本帖最后由 Sode 于 2019-1-15 11:12 编辑
基于DSP的任意波形PWM调制技术
摘 要：本文阐述了一种任意波形PWM调制的方法，并且应用于有源滤波器的控制电路。实验装置采用高速的数字信号处理器TMS320LF2407A为核心器件，可以快速完成整个控制方案。从实验结果来看，有源滤波器系统能够有效的消除由非线性负载产生的谐波，大大降低了谐波对电网造成的危害。 关键词：DSP；PWM；AD7663；有源滤波器
0．引言
随着电力电子技术的发展和新一代大功率电力电子器件的产生，采用电力有源滤波器进行电网谐波治理成为可能，这种方法为消除电力系统谐波开辟了新的途径，同时也解决了无功功率的问题。有源滤波器方案，由于只需补偿负载中的高次谐波和无功分量，因此相应要求有源滤波的容量较小，适应于对多非线性负载的高次谐波的治理。有源滤波器中普遍使用脉冲宽度调制（即PWM）技术，特别是正弦波脉宽调制（SPWM）技术。SPWM控制脉冲可以由模拟电子电路产生，但它存在使用元件多、控制线路复杂、控制精度难以保证等缺点。在DSP技术迅速应用的今天，利用DSP的高度集成化，数字化和高速的运算功能，用它来做数字控制时，可获得高稳定性，高可靠性，小型化、便于维护和提高性能等控制效果。
由于有源滤波器补偿的是负载中的高次谐波和无功分量，故其波形并非严格的正弦波，而且由一系列不同频率正弦波所组成，故无法使用SPWM调制生成我们所需要的信号。这时，需要另外一种方法来实现对任意波形的PWM调制。
1.任意波形PWM调制算法的研究
在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。这一结论是PWM控制的重要理论基础。对于任意波形的实现，我们知道，可以在一个周期内，对信号进行等间距采样，只要采样频率足够高（大于两倍的信号频率），是可以根据采样点对信号重新进行刻画的。所以当我们采样频率取得足够高的时候，我们可以将任意相邻两个采样点之间用直线连接起来，通过与三角载波的比较，输出PWM波，从而生成我们所需要的信号。下面将具体介绍实现的过程，采用规则采样法使每个脉冲的中点与三角波的中心重合，使得计算大为简化。
根据面积相等原则，A、B点与横坐标轴组成的面积应该等于响应的脉冲部分的面积，可以推导出
，即三角载波的幅值是等于直流电压的幅值。从而公式（1）中各个变量均可确定，即可以根据各个变量求得PWM脉冲的宽度。
2．基于DSP的任意波形调制的有源滤波器系统实现
2.1硬件数字电路设计
系统采用TMS320LF2407A做为控制器，LF2407A是16位定点DSP芯片，它以其功能强大的指令系统、丰富的外设，尤其是两个时间管理器集成于片那系统中，使得该款芯片在控制领域得到日益广泛的应用。
图2为硬件的原理图，AD转换是数据采集的核心，它决定着系统数据采集的精度和速度，本设计用的是AD7663模数转换器，这是一款16位、250kSPS、低功耗、逐次渐近型模数转换器。AD7663具有分辨率高，采样速率高，功耗小等优点，在高速高精度的数据采集系统中具有十分广泛的应用。AD7663提供串行输出和并行输出两种接口方式。为了提高系统对数据的处理速度，本设计选择并行输出方式。
AD7663的转换过程可分为三个阶段：转换准备阶段、模数转换阶段、转换结果输出阶段。具体转换时，首先将CS置低，然后在CONVST端输入脉冲信号，这样，AD7663就可在CONVST的每个脉冲信号的下降沿启动一次转换；转换过程中，BUSY端为高电平；一次转换后，BUSY端电平由高到低以指示本次转换完成，并将数据输出在数据总线上，此时，只需将RD置低，系统控制器就可以将数据总线上的数据取走，从而完成一次模数转换。
在硬件设计过程中，才用多层布线方式、信号层与电源层分开，接地大面积敷铜以屏蔽干扰，才用无感电阻、光藕、磁珠、旁路电容、高频集成电路等方式解决电磁兼容问题、信号传输时间问题，杂散信号的干扰问题等等，试验证明，这种方案是可行的。
2.2系统软件实现
主程序要完成有关寄存器、A/D、定时器、PWM等的初始化工作，中断控制方式的设置，相应变量及常量的定义。中断子程序用来采集电流A/D的转换值，经过运算处理得到谐波电流调制控制量，与三角载波比较后，输出PWM波。
利用TMS320LF2407A来生成任意波形脉冲的基本思想是利用DSP的事件管理器中的全比较单元、通用定时器、死区发生单元以及输出逻辑来生成PWM波，经复用的I/O引脚输出。DSP设置在连续增/减计数方式工作时，产生对称的PWM脉冲输出。在这种计数方式下，计数器的值由初始值开始增加，当达到TxPR值时，开始递减，直到变成0后又重新增加。在计数器跳变的过程中，计数器的值与比较寄存器CMPRx的值作比较，当计数器的值与比较寄存器的值相等时对应的方波输出发生电平转换。在一个定时器周期内，输出方波将发生2次翻转，从而形成一个脉冲。根据公式（1），写入DSP CMPR的值应该为：
式中
为DSP中定时器计数系数。 在数字PWM方法中，必须产生精确的PWM定时信号，并且对每对控制上下桥臂功率开关的PWM信号必须有一小部分的导通延时（即死区时间），在DSP中，可通过设置死区控制寄存器来设定死区时间，，死区时间用于保证在任何情况下，每个比较单元相关的两路PWM输出控制一对正向导通和负向导通设备时没有重叠，即在一个器件在没有完全关断时，另一个器件不导通，避免了发生短路而击穿器件。
系统软件部分分为初始化模块和运行模块，包括主程序、A/D采样子程序、谐波电流计算子程序、调制生成PWM波子程序、功率驱动模块保护子程序。具体程序流程如下：
DSP硬件保护引脚(PDPINT)极为重要，当DSP的PDPINT引脚（功率驱动保护引脚中断）被拉低时，会产生一个外部中断。这个中断可用于系统的安全操作提供保护，如果PDPINT未屏蔽，当PDPINT引脚被拉低以后，所有的事件管理器输出引脚均被硬件置为高阻态，从而可封锁PWM输出而使功率开关器件关断来保护器件和系统。
3．结论
本文提出的这种基于DSP的任意波形PWM调制技术，利用了DSP2407的高度集成化，数字化和高速的运算功能，用它来做数字直接控制时，可获得高稳定性，高可靠性，小型化、便于维护和提高性能等控制效果。经实验证明，这种方法在应用于有源滤波器时具有很好的效果，可以实现对负载电流高次谐波的治理，从而达到滤波的效果。
本文创新点:本文提出一种任意波形PWM调制的方法，并且在有源滤波器的控制电路中使用高速的DSP，以及精度很高的AD转换器AD7663实现这种调制技术。实验证明这个方法可以使得负载电流波形趋近于正弦波，达到滤波的作用。
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