DSP控制器在能量反饋系統中的應用

繆 雨 張華偉

（云南省特種設備安全檢測研究院，云南 昆明 650000）

0 前言

該文提出了一種基于數字信號處理器的能量反饋系統，與傳統系統相比，在實際的運行過程中，往往可以有更高的系統運行能力，并避免了一些傳統系統中的問題，成了一種可靠性較高的系統。DSP控制器可以在使用過程中呈現出良好的效果，同樣有利于促進設備的高效率運行，從而可以對各種信息數據進行針對性的處理以及運算，達到高效率、高精準地處理數據的效果。此外，DSP控制器的應用同樣有利于實現數據的精準化分類以及存儲，可以提升整體運行的安全性和穩定性，是一種滿足當下能量反饋系統的重要機械設備，在實際運行中，也解決了傳統形式所存在的很多問題。

1 DSP控制器

1.1 技術概念

DSP又稱數字信號處理技術，是指通過數學計算的方式從數字信號中提取相應信息的數字信號微處理器。該控制器的運行技術原理可以被描述為借助哈佛結構，同時實現對數據、程序的并行存儲，結合運用流水線技術實現高效、精準和密集的信號處理、緩解中斷問題以及并運行數字濾波、譜分析和卷積等功能。從整體上來看，DSP的CPU有3個主要組成部分，乘單元、輸入定標單元和中央算數邏輯單元。 首先，對差異性進行分析，由于DSP中安裝了硬件乘法器（乘法器在單片機中并不存在）；因此，DSP存儲器的容量比單片機更大。其次，DSP控制器同樣對自身結構進行了優化和改進，使其成了哈佛結構。因此，在運行的過程中，可以實現對數據和程序的同步存儲，其中設備制造使用的是流水線加工工藝。最后，DSP是一種運算密集型且以高效運算為目的一種處理器；單片機則是一種事務型的處理器，僅可以處理一些簡單的事務。 該文所使用的DSP控制器，其中央處理單元采用的是并行的體系結構類型。因此，在CPU運行中，可以很好地在單指令周期中進行高效率的算術運算。同時，這也是一種包括3個基本組成部分在內的設計方式。

1.2 技術特征

DSP就是一種數字信號處理技術，其設計出的DSP芯片，則是一種可以實現數字信號處理技術的相關硬件。DSP芯片的內部采用的是程序與數據分離的設計方式，形成所謂的哈佛結構。在運行的工程中，有專門的硬件乘法器，同時較為廣泛地使用流水線的操作形式，并提供特殊的DSP指令，進而對不同的數字信號進行有針對性的處理。

在實際的處理過程中，DSP芯片往往有特殊的技術特征。首先，在一個指令周期內，可以實現對乘法和加法的計算。在程序與數據空間中，呈現出分開的效果，因此可以同時對指令與數據進行訪問。其次，在芯片中有快速RAM的方式，因此可以利用獨立的數據總線，同時對程序和數據進行訪問。這樣的控制器也有低開銷或者無開銷循環跳轉的硬件支持。在實際的運行過程中，可以在單周期中操作多個硬件地址產生器，因此呈現出同時對多個業務進行處理的效果，是一種支持流水線操作，同時進行針對性優化處理的技術類型。

2 能量反饋系統

能量反饋系統本質上屬于一種獨立交直流設備，在運行過程中，可實現對輸出電能的反饋，是電網系統的重要組成部分。能量反饋系統主要由3個部分組成，分別是用電設備、能量反饋系統以及城市電網系統。

為了保證系統的穩定運行，需要控制輸出電流，確保其可以與城市電網系統的電力頻率、相位保持一致。在系統設計的過程中，可添加同步鎖相功能，由控制部分負責對該功能的發揮進行控制。

在該系統的設計中，能量反饋系統的控制部分主要由DSP控制器組成，通過該控制器可以很好地保證系統穩定、高效率的運行。逆變器的電路圖如圖1所示。

圖1 逆變器電路圖

由圖1可知，一旦在輸入單極性的正脈沖對脈沖寬度進行相應調制，便會導致在其輸入兩路的相位處出現一定程度的反方向方波，同時也在其他位置輸出雙極性的SPWM波形。經過過濾之后，可以得到相應的正弦波。由于對不同端口之間所形成的波形都進行了一定的處理，因此可以避免在運行的過程中出現同步導通的現象。一旦在VT1管以及VT3管輸入單極性信號，就會出現正弦脈沖的調制波。在VT2管以及VT4管輸入兩路相位反向的波形，就會在VOUT位置出現一定的雙極性的SPWM波。并且，在經過濾波之后，就可以得到正弦波。在圖1所示的一些區域中，每一個半周期的波形就設置了0.8 m的死區，本質上就是為了可以很好地避免VT2管與VT4管出現一定的同時導通問題，這樣會對系統造成不良的影響。

