葉宗彬， 陶夢江， 陳治國， 鄧先明， 于東升

（1.中國礦業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.國網(wǎng)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(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及建立創(chuàng)新型國家的迫切需要，我國對(duì)工程技術(shù)人才的能力要求變得越來越高。如何培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)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(yǎng)計(jì)劃”［1-2］。

許多院校積極響應(yīng)并執(zhí)行該計(jì)劃，引入項(xiàng)目教學(xué)法，在實(shí)踐性較強(qiáng)的課程教學(xué)中實(shí)施實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)改革，取得了一定的效果。Diao［3］在《電力電子技術(shù)》的教學(xué)中，通過6 個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐，對(duì)學(xué)生進(jìn)行階段性和總體評(píng)價(jià)，提升學(xué)生動(dòng)手能力，教學(xué)效果較好。吳勇等［4］針對(duì)《DSP技術(shù)及應(yīng)用課程》進(jìn)行改革，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)一套直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，采用小組合作，方案設(shè)計(jì)及后期調(diào)試、答辯的形式，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。唐加能［5］將“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法”引入《信號(hào)與系統(tǒng)》，以濾波器設(shè)計(jì)項(xiàng)目，強(qiáng)化學(xué)生資料收集、Matkab 仿真及電路搭建和調(diào)試的能力，通過該方法，學(xué)生的編程設(shè)計(jì)能力有了長足的進(jìn)步。

《DSP技術(shù)及應(yīng)用》作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是當(dāng)前工業(yè)界廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)的技術(shù)，需要大量實(shí)踐，形成理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力以及創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。

開發(fā)以TMS320F28335 作為核心芯片的DSP“口袋實(shí)驗(yàn)室”，方便學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提升其工程實(shí)踐創(chuàng)新能力。

1 DSP“口袋實(shí)驗(yàn)室”方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思想

本文設(shè)計(jì)的DSP“口袋實(shí)驗(yàn)室”重點(diǎn)在于便攜。通過將仿真器進(jìn)行整合，可實(shí)現(xiàn)僅通過一根USB 線即可進(jìn)行聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)、調(diào)試；良好設(shè)計(jì)擴(kuò)展接口，提供低壓三相兩電平逆變器擴(kuò)展模塊，支持三相逆變綜合實(shí)驗(yàn)，通過軟、硬件配合，實(shí)現(xiàn)低成本的三相電流重構(gòu)，強(qiáng)化學(xué)生工程實(shí)踐創(chuàng)新意識(shí)。

1.2 方案設(shè)計(jì)

DSP“口袋實(shí)驗(yàn)室”方案如圖1 所示。方案以TMS320F28335 為核心，摒除市面上開發(fā)板多余功能，保留課程教授所需功能，如電源、GPIO（撥碼開關(guān)輸入及LED輸出）、JTAG、時(shí)鐘、SPI（用于擴(kuò)展D/A功能）、PWM和A/D調(diào)理等電路以進(jìn)行兩電平逆變器控制實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展接口等。

圖1 DSP“口袋實(shí)驗(yàn)室”方案框圖

2 主要電路設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

DSP“口袋實(shí)驗(yàn)室”電源部分，輸入為micro-USB接口，接入可恢復(fù)保險(xiǎn)絲提供必要的保護(hù)，采用2 個(gè)LDO將輸入的5 V電壓轉(zhuǎn)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(guān)、LED以及相應(yīng)的觀察探針提供了數(shù)字量輸入、輸出接口及顯示功能，滿足I/O 實(shí)驗(yàn)、中斷實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(diào)試，該模塊提供低速仿真數(shù)據(jù)交換，滿足學(xué)生實(shí)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(diào)理電路

A/D調(diào)理電路的作用，主要負(fù)責(zé)將外部傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、電平移動(dòng)，將經(jīng)過調(diào)理之后的信號(hào)輸入TMS320F28335 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。以A 相電流信號(hào)為例，對(duì)應(yīng)的A/D調(diào)理電路如圖5 所示。

圖5 AD調(diào)理電路圖

2.5 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路的作用，將DSP 的PWM 信號(hào)經(jīng)過半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2101S 進(jìn)行電平移動(dòng)、緩沖后加至功率器件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器件的導(dǎo)通、關(guān)斷控制。以A 相橋臂的PWM信號(hào)為例，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路如圖6 所示。電路中的MC33063 構(gòu)成的電路負(fù)責(zé)將5 V 變換成15 V，供驅(qū)動(dòng)電路使用。

圖6 驅(qū)動(dòng)電路圖

2.6 兩電平逆變器擴(kuò)展電路

兩電平逆變器擴(kuò)展板主要是方便學(xué)生進(jìn)行一些綜合性較高的實(shí)驗(yàn)，如三相逆變器的PWM 實(shí)驗(yàn)、電流重構(gòu)實(shí)驗(yàn)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)等。擴(kuò)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(yù)留采樣電阻（R1～R3），以進(jìn)行3 電阻、2 電阻電流重構(gòu)方案的驗(yàn)證。此外，R1～R3電阻的下端留置有R4采樣電阻，可方便進(jìn)行單電阻采樣技術(shù)方案的驗(yàn)證。對(duì)應(yīng)的電路如圖7 所示。

