增加工程實踐的DSP“口袋實驗室”設計

葉宗彬， 陶夢江， 陳治國， 鄧先明， 于東升

（1.中國礦業大學電氣工程學院，江蘇 徐州 221116；2.國網安徽省電力有限公司超高壓分公司，合肥 230061）

0 引言

隨著科技的進步、經濟的發展以及建立創新型國家的迫切需要，我國對工程技術人才的能力要求變得越來越高。如何培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量卓越工程師，成為我國高等院校亟需解決的重要問題。為解決這一問題，教育部提出了“卓越工程師教育培養計劃”［1-2］。

許多院校積極響應并執行該計劃，引入項目教學法，在實踐性較強的課程教學中實施實驗環節改革，取得了一定的效果。Diao［3］在《電力電子技術》的教學中，通過6 個項目的實踐，對學生進行階段性和總體評價，提升學生動手能力，教學效果較好。吳勇等［4］針對《DSP技術及應用課程》進行改革，引導學生利用所學知識設計一套直流電動機調速系統，采用小組合作，方案設計及后期調試、答辯的形式，充分激發學生的學習興趣。唐加能［5］將“項目驅動式教學法”引入《信號與系統》，以濾波器設計項目，強化學生資料收集、Matkab 仿真及電路搭建和調試的能力，通過該方法，學生的編程設計能力有了長足的進步。

《DSP技術及應用》作為一門專業基礎課，是當前工業界廣泛應用于控制系統的技術，需要大量實踐，形成理論與實踐的有機結合，增強學生動手能力以及創新意識的培養。

開發以TMS320F28335 作為核心芯片的DSP“口袋實驗室”，方便學生進行實驗，提升其工程實踐創新能力。

1 DSP“口袋實驗室”方案設計

1.1 設計思想

本文設計的DSP“口袋實驗室”重點在于便攜。通過將仿真器進行整合，可實現僅通過一根USB 線即可進行聯機實驗、調試；良好設計擴展接口，提供低壓三相兩電平逆變器擴展模塊，支持三相逆變綜合實驗，通過軟、硬件配合，實現低成本的三相電流重構，強化學生工程實踐創新意識。

1.2 方案設計

DSP“口袋實驗室”方案如圖1 所示。方案以TMS320F28335 為核心，摒除市面上開發板多余功能，保留課程教授所需功能，如電源、GPIO（撥碼開關輸入及LED輸出）、JTAG、時鐘、SPI（用于擴展D/A功能）、PWM和A/D調理等電路以進行兩電平逆變器控制實驗的擴展接口等。

圖1 DSP“口袋實驗室”方案框圖

2 主要電路設計

2.1 電源電路

DSP“口袋實驗室”電源部分，輸入為micro-USB接口，接入可恢復保險絲提供必要的保護，采用2 個LDO將輸入的5 V電壓轉換成DSP芯片所需的3.3 V和1.8 V電源。此外，板上留有電源濾波及電源指示等，如圖2 所示。

圖2 電源電路

2.2 GPIO電路

由撥碼開關、LED以及相應的觀察探針提供了數字量輸入、輸出接口及顯示功能，滿足I/O 實驗、中斷實驗的輸入、輸出功能需求，如圖3 所示。

圖3 GPIO電路圖

2.3 仿真器電路

DSP“口袋實驗室”直接把仿真器功能整合至電路板上，無需外配仿真器，方便調試，該模塊提供低速仿真數據交換，滿足學生實踐的基本需求，具體電路如圖4 所示。

圖4 仿真器電路圖

2.4 A/D調理電路

A/D調理電路的作用，主要負責將外部傳感器輸出的模擬信號進行放大、電平移動，將經過調理之后的信號輸入TMS320F28335 進行A/D 轉換。以A 相電流信號為例，對應的A/D調理電路如圖5 所示。

圖5 AD調理電路圖

2.5 驅動電路

驅動電路的作用，將DSP 的PWM 信號經過半橋驅動芯片IR2101S 進行電平移動、緩沖后加至功率器件，以實現對功率器件的導通、關斷控制。以A 相橋臂的PWM信號為例，對應的驅動電路如圖6 所示。電路中的MC33063 構成的電路負責將5 V 變換成15 V，供驅動電路使用。