在使用DSP控制器時，往往需要使用3路信號，分別是1路單極性帶死區下的SPWM波以及2路相位相反的在帶死區所出現的方波信號。因此，對于該信號的處理，需要時刻與城市電網保持一致性，在進行系統設計時，需要在控制器中保持城市電網的信號輸入。

3 DSP在能量反饋系統全數字化控制中的應用

該文所使用的DSP控制器屬于關鍵設備，它可以在運行的過程中實現對內外資源的合理調配。在控制器中，管理器模塊設置的目的主要是對運動進行控制，也相應地發揮了對電機的控制作用。在整個系統中，需要在EV模塊內加入通用定時器、PWM發生器以及捕獲器這3個不同的邏輯系統。另外，在這3個控制方案的運行中，基本上需要基于3個不同的步驟進行運行，首先需要產生SPWM波，其次再采集城市電網頻率，這樣就可以實現同步鎖相。

3.1 SPWM的產生

在正弦波與三角波進行比較之后產生SPWM波，通常情況下，SPWM的寬度與正弦波的幅值成正比。對于該類型的方波濾波電路來說，有關人員可以將其還原成原本的正弦波。

目前，DSP控制器能夠達到16路的PWM輸出、16 bit的最大PWM分辨率，而且其所產生的SPWM更加靈活，能夠提升控制器的應用效果。首先，在使用的DSP控制器中，有關人員可以安裝通用定時器，上述設備在運行中可以進行計數，有關人員可以根據自身需求對設備的這一性能進行利用。其次，還需要在正弦波的計算過程中，對不同比較點的幅值進行提取，并將數據送到定時器中進行相應的比較分析。當定時器中的計算值與比較及儲存器中的數值一致時，就可以馬上進行匹對。再次，定時器在繼續計數的過程中，需要對周期進行配對，一直到三角載波周期完成后，才可以停止配對。

但是，當需要對其三角載波的頻率進行改變或者對其比較值進行改變時，就需要對其周期寄存器進行調整，確保可以對其引腳進行分析，進而可以輸出寬度不同的SPWM波。在該處理過程中，其三角載波與正弦波并沒有真正出現，而是以抽象的形式出現。

在設計該軟件的過程中，為了可以很好地進行分頻處理，要對其三角載波進行相應的頻率假定。在分析過程中，首先需要對三角波與半個周期的正弦波進行相交分析，這樣就可以對定時器的周期寄存器進行相應的載波評估。其次，還需要保證在對其計算分析的過程中，可以很好地將其做成表格。在系統的設計要求上，其城市電網的跟蹤精度約為0.1 Hz，對SPWM波的死區進行分析后，便可以很好地實現延時程序[1]。

3.2 捕獲城市電網的頻率

為了可以很好地滿足電網的運行效果，就需要在系統中設置相應的捕獲器，同時需要對捕獲器輸入引腳的電平的變化進行分析，同時對發生變化的方面進行時間記錄分析。在該文的系統設計中，由于其城市電網的220 V為正弦波，因此在捕獲的過程中需要對其進行降壓處理，同時經過過零檢測之后，可以去頂幅值，對系統中的DSP控制器進行捕獲。在系統每一個DSP芯片中，都存在2個EV模塊，在每一個模塊中有4、5個不同的捕獲器。在該設備的運行過程中，捕獲方波將呈上升的狀態。其捕獲上升沿的出現，是為了很好地確定當下城市電網的具體頻率。因此，對2次捕獲的實際差值進行計算之后，所獲得的結果便為城市電網的具體頻率。另外，捕獲波同樣會呈現下降的狀態，上述狀態主要出現在SPWM波的后半周期。在該周期設計中，就可以很好地完成捕獲任務。

在編程過程中，還需要充分考慮到城市電網的供電需求。因此，在基于頻率順序的捕獲標準值的設計中，就需要制定一個標準的范圍表。另外，在CAP4的捕獲環節，一旦出現了中斷的問題，就會導致其三角載波的周期值出現一定程度的變化，這樣就可以確定當下的三角載波的周期值。之后，再利用其在調用過程中所發生的SPWM波的子程序，就可以產生半個周期的SPWM波[2]。

3.3 同步鎖相

鎖相處理的過程是該系統十分重要的環節，在處理時，需要在程序中安裝一個輔助寄存器，起到對SPWM波響應進行計數的作用。另外，在下降沿的過程出現中斷之后，就需要保證其SPWM波會與城市電網的相位出現較大的差值。因此，就需要對性地對其進行針鎖相調整。該處理就是一種基于完整的半周期中的SPWM波，往往需要在其半周期中選擇256個點進行比較分析。在上升沿的過程中，一旦出現中斷問題，就需要加強比較分析，在下降沿出現中斷情況之后，需要對三角載波的頻率鎖相進行調整。經過這樣的處理，就可以很好地將SPWM波與城市電網保持較高的同步性。