圖7 兩電平逆變器擴(kuò)展板電路圖

需要注意的是，當(dāng)驗(yàn)證3 電阻、2 電阻電流重構(gòu)方案時(shí)，不使用的R4需要進(jìn)行短接，使用單電阻電流重構(gòu)方案時(shí)，需要將R1～R3進(jìn)行短接。

本文設(shè)計(jì)的控制板實(shí)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(shí)驗(yàn)室”控制板

3 基于工程實(shí)踐創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)

3.1 電流重構(gòu)策略應(yīng)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(jié)構(gòu)。為驅(qū)動(dòng)被控交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速，三相電流的采集是必不可少的［6］。傳統(tǒng)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(cè)。該方案的優(yōu)點(diǎn)是采樣是隔離的，且可連續(xù)采集輸出電流。其缺點(diǎn)是價(jià)格較為昂貴，對(duì)于成本敏感的場合不適用，且對(duì)橋臂直通短路無法進(jìn)行保護(hù)。為減少故障點(diǎn)，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(duì)三相電流進(jìn)行重構(gòu)，且重構(gòu)時(shí)不同方案存在不同的重構(gòu)盲區(qū)［8-10］。為減小電流重構(gòu)盲區(qū)，獲得高質(zhì)量的電流，學(xué)者們采用了新開關(guān)狀態(tài)相移［11］、測量脈沖插入法［12-14］、多個(gè)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(duì)幾種低成本電流采集方案進(jìn)行分析研究，并結(jié)合DSP的A/D特點(diǎn)，進(jìn)行軟、硬件設(shè)計(jì)，在提升電流采集性價(jià)比的同時(shí)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(shù)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(gòu)策略

在三相逆變器的3 個(gè)橋臂串入3 個(gè)采樣電阻（見圖7 中的R1～R3）。當(dāng)逆變器運(yùn)行，三相的下管導(dǎo)通時(shí)，電阻兩端的電壓與流過電流成線性關(guān)系。如果逆變器采用7 段式SVPWM（見圖9），設(shè)置A/D 采樣的合理啟動(dòng)時(shí)刻點(diǎn)，即可完成對(duì)三相交流電流的采樣。

圖9 3電阻采樣方案A/D轉(zhuǎn)換開始時(shí)刻示意

TMS320F28335 的A/D可由EPWM 模塊的多個(gè)事件啟動(dòng)。對(duì)于3 電阻采樣方案，由圖9 可知，可由三相EPWM模塊的增計(jì)數(shù)匹配比較、計(jì)數(shù)周期、減計(jì)數(shù)匹配比較等事件啟動(dòng)A/D，完成對(duì)3 個(gè)采樣電阻的端電壓采集并轉(zhuǎn)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(yùn)行，需選取盡可能小且阻值一致的3 個(gè)采樣電阻。通常情況下，采用mΩ級(jí)精密功率電阻。

3.3 兩電阻電流采樣重構(gòu)策略

由上一節(jié)分析可知，通過3 個(gè)共地的采樣電阻即可實(shí)現(xiàn)對(duì)三相交流電流的采樣。對(duì)三相對(duì)稱電路，存在三相相電流代數(shù)和為零的約束條件，所以實(shí)際只需要采樣兩相電流，通過計(jì)算即可獲取三相電流值。僅使用3 個(gè)采樣電阻中的兩個(gè)即可，以進(jìn)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(jìn)的單電阻電流采樣重構(gòu)策略

由前述小節(jié)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(tǒng)由引入采樣電阻造成的損耗也越大，同時(shí)成本也上升。如果多個(gè)采樣電阻之間一致性差，導(dǎo)致采樣偏差變大。如果能繼續(xù)減少電阻，將進(jìn)一步提高系統(tǒng)整體性價(jià)比。

采用單電阻采樣，則將采樣電阻R4串接在直流母線負(fù)且與三相下橋臂公共點(diǎn)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(guān)狀態(tài)為例，2 電平逆變器工作于100 開關(guān)狀態(tài)下，即：A相上管Q1導(dǎo)通，下管Q2關(guān)斷，B相上管Q3關(guān)斷，下管Q4導(dǎo)通，C相上管Q5關(guān)斷，下管Q6導(dǎo)通。在此狀態(tài)下，流過采樣電阻R4的直流電流idc實(shí)際為A相電流iA。

當(dāng)采用7 段式SVPWM，且參考電壓空間矢量處于第一扇區(qū)時(shí)，生成的三相PWM波形如圖11 所示。采用與上述相同的開關(guān)狀態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，100、1102 個(gè)開關(guān)狀態(tài)下，流過R4的直流電流分別為iA及-iC。通常開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于逆變器輸出的基波頻率，此時(shí)可為同一開關(guān)周期內(nèi)三相電流值為常數(shù)，故可由采樣獲得的2 相電流值計(jì)算得到第3 相電流iC，完成三相交流電流采樣。

