DSP數(shù)字控制的電流源型整流器實驗裝置研制

郭 強，黃勇軍，楊 奕，何黎鵬

（重慶理工大學(xué)重慶市能源互聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，重慶 400054）

0 引言

電力電子技術(shù)是電氣工程專業(yè)一門重要的專業(yè)必修基礎(chǔ)課程，除了介紹課程相關(guān)理論知識外更需要通過設(shè)計相關(guān)教學(xué)實驗，做到理論與實踐相結(jié)合，以此來加強對學(xué)生動手實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)［1］。但許多高校鑒于客觀條件限制，用于電力電子實驗教學(xué)的裝置研發(fā)還是較少，導(dǎo)致在教學(xué)過程中往往側(cè)重理論分析和仿真驗證，缺乏實踐。在吸收其他高校課程教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上［2-3］，本文研制了基于DSP 數(shù)字控制的電流源型整流器（Current Source Rectifier，CSR）實驗裝置，旨在踐行以學(xué)生為本的教學(xué)理念，彌補以往教學(xué)存在的缺憾。相較于電壓源型整流器［4-5］，CSR 在啟動時網(wǎng)側(cè)電流沖擊較小，且直流側(cè)可降壓運行［6-8］，整個實驗過程安全性更好。

實驗裝置采用Matlab／Simulink 代碼生成技術(shù)可將控制算法快速生成控制代碼［9］，無須進行編程，減輕了實驗復(fù)雜性；配置好軟硬件環(huán)境后，利用CCS 軟件可一鍵將生成的控制代碼下載到DSP28335 控制器中［10］，配合采樣及驅(qū)動電路實現(xiàn)對CSR 實驗裝置的控制。通過示波器和功率分析儀等設(shè)備可以實時觀察實驗裝置的運行情況，方便學(xué)生更好地理解運行及控制機理。該實驗裝置已經(jīng)實際應(yīng)用于電力電子技術(shù)的教學(xué)實踐中，可以驗證整流器在不同控制策略時的運行狀況，同時還可以為新型算法的實驗驗證提供幫助；此外該裝置還可為電子設(shè)計大賽等學(xué)科競賽提供服務(wù)。

1 實驗裝置設(shè)計

1.1 整體設(shè)計方案

基于DSP數(shù)字控制的CSR 實驗裝置整體設(shè)計方案如圖1 所示。實驗裝置主要由可編程電源、CSR、負(fù)載、PC端四部分組成。為進行不同控制方案，還包括了采樣電路、微處理器（主控制器DSP）、驅(qū)動電路。可編程電源用來模擬不同等級輸入電壓，內(nèi)部集成了各種保護電路，確保設(shè)備不出現(xiàn)非正常工作狀況［11］；PC端利用Matlab／Simulink 實現(xiàn)整流器算法研究和仿真電路的搭建，并為DSP 下載控制算法程序；采樣電路實現(xiàn)對不同所需信號的采集，并匯集入微處理器；處理器匯集各路信號后實現(xiàn)控制算法的運行；驅(qū)動電路根據(jù)不同算法生成功率開關(guān)管通斷信號。

圖1 CSR實驗裝置整體設(shè)計方案

1.2 裝置軟硬件組成

基于DSP數(shù)字控制的CSR 教學(xué)實驗裝置軟硬件組成如圖2 所示。PC 上位機與裝置相關(guān)軟件有Matlab／Simulink、CSS和C2000 軟件。

圖2 裝置軟硬件框圖

為方便學(xué)生進行實驗，同時使實驗裝置軟硬件結(jié)合更緊密，采用Matlab／Simulink 代碼生成技術(shù)將仿真模型控制算法快速生成DSP 可識別的控制代碼。具體過程為：首先，利用CCS 軟件搭建工程框架，在PC端利用Matlab／Simulink 搭建仿真模型并驗證控制算法可行性；其次，通過Matlab 的DSP 硬件支持包和C2000 外設(shè)功能模塊將Simulink模型修改為代碼生成模型，并且自動生成.c程序加載到.ccs程序框架中；最后，PC端通過Windows 的CMD 指令直接將代碼文件下載到DSP控制板中，實現(xiàn)DSP算法與仿真中控制算法一致，如圖3 所示。

