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1、基于DSP控制的能量再生回馈电网研究zhangting导语：将伺服电机在运行经过中快速制动和频繁正反转时所产生的再生能量以SPWM波的形式，转变为与电网电源信号同步的电能信号。摘要：利用电力电子技术中的整流、逆变，以及与能量回馈相关的信号反应控制、数字信号处理DSP等控制技术，通过跟踪捕捉电网电源信号，将伺服电机在运行经过中快速制动和频繁正反转时所产生的再生能量以SPWM波的形式，转变为与电网电源信号同步的电能信号。同时滤除再生电能SPWM波中的谐波干扰成分，进步功率因数，将再生能量反应回电网，予以优化回收。关键词：能量回馈；功率因数；SPWM调制；TMS320F2812DSP1引言伺服电机受
2、电运行时，是以电动机的方式运行，从电网吸收能量；伺服电机制动经过中，是以发电机的方式运行，往外反向输出能量。怎样将伺服电机在运行经过中快速制动和频繁正反转时所产生的再生能量加以回收利用，对于节能有很大价值。当今最常用的解决方案是利用电力电子技术，将半控型晶闸管器件用于整流、逆变电路，以控制导通角的方式，把电机制动时的再生能量逆变送回电网。这种技术相当成熟，但存在众多缺点：首先，由于采用半控型晶闸管器件，假设逆变角控制不当，或者晶闸管发生故障、触发电路工作不可靠、换相裕量角缺乏等，均易导致逆变经过失败。其次，晶闸管相控整流电路位移因数、基波因数较低，导致电网电能波形畸变严重，波形中的谐波分量较大
3、，电路功率因数很低，大大降低了再生电能的回馈质量。本文阐述的是把SPWM技术应用于由MOSFET、IGBT等全控型器件组成的整流逆变电路，通过TMS320F2812DSP芯片及其外围器件构成控制和反应电路，将伺服电机再生能量回馈电网。SPWM的根本思想是使输出控制信号的脉冲宽度按正弦规律变化，这样的调制技术能有效地抑制输出电压中的低次谐波分量。TMS320F2812DSP是TI公司推出的一种适于逆变器和电机控制的芯片，集实时处理才能和控制器外设功能于一身。高性能的处理器，具有运算精度高、速度快、集成度高等特点，这为提供高质量的SPWM控制信号提供了很好的解决方案。因此，通过对PWM整流逆变电路
4、的适当控制，可以使输入信号非常接近正弦波，且电流和电压信号同相或者反相，功率因数近似为1。这对于抑制电网谐波、进步电网功率因数和电能回馈质量非常有效，这是常规的半控型晶闸管采用导通角控制方式无法比较的。2系统工作原理系统控制原理见图1。该系统主回路器件包括电抗器、浪涌抑制器、三相全桥整流器、储能电容Uc、IGBT电压型逆变器、前置滤波器等，外围控制电路包括IGBT驱动电路、DSP中央处理器、电流电压信号检测、故障检测、外部电源和外部时钟等局部。伺服电机频繁制动时产生的再生能量储存于电容器Uc，当Uc两端电压到达限定值时，由DSP控制系统启动三相桥式电压型有源逆变器，将储存于Uc中的能量以SPW
5、M波的形式反应回电网。图1系统控制原理2.1DSP芯片特点TMS320F2812DSP是一种32位定点芯片，具有强大的数字信号处理才能、事件治理才能和嵌入式控制才能。主要特点：高性能中央处器，150MHz主频速度，高性能12位、16通道模/数转换器；ADC转换时间为200ns，提供多达16路的模拟输入；基于TMS320F24x的CPU内核保证了其与TMS320系列DSP的代码兼容；具有两个事件治理器模块EVA和EVB，每个均可提供两个16位通用定时器和八个16位的PWM通道。高达128Kx16位的FLASH片内存储器；低功耗和节能形式；等等。2.2电流电压信号采样DSP在实时控制经过中，为了产
6、生和电网同步的SPWM信号，需要对电网电压电流施行跟踪采样，这主要由采样电路完成。本设计采用霍尔传感器收集信号，为进步信号收集质量，需经过一阶滤波、限幅电路、射极跟随器连接到DSP的模拟输入信号引脚上。霍尔传感器输出信号电压为05V，而F2812模拟输入信号电压范围为03V，这就要求电路必须进展电平转换。本设计采用电阻分压实现电平转换。2.3A/D信号转换采样信号到达模拟输入通道后，由DSP内部A/D转换电路实行信号转换。TMS320F2812ADC模块是一个12位的带流水线的模数转换器ADC，模数转换单元的模拟电路包括前向模拟多路复用开关MUXs、采样/保持S/H电路、变换内核、电压参考以及