圖6 驅動電路圖

2.6 兩電平逆變器擴展電路

兩電平逆變器擴展板主要是方便學生進行一些綜合性較高的實驗，如三相逆變器的PWM 實驗、電流重構實驗、電動機驅動實驗等。擴展板采用直流5 V 作為主電源，功率器件Q1～Q6采用N 溝道MOSFET，每相橋臂的下端均預留采樣電阻（R1～R3），以進行3 電阻、2 電阻電流重構方案的驗證。此外，R1～R3電阻的下端留置有R4采樣電阻，可方便進行單電阻采樣技術方案的驗證。對應的電路如圖7 所示。

圖7 兩電平逆變器擴展板電路圖

需要注意的是，當驗證3 電阻、2 電阻電流重構方案時，不使用的R4需要進行短接，使用單電阻電流重構方案時，需要將R1～R3進行短接。

本文設計的控制板實物如圖8 所示，電路板面積為8.5 cm×5.3 cm，體積小巧，易于攜帶。

圖8 DSP“口袋實驗室”控制板

3 基于工程實踐創新實驗案例設計

3.1 電流重構策略應用

兩電平逆變器是電壓源型變頻器中最常見的一種電路結構。為驅動被控交流電動機變頻調速，三相電流的采集是必不可少的［6］。傳統的三相電流采集大都采用霍爾電流傳感器［7］，加裝在逆變器的輸出側。該方案的優點是采樣是隔離的，且可連續采集輸出電流。其缺點是價格較為昂貴，對于成本敏感的場合不適用，且對橋臂直通短路無法進行保護。為減少故障點，降低成本，近年來大量研究著眼于減少電流檢測傳感器［8-10］。電流傳感器的減少引入了新的問題，如需對三相電流進行重構，且重構時不同方案存在不同的重構盲區［8-10］。為減小電流重構盲區，獲得高質量的電流，學者們采用了新開關狀態相移［11］、測量脈沖插入法［12-14］、多個有源電壓合成零電壓矢量法［15-17］等，但這些方法都存在引起諧波增大。

本文對幾種低成本電流采集方案進行分析研究，并結合DSP的A/D特點，進行軟、硬件設計，在提升電流采集性價比的同時保證低電流諧波。目前較常見的非隔離電流采樣有以下3 種技術方案：3 電阻電流采樣、2 電阻電流采樣和單電阻電流采樣。

3.2 三電阻電流采樣重構策略

在三相逆變器的3 個橋臂串入3 個采樣電阻（見圖7 中的R1～R3）。當逆變器運行，三相的下管導通時，電阻兩端的電壓與流過電流成線性關系。如果逆變器采用7 段式SVPWM（見圖9），設置A/D 采樣的合理啟動時刻點，即可完成對三相交流電流的采樣。

圖9 3電阻采樣方案A/D轉換開始時刻示意

TMS320F28335 的A/D可由EPWM 模塊的多個事件啟動。對于3 電阻采樣方案，由圖9 可知，可由三相EPWM模塊的增計數匹配比較、計數周期、減計數匹配比較等事件啟動A/D，完成對3 個采樣電阻的端電壓采集并轉換，獲得三相電流值。為獲取良好的電流采樣效果、保證逆變器高效率運行，需選取盡可能小且阻值一致的3 個采樣電阻。通常情況下，采用mΩ級精密功率電阻。

3.3 兩電阻電流采樣重構策略

由上一節分析可知，通過3 個共地的采樣電阻即可實現對三相交流電流的采樣。對三相對稱電路，存在三相相電流代數和為零的約束條件，所以實際只需要采樣兩相電流，通過計算即可獲取三相電流值。僅使用3 個采樣電阻中的兩個即可，以進一步減少損耗，降低成本。基本原理與3 電阻采樣類似，故此處不再贅述。

3.4 改進的單電阻電流采樣重構策略

由前述小節分析可知，采用3 電阻、2 電阻采樣方案，均可便捷地獲取三相電流。采樣電阻越多，系統由引入采樣電阻造成的損耗也越大，同時成本也上升。如果多個采樣電阻之間一致性差，導致采樣偏差變大。如果能繼續減少電阻，將進一步提高系統整體性價比。

采用單電阻采樣，則將采樣電阻R4串接在直流母線負且與三相下橋臂公共點相連處，如圖10 所示。

圖10 單電阻方案采樣電流示意圖

以圖10 所示開關狀態為例，2 電平逆變器工作于100 開關狀態下，即：A相上管Q1導通，下管Q2關斷，B相上管Q3關斷，下管Q4導通，C相上管Q5關斷，下管Q6導通。在此狀態下，流過采樣電阻R4的直流電流idc實際為A相電流iA。

