 實驗驗證

5.1 實驗環境配置

圖14所示為按照本文設計搭建的實驗平臺，圖15所示為對應的電氣設備接線圖。光伏組件的正負端子接入直流匯流箱，匯流箱輸出端接入10kW的光伏逆變器輸入端，為方便實驗控制和安全性，逆變器交流輸出端通過交流斷路器接入電網，電網電壓和輸出電流波形用日置3196測量。

圖14 實驗平臺整體實物圖

圖15 實驗平臺電氣設備接線圖

5.2 實驗波形

圖16所示為逆變器輸出相電壓波形圖，圖17、圖18所示分別為電網電壓頻率為50Hz時，測量到的電網三相電壓和逆變器三相并網電流波形，圖19所示為A相電網電壓和逆變器并網電流波形圖，表1所示為在不同電網頻率下的二者相位誤差偏差絕對值，其值φ小于3.5°，可認為逆變器并網電流與電網電壓同頻同相。圖20為與圖16相對應的逆變器輸出三相電壓平均有效值波形圖，圖21為與圖18相對應的并網三相電流平均有效值波形圖。

圖16 逆變器輸出相電壓波形

圖17 電網相電壓波形圖

圖18 三相并網電流波形圖

圖19 A相電網電壓和逆變器并網電流波形圖

表1 不同電網頻率下的相位差

圖20 逆變器輸出三相電壓平均有效值波形

圖21 三相并網電流平均有效值波形圖

6 結束語

本文設計了基于DSP28335和雙ARM的太陽能光伏逆變器控制器，對其主要核心硬件電路的設計進行了介紹，并對DSP、ARM＿SLAVE、ARM＿LCD各處理功能進行分工，DSP負責系統主要的控制，ARM＿SLAVE輔助DSP對系統故障處理和保護控制，ARM＿LCD負責人機交互，并對各芯片進行了程序設計。

通過實驗可知，本文設計的光伏逆變器可以逆變輸出穩定的三相正弦電壓波形，輸出的并網電流與電網電壓同頻同相，并且并網電流平均有效值比較穩定，滿足光伏逆變器的并網要求，驗證了本文基于“DSP＋雙ARM”架構設計的太陽能光伏逆變器控制器的可行性。

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Design of a solar photovoltaic inverter controller based on DSP28335 and dual ARM

YANG Qing－bo，OUYANG Sen，ZENG Jiang，YANG Lin
（Shool of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China）

The control system of the solar PV inverter based on digital signal processor 28335（DSP28335）and dual ARM is presented.The controller functions，the hardware structure and the key hardware circuits are introduced in detail.Based on the hardware system，the DSP28335 programmes，the system control and the ARM programmes are designed.The feasibility of the designed controller is also verified by carrying the experiments on 10kW PV inverter.

DSP 28335；dual ARM；photovoltaic inverter；controller

TM464

：A

1005—7277（2017）01—0008—07

楊清波（1991－），男，江西宜春人，碩士研究生，主要研究方向為光伏與儲能逆變器及電網電能質量。

2016－09－03

＊項目名稱：廣東省自然科學基金項目（2016A030313476）