圖3 代碼自動生成技術(shù)

由于DSP28335 的控制速度與精度適用于目前實際工程應(yīng)用場景，因此在電力電子領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，采用DSP28335 控制器作為該實驗裝置主控單元對學(xué)生后續(xù)發(fā)展是有利的。CSR 采用的是三值邏輯信號驅(qū)動功率開關(guān)管，因此還需要采用CPLD 邏輯編程芯片XC95288XL進行二三值邏輯變換［12-13］。該CSR 實驗裝置采用DSP+CPLD架構(gòu)豐富了控制資源，同時自動代碼生成技術(shù)也減輕了學(xué)生編程負(fù)擔(dān)。

2 實驗裝置搭建與實驗

2.1 電流源型整流器實驗裝置搭建

實驗裝置的連接與外觀如圖4 所示。

圖4 實驗裝置連接與實物圖

（1）功率開關(guān)管選用Infineon公司FF100R12RT4二合一IGBT模塊，耐壓值為1.2 kV，可持續(xù)導(dǎo)通電流100 A。串聯(lián)二極管和續(xù)流二極管采用IXYS 公司MEK75-12DA快速恢復(fù)二極管，耐壓值1.2 kV，額定電流75 A。功率管之間采用銅排進行連接，底層為鋁基板并配帶風(fēng)冷散熱，功率管連接直流側(cè)和交流側(cè)，交流側(cè)為LC濾波器；中層主要為電壓采樣電路和IGBT驅(qū)動電路；頂層為采樣調(diào)理電路和輔助電源，并配有DSP開發(fā)板。

（2）交流側(cè)的濾波電容采用EACO公司的薄膜電容SRD-700-12-FS，容值為（12 ±10%）μF，額定電壓為400～700 V，此外電容還并聯(lián)了EACO公司STM系列吸收電容，用于IGBT 緩沖線路的突波吸收，容值為（0.47 ± 10%）μF。輸出電容采用KEMET 公司的C4DEIPQ6100A8TK 薄膜電容，容值為（100 ± 10%）μF，額定電壓為800 V。交流側(cè)選取Honeywell公司的AMCC-32 非晶合金磁芯和多股0.1 mm利茲線繞制而成0.45 mH電感；同樣地，直流側(cè)采用的2 個2.5 mH電感也是由非晶合金磁芯和利茲線繞制而成。

（3）網(wǎng)側(cè)三相電壓和電流屬于強電信號，不能直接作為ADC的輸入信號。同時考慮到隔離保護，選擇電壓和電流傳感器對網(wǎng)側(cè)和直流側(cè)電壓、電流進行采樣后再輸入控制器。采用LEM公司LV25-P型電壓傳感器檢測電壓，原邊電流與被測電壓的變比關(guān)系通過串聯(lián)一個外部電阻R來確定；采用LEM 公司型號為HAS50-S的電流傳感器檢測電流，檢測電流范圍為0～50 A，對應(yīng)輸出電壓為0～4 V，交流側(cè)電壓采樣電路如圖5 所示。

圖5 采樣電路板

由于DSP28335 的AD轉(zhuǎn)換輸入信號要求為0～3 V，因此需要將采樣電信號通過偏置電路達(dá)到符合要求的電壓值，如圖6 所示。偏置電路采用運放芯片MCP6044，其供電電壓為3.3 V，通過穩(wěn)壓芯片LM1117電壓轉(zhuǎn)換后將電平抬升到1.65 V。