當采用7 段式SVPWM，且參考電壓空間矢量處于第一扇區時，生成的三相PWM波形如圖11 所示。采用與上述相同的開關狀態分析發現，在一個開關周期內，100、1102 個開關狀態下，流過R4的直流電流分別為iA及-iC。通常開關頻率遠高于逆變器輸出的基波頻率，此時可為同一開關周期內三相電流值為常數，故可由采樣獲得的2 相電流值計算得到第3 相電流iC，完成三相交流電流采樣。

圖11 一扇區單電阻采樣方案電流對應關系

為獲得三相電流值，需要利用A、B相EPWM模塊的增計數比較匹配事件啟動A/D進行采樣轉換，得到正確的電流值。

采用同樣的方式，對其余開關狀態進行分析，可得不同開關狀態與采樣得到的電流對應關系，見表1。

表1 直流母線電流與電動機相電流的關系

由于A/D采樣及轉換，開關器件導通、電流穩定等需要額外時間，且存在死區，單電阻采樣方案電流重構存在電流無法重構的盲區。以圖10 所示的開關狀態切換為例，當T1、T2時間過短時，無法正確采樣獲得三相電流，電流重構盲區主要有兩種：低調制度盲區以及扇區切換盲區，如圖12 所示。

圖12 單電阻采樣方案電流重構盲區

為減小電流重構盲區，可利用TMS320F28335 的EPWM模塊產生的周期中斷，在周期中斷中更新減計數比較值，調整PWM 脈沖。即將作用時間較短的有效矢量作用時間集中，調整方式如圖13 所示。

圖13 調整PWM脈沖減小電流重構盲區

即便采用該方法，還是無法將盲區減小至零，這是單電阻采樣的最大缺點。但通過該方法，可以極大減小盲區，滿足多數場合使用需求。在盲區內，可將電流保持為前一時刻的值，避免盲區內電流重構失敗。采用此PWM 脈沖調整，保持了主次矢量（100 和110）、零矢量（000 和111）作用時間不變，可保證電流較低的畸變。

4 電流重構算法仿真與實驗驗證

為驗證DSP口袋實驗室及單相電流重構算法的有效性，采用口袋實驗室及擴展電路板進行相關實驗。三相逆變器帶阻感負載，進行仿真及驗證。Simulink中搭建的仿真與硬件實驗平臺參數相同，見表2。實驗中，重構電流及扇區號采用D/A 輸出，方便采用示波器進行觀察。

表2 單電阻電流重構仿真與實驗參數

圖14、15 分別為單電阻采樣，未進行觀測盲區處理時的仿真與實驗波形圖。由波形明顯可見，在扇區切換位置，進入電流觀測盲區，此時三相電流觀測產生錯誤，出現了異常的跳變。

圖14 單電阻電流重構仿真波形（未調整PWM脈沖）

圖15 單電阻電流重構實驗波形（未調整PWM脈沖）

圖16、17 分別為采用單電阻采樣，對盲區進行了處理的仿真與實驗波形圖。由波形可見，經過PWM脈沖調整后，三相電流觀測盲區變窄，重構電流波形更接近實際電流，畸變較小，證實單電阻采樣方案的有效性。如果要用于電動機變頻控制等場合，僅需將重構電流通過一個低通濾波器，盲區所致的畸變電流即可被平滑，對控制效果的影響進一步降低。由于進行了PWM脈沖調整，所以電流出現了波動，實驗中為凸顯重構盲區的效果，采用的死區時間是2 μs，對于低壓小功率應用，死區時間小于此值，且負載電感也比仿真中要更大，由PWM脈沖調整引起的電流波動會更小。

圖16 單電阻電流重構仿真波形（調整PWM脈沖）

圖17 單電阻電流重構實驗波形（調整PWM脈沖）

5 結語

傳統DSP 實驗箱體積大，攜帶不便，受實驗學時及場地的限制，學生難以將所學迅速進行實驗練習，影響學習效果。本文設計一款便攜，且易于擴展的DSP口袋實驗室，將仿真器整合在電路板上，便于學生攜帶及開展實驗。同時，設計了由淺到深的三相電流重構實驗，使學生充分認識DSP外設功能在實際使用中的軟、硬件結合形成的高性價比實施案例。同時，采用所提PWM脈沖調整法，可極大地減小單電阻采樣的電流重構盲區以獲得更好的重構效果。所述方案可用于各種成本敏感的逆變器場合。