在進行計算分析調整之后，就可以得到相關的定時器周期公式。同時需要注意的是，在進行計算分析的過程中，隨著DSP中開始對負數進行計算，就會導致在其內部呈現出一定的問題。因此，在計算中，需要對數據進行詳細分析與控制。最后，在使用了SPWM波子程序后，就可以合理地對其載波進行調整[3]。

另外，對于該文所采用的DSP控制器，還需要在輸出2路相位相反的方波信號上，對2路方波的信號進行控制。控制信號之后，還需要充分保障2路方波與SPWM波能夠相互結合，實現對城市電網的跟蹤以及功能監控。另外，該處理方式的基本原理往往與SPWM相同[4]。而不同的地方在于這是一種使用定時器的方式，因此僅使用1個寄存器即可。基于以上能量反饋系統，有關領域便可實現對DSP的優化設計以及對其城市電網的同步鎖相，從而實現同步控制的效果。另外，在控制功能的設計中，往往需要針對性地對一片DSP芯片進行設計，但是并不需要安裝外圍設備，這樣的控制電路下，可以很好地發揮出控制功能，同時并不需要占據交到的設備面積，另外在控制的過程中，也不會進行復雜地控制，同時不會受到外界環境的影響。

4 控制電路與同步電路設計

對于同步電路的設計來說，這就是一種很好地實現有源逆變的基礎，同時也是在捕獲電網線電壓過零頭之后，可以很好地確定電網實際相位信息的關鍵步驟。因此，在設計過程中，需要基于變壓器的方式對其電網線進行針對性的隔離取樣，同時還要對電路進行有針對性的調理。之后，利用DSP控制器進行相應的方波信號處理[6]。在這樣的系統設計下，就可以很好地確定當下城市電網的實際相位信息。而對于有源逆變輸出的重要參考，往往需要程序對其進行合理處理。同時，在一些有源逆變輸出的參考過程中，需要基于程序處理的方式，對其電流進行相應的合理控制。另外，還需要保證在控制過程中可以很好地對其有源逆變起動以及輸出進行控制，從而實現對輸出和電網的同步處理[7]。

5 仿真試驗分析

5.1 分析流程

為了保證該文設計的系統能夠更加合理，就需要對仿真方面進行計算分析。該仿真試驗的原理為通過模擬DSP控制器能量反饋系統的應用環境來測試上述應用設計方案是否能夠滿足能量反饋系統的運行需求。在仿真試驗過程中，研究者針對能量反饋系統的特征，對其仿真的參數進行合理化的調整，其電感控制在6 mH，直流母線電壓控制在650 V；而在輸入交流相電壓方面，則將控制器開關的電壓保持在5 kHz的標準上，以保證仿真試驗的效果。經過仿真分析之后可以發現，其仿真與實驗波形都可見。另外，該文所設計的能量反饋系統，也是一種基于電網實時反饋邏輯下的電流回饋，在實際的運行中，主要是利用DSP控制器中的事件管理器，并通過高速A/D轉換器等內部設計，對其進行有針對性的設計，以此保障系統在實際的運行中有較為可靠的運行效率；另外，在一些設計過程中，其系統的邏輯性較為清晰合理，因此整個系統的控制性較為靈活，最大程度地保證了系統的運行效果。

在未來的系統運行中，可以很好地擴寬變頻器的應用范圍。因此，該系統有較高的運行邏輯效果。但是需要注意的是，該系統還存在一定的缺陷，需要在未來的設計中進行進一步的完善處理[8]。

5.2 分析結果

在對該能量反饋系統進行設計的過程中，對其編程進行合理設置，同時讓其硬件電路在使用的過程中基于單一的DSP最小系統，并不進行額外多余的外圍電路設計。因此，該系統在設計運行中，已經得到了相關部門的檢驗，可以很好地進行使用。在對其長期的使用調查結果進行分析，表示該類型的控制器在實際的操作過程中，可以很好地對47 Hz～52 Hz的城市電網進行追蹤，同時將追蹤的設計精度控制在 0.1 Hz 。另外，該系統在運行的過程中，可以很好地實現對其過量程的處理，因此在城市電網超出實際范圍的時候，該系統還是處于待機的狀態。只有再次處于該階段，才可以重新啟動進行運轉。這樣的能量反饋系統可以很好地對其城市電網實現同步鎖相的控制效果。另外，在諸多的操作模式下，僅僅依靠單一的芯片就可以完成相關工作，并不需要設計額外的設備，就可以使該系統具有較高的使用價值和經濟性。但是，在未來的研究中，還需要對該系統進行進一步改進與優化。

6 結語

綜上所述，該文所提出的DSP控制器在能量反饋系統的應用過程中，由于設計的合理性，因此可以很好地接入城市電網，以此保障能量反饋系統的穩定運行，呈現出良好的節能降耗的效果，滿足系統的使用需求。