圖6 偏置電路

經(jīng)偏置電路后，交流側(cè)電量需由調(diào)理電路進行濾波和放大［14］，交流調(diào)理電路如圖7 所示。包含了一個二階Butterworth 有源低通濾波器［15-16］，截止頻率為500 Hz，其作用是去除高頻信號干擾，提高檢測精度。

圖7 交流調(diào)理電路

直流側(cè)調(diào)理電路同樣包含二階Butterworth有源低通濾波器，并使輸出最大值時達(dá)到滿量程，提高采樣精度，如圖8 所示。

圖8 直流調(diào)理電路

實驗系統(tǒng)的調(diào)理電路板如圖9 所示，經(jīng)采樣調(diào)理電路，電網(wǎng)電壓、網(wǎng)側(cè)電流、直流側(cè)電壓、直流側(cè)電流分別轉(zhuǎn)換為DSP可接受的AD輸入信號。DSP經(jīng)運算處理后產(chǎn)生的PWM（Pulse Width Modulation）信號經(jīng)過北京落木源公司的DA962D6 驅(qū)動電路放大后，用來實現(xiàn)實驗裝置IGBT開通與關(guān)斷。

圖9 系統(tǒng)調(diào)理電路板

2.2 教學(xué)實驗案例

本文利用基于DSP 數(shù)字控制的電流源型整流器教學(xué)實驗裝置，以CSR 的傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制實驗為例，對整個實驗流程進行說明。首先利用PC 端Simulink軟件搭建仿真模型并實現(xiàn)控制算法正確運行，如圖10所示。然后將仿真模型修改為代碼生成模型并對整流器、電源、負(fù)載等設(shè)備進行正確連接，檢查線路無損壞；接著通過代碼自動生成技術(shù)得到控制代碼文件并下載到DSP中進行實驗驗證。

圖10 主電路搭建與控制算法實現(xiàn)

圖11（a）為網(wǎng)側(cè)及直流側(cè)電壓電流波形，結(jié)果顯示整流器系統(tǒng)運行穩(wěn)定。圖11（b）和（c）為整流器動態(tài)響應(yīng)運行結(jié)果。可以看到三相網(wǎng)側(cè)電流在整個過程中無明顯畸變，調(diào)節(jié)過程迅速，變負(fù)載后直流側(cè)電壓在短時間內(nèi)能準(zhǔn)確追蹤到給定參考值，網(wǎng)側(cè)電流和電網(wǎng)電壓始終保持同相位。網(wǎng)側(cè)電流諧波分析如圖11（d）所示，總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion，THD）小于5%，滿足IEEE519 標(biāo)準(zhǔn)，符合實驗預(yù)期目標(biāo)要求。

圖11 實驗結(jié)果

3 結(jié)語

為提高電力電子相關(guān)實驗教學(xué)水平和效果，同時加深學(xué)生對于整流電路的理解，設(shè)計了基于DSP數(shù)字控制的電流源型整流器實驗教學(xué)裝置。該裝置有利于學(xué)生對Matlab等軟件的學(xué)習(xí)和使用，包括不同仿真控制模型的搭建、配套軟件的配置以及電腦端與DSP通信環(huán)境的建立等，同時利用Matlab／Simulink 代碼自動生成技術(shù)，使得實驗過程易于操作、便于學(xué)習(xí)；該實驗裝置與電力電子教材內(nèi)容聯(lián)系緊密，學(xué)生能快速將理論與實際結(jié)合以此加深理解，提高了動手實踐能力，非常適合在電力電子實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中使用?；谠撗b置以“面向數(shù)據(jù)中心電源的電流源型PWM整流器設(shè)計及其調(diào)制與控制技術(shù)研究”為題，在2020年十五屆中國研究生電子設(shè)計競賽中獲得全國三等獎。同時利用該實驗裝置并根據(jù)學(xué)生自身興趣與能力水平設(shè)計有針對性的科研實驗項目，有利于對學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用能力的培養(yǎng)。