7、其它辅助模拟电路。ADC模块有16个通道，可配置为2个独立的8通道模块，分别效劳于事件治理器EVA和EVB，也可级联成一个16通道模块。各个通道模块可以自动排序，对于每个通道而言，一旦ADC转换完成，将会把转换结果存储到结果存放器ADCRESULT中，通过公道的中断处理和中断效劳子程序，将结果存放器中的数据读出。为了获得更高精度的转换结果，在硬件设计中，连接到模拟输入的输入信号线要尽可能远离数字电路信号线。为减少因数字信号的转换产生的耦合干扰，需要将ADC模块的电源输入同数字电源隔分开。2.4同步信号捕捉逆变电路回馈能量时所需SPWM控制信号，是与电网同步同频的脉宽调制信号。首先，将电网电流电
8、压信号通过滞回比拟电路，使信号在过零时刻产生与电网信号同步同频的正向脉冲，然后通过TMS320F2812DSP中的EVA或者EVB的捕捉单元将其正向脉冲进展捕捉。每一次正脉冲的捕捉，捕捉单元都会对内部时钟个数进展存储，前后两次时钟数存储结果之差值，即为电网信号的时钟周期数。因此，通过对电网信号的实时捕捉，可以使SPWM控制信号实时跟踪电网信号变化，其信号的同步性和周期性均等同于电网信号，进而到达了预期目的。2.5谐波成分及其滤除三相桥式逆变电路产生的SPWM逆变信号，在反应电网经过中存在一定的谐波成分。由于本设计采用了SPWM波的控制形式，所以三相电流逆变回馈电网时，谐波成分较少，不含有与调制
9、波r相关的低次谐波，也不含有三角载波c整数倍的频率谐波。其中含有的只是三角载波c倍频附近的高频谐波，其中幅值较高的有c2r、c2r、2cr、2cr，等等。这些高次谐波频率比基波频率高出很多，非常轻易滤除：假设滤波器设计成高通滤波，且按载波角频率来设计，并带有一定的带宽，那么三角载波c倍频附近的高频谐波c2r、c2r、2cr、2cr等就可予以滤除。3系统软件设计3.1系统的初始化系统初始化包括：系统控制初始化，GPIO、GPAMUX和GPBMUX初始化，制止系统总中断INTM=1和初始化PIE中断向量表，屏蔽CPU中断和中断标志，等等。3.2事件治理器的设置为了使事件治理器EVA或者EVB产生所
10、需的SPWM控制信号，需要对治理器的存放器进展如下配置：设置和装载ACTRx；设置和装载DBTCONx，使能死区功能；初始化CMPRx；设置和装载COMCONx；设置和装载T1CON对EVA或者T3CON对EVB；根据所需SPWM载波的周期设置TxPR；启动操纵。利用定时器周期中断，循环查询中断子程序，并用中断子程序中软件计算出来的SPWM脉冲宽度占空比及时更新比拟存放器的值CMPRx。3.3定时器周期存放器值TxPR确实定设电网正弦信号的周期数为T，每个正弦周期需要输出的SPWM脉冲调制波个数为N，CPU的指令周期数为TsTMS320F2812为6.67ns，时钟预分频数为M，当采用连续递增
11、计数形式时，周期存放器所需的值TxPR=T/NMTs；当采用连续递增/递减计数形式时，周期存放器所需的值TxPR=T/2NMTs。不过，由于本设计中采用了事件治理器中的捕捉单元，因此可以直接由捕捉单元堆栈中获得正弦信号的周期脉冲个数，设为X，假设每个正弦周期需要输出的SPWM脉冲调制波个数为N，那么周期存放器所需的值TxPR=X/N或者TxPR=X/2N。事件治理器捕捉单元的采用，可以让控制信号很好地实时跟踪电网信号频率的变化，以使所产生的SPWM信号的频率和电网信号的频率相等。3.4比拟存放器值CMPRx确实定根据规那么采样法原理，SPWM调制波的每个矩形波的宽度Tc1+aSint/2。其中
12、a为调制度，0图2主程序流程图3中断子程序流程4结论利用外围控制电路以及DSP芯片内部事件治理器ADC、捕捉等单元的处理，并通过CCS2000进展电路实时仿真，获得了满足的仿真图形和试验结果，本设计是成功的。本文创新点如下：1、采用TMS320F2812事件治理器产生SPWM控制波形，实现了伺服电机再生能量的反应控制，同时很好地防止了由于采用传统半控型晶闸管控制形式带来的谐波干扰，进步了能量回馈质量。在本设计中将滤波器设计成带有一定带宽载波角频率的高通滤波，回馈电能中少量的载波倍频附近的高频谐波，均能很好地予以滤除。2、通过事件治理器软件程序的编写，直接产生了用于控制IGBT的三相SPWM信号波形，省去了调制波、载波调制比拟等相关电路，简化了硬件电路的设计，节约了本钱和时间。参考文献：1电力电子技术/王兆安、黄俊主编.北京：机械工业出版社，20002TMS320F2812原理与开发/苏奎峰、吕强等编著.北京：电子工业出版社，20053基于单片机/CPLD调压电路的设计吴松岩，余松煜，管云峰.微计算机信息,2006,90