圖11 一扇區(qū)單電阻采樣方案電流對(duì)應(yīng)關(guān)系

為獲得三相電流值，需要利用A、B相EPWM模塊的增計(jì)數(shù)比較匹配事件啟動(dòng)A/D進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換，得到正確的電流值。

采用同樣的方式，對(duì)其余開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行分析，可得不同開關(guān)狀態(tài)與采樣得到的電流對(duì)應(yīng)關(guān)系，見表1。

表1 直流母線電流與電動(dòng)機(jī)相電流的關(guān)系

由于A/D采樣及轉(zhuǎn)換，開關(guān)器件導(dǎo)通、電流穩(wěn)定等需要額外時(shí)間，且存在死區(qū)，單電阻采樣方案電流重構(gòu)存在電流無法重構(gòu)的盲區(qū)。以圖10 所示的開關(guān)狀態(tài)切換為例，當(dāng)T1、T2時(shí)間過短時(shí)，無法正確采樣獲得三相電流，電流重構(gòu)盲區(qū)主要有兩種：低調(diào)制度盲區(qū)以及扇區(qū)切換盲區(qū)，如圖12 所示。

圖12 單電阻采樣方案電流重構(gòu)盲區(qū)

為減小電流重構(gòu)盲區(qū)，可利用TMS320F28335 的EPWM模塊產(chǎn)生的周期中斷，在周期中斷中更新減計(jì)數(shù)比較值，調(diào)整PWM 脈沖。即將作用時(shí)間較短的有效矢量作用時(shí)間集中，調(diào)整方式如圖13 所示。

圖13 調(diào)整PWM脈沖減小電流重構(gòu)盲區(qū)

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

4 電流重構(gòu)算法仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證DSP口袋實(shí)驗(yàn)室及單相電流重構(gòu)算法的有效性，采用口袋實(shí)驗(yàn)室及擴(kuò)展電路板進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。三相逆變器帶阻感負(fù)載，進(jìn)行仿真及驗(yàn)證。Simulink中搭建的仿真與硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)相同，見表2。實(shí)驗(yàn)中，重構(gòu)電流及扇區(qū)號(hào)采用D/A 輸出，方便采用示波器進(jìn)行觀察。

表2 單電阻電流重構(gòu)仿真與實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖14、15 分別為單電阻采樣，未進(jìn)行觀測盲區(qū)處理時(shí)的仿真與實(shí)驗(yàn)波形圖。由波形明顯可見，在扇區(qū)切換位置，進(jìn)入電流觀測盲區(qū)，此時(shí)三相電流觀測產(chǎn)生錯(cuò)誤，出現(xiàn)了異常的跳變。

圖14 單電阻電流重構(gòu)仿真波形（未調(diào)整PWM脈沖）

圖15 單電阻電流重構(gòu)實(shí)驗(yàn)波形（未調(diào)整PWM脈沖）

圖16、17 分別為采用單電阻采樣，對(duì)盲區(qū)進(jìn)行了處理的仿真與實(shí)驗(yàn)波形圖。由波形可見，經(jīng)過PWM脈沖調(diào)整后，三相電流觀測盲區(qū)變窄，重構(gòu)電流波形更接近實(shí)際電流，畸變較小，證實(shí)單電阻采樣方案的有效性。如果要用于電動(dòng)機(jī)變頻控制等場合，僅需將重構(gòu)電流通過一個(gè)低通濾波器，盲區(qū)所致的畸變電流即可被平滑，對(duì)控制效果的影響進(jìn)一步降低。由于進(jìn)行了PWM脈沖調(diào)整，所以電流出現(xiàn)了波動(dòng)，實(shí)驗(yàn)中為凸顯重構(gòu)盲區(qū)的效果，采用的死區(qū)時(shí)間是2 μs，對(duì)于低壓小功率應(yīng)用，死區(qū)時(shí)間小于此值，且負(fù)載電感也比仿真中要更大，由PWM脈沖調(diào)整引起的電流波動(dòng)會(huì)更小。

圖16 單電阻電流重構(gòu)仿真波形（調(diào)整PWM脈沖）

圖17 單電阻電流重構(gòu)實(shí)驗(yàn)波形（調(diào)整PWM脈沖）

5 結(jié)語

傳統(tǒng)DSP 實(shí)驗(yàn)箱體積大，攜帶不便，受實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)及場地的限制，學(xué)生難以將所學(xué)迅速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)練習(xí)，影響學(xué)習(xí)效果。本文設(shè)計(jì)一款便攜，且易于擴(kuò)展的DSP口袋實(shí)驗(yàn)室，將仿真器整合在電路板上，便于學(xué)生攜帶及開展實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了由淺到深的三相電流重構(gòu)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)DSP外設(shè)功能在實(shí)際使用中的軟、硬件結(jié)合形成的高性價(jià)比實(shí)施案例。同時(shí)，采用所提PWM脈沖調(diào)整法，可極大地減小單電阻采樣的電流重構(gòu)盲區(qū)以獲得更好的重構(gòu)效果。所述方案可用于各種成本敏感的逆變器場合。