基于TMS320F28377D的單相PWM整流器控制系統設計

四川工程職業技術學院電氣信息工程系 楊曉艷 施蕓

相比于傳統的二極管、可控硅整流器，單相脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation, PWM)整流器具有高功率因素、低電流諧波、能量雙向流動等優點，已廣泛用于新能源[1-2]、不間斷供電電源(Uninterrupted Power Supply, UPS)[3-4]、電力機車牽引系統[5]等工業領域。高性能單相PWM整流器控制存在采樣、數據處理、電壓/電流環控制、占空比更新等多重任務，采用雙核DSP架構的微處理器可并行執行代碼，從而可將控制任務進行分解處理，以減小系統的控制時延，提高系統的控制精度[6]。雙核架構微處理器TMS320F28377D在混合脈寬調制[7]、絕對值光電編碼[8]等方面已有應用，可有效提高程序的運行效率。本文以TMS320F28377D為核心，實現已廣泛應用于單相兩電平PWM整流器的基于PI的直接電流控制(PI-based Direct Current Control, PI-based DCC)算法，以期提升程序執行效率，減小控制時延。

1 TMS320F28377D簡介

相比于單核浮點DSP架構的TMS320F28335微控制器，雙核TMS320F28377D微控制在單相PWM整流器控制方面具備的主要優勢如下：

（1）集成了兩個具備200MHz的信號處理能力32位浮點DSP核心。單核性能相比于150MHz信號處理能力的TMS320F28335，處理能力提升33%左右。兩個內核之間通過內部處理器通信(Inter-processor Communication)模塊實現信息交換。

（2）在集成單精度浮點單元((Floating-point Unit,FPU))的基礎上，增加了三角法數學單元(Trigonometric Math Unit,TMU)及Viterbi/復雜數學單元(Viterbi/Complex Math Unit, VCU-II)，可讓三角運算和復雜數學運算更為快捷。

（3）每個內核均具備可編程控制律加速器(Control Law Accelerator, CLA)，也稱為實時控制協處理器。CLA的運行速度與主CPU相同，可與主CPU并行執行代碼。

（4）集成4個ADC模數轉換器((Analog-to-digital Converter,ADC))可單獨設置為16位或12位模式。其中，16位模式可支持12個外部差分輸入通道，12位模式可支持24個外部單端輸入通道。

2 硬件控制電路結構

2.1 單相兩電平PWM整流器拓撲結構

單相兩電平PWM整流器及其控制回路的拓撲結構，如圖1所示。圖中，R和L分別表示交流側等效電阻和等效電感。RL為直流側等效負載，與其并聯的是直流濾波電容Cd。四支功率開關管S1-S4用于在橋臂a和b上產生兩電平電壓。整流器的交流側電壓、電流及直流側電壓通過電壓/電流傳感器采集，經過調理電路處理后輸入微控制器。經過微控制器的處理和計算后輸出4路PWM脈沖信號分別控制功率開關管S1-S4。

圖1 單相兩電平PWM整流器的拓撲結構Fig.1 Topology of single-phase two-level PWM rectifier

2.2 控制系統電路結構

基于TMS320F28377D的單相兩電平PWM整流器硬件控制電路的結構框圖如圖2所示，主要由電源供電、信號調理、PWM驅動、故障處理等幾部分電路構成。

圖2 基于TMS320F28377D的硬件控制電路結構Fig.2 Structure of control circuit based on TMS320F28377D

PWM整流器器的控制與驅動電路之間需要實現電氣隔離，供電電路先采用開關電源輸出24V直流電壓，然后通過隔離型DC-DC模塊將24V直流電壓變換為各個電路模塊所需的直流電壓。其中，DC3.3V是微控制器((Input-output,IO))端口及外圍電路的電源；DC1.2V是微控制器CPU核心電源；DC±9V是采樣信號調理電路所用運放的電源；DC15V及DC-9V為PWM驅動電路電源。

信號采樣電路對整流器交流側電壓、電流及直流側電壓進行采樣。TMS320F28377D的ADC模塊輸入電壓范圍為0～3V，與PWM整流器功率回路所需要采樣信號的幅值變化相差很大。通過電壓、電流傳感器將所需采樣信號進行比例縮小，然后輸入調理電路。調理電路是由運放構建的比例放大器，進行信號幅值的小范圍調整，最后輸入至ADC模塊。對于交流側電壓、電流采樣通道，由于采樣信號為交流信號，在調理電路中需要增加同相加法器，疊加一個直流電壓后讓輸入的采樣電壓符合要求。

TMS320F28377D的PWM模塊輸出脈沖信號為3.3V電平標準，PWM驅動電路將其轉化為可驅動功率開關的脈沖信號。常用的集成驅動芯片如EXB841、MC33153等，都具備電氣隔離，過流、過壓、欠壓等保護功能，其故障輸出端口接入TMS320F28377D的數字IO端口，可實現故障的實時響應及處理。

其他外圍電路主要包括微處理器的時鐘、JTAG調試端口、RAM/ROM存儲器擴展、按鍵輸入、顯示輸出等電路模塊，可確保控制電路系統能夠正常調試與運行。

3 控制算法的實現

3.1 算法的控制框圖介紹

單相PWM整流器的PI-based DCC算法具備較好的魯棒性，能實現零穩態誤差，在實際中應用廣泛。PI-based DCC算法的控制框圖，如圖3所示。其中，udc、udcref分別是直流側電壓及參考電壓；us、is分別是交流側電壓、電流；ω是us的角頻率；usα/usβ、isα/isβ分別是us、is的α-β分量；usd/usq、isd/isq分別是us、is的d-q分量。idref、iqref分別是電流環參考電流的d-q軸分量。

圖3 PI-based DCC算法的控制框圖Fig. 3 Control diagram of PI-based DCC

圖3中，電壓外環采用1個PI控制器實現直流側電壓調整。電流內環首先利用鎖相環(Phase Lock Loop, PLL)獲取us的角頻率ω，再經過廣義二階積分(Generalized Second-order Integral,SOGI)獲取us、is的正交分量usα/usβ、isα/isβ，然后通過αβ-dq變換轉換得到交流側電壓、電流的d-q軸分量usd/usq、isd/isq。通過兩個PI控制器分別對isd、isq進行調整，實現零穩態誤差控制。計算獲得的調制信號的d-q軸分量通過dq-αβ變換得到調制信號uab,將其輸入EPWM模塊后，獲得輸出的PWM調制脈沖。

3.2 算法的任務分配及實現

PI-based DCC算法的涉及的主要任務包括：信號采樣及濾波，電壓外環控制及電流內環控制等模塊。其中，電流內環控制包括PLL、SOGI、αβ-dq及dq-αβ變換、PI控制等子任務。在單核微處理器中，所有任務需要按照優先級別順序處理。同時，還需要考慮人機接口等附加任務的影響。采用雙核微控制器TMS320F28377D編程時，可將任務進行合理分配，優化程序執行流程。

單相PWM整流器運行在高開關頻率狀態下，小功率PWM整流器開關頻率可高達100kHz，大功率PWM整流器開關頻率一般高于1kHz，電流內環的控制頻率常取開關頻率的整數倍。電壓外環輸出信號用作電流內環參考信號的幅值，在穩態下是一個直流信號,因此電壓外環的控制頻率及PLL的處理頻率可以低于電流內環的控制頻率。根據采樣定律并考慮工程實際，電壓外環和PLL的控制頻率取交流側電壓頻率的5～10倍。根據上述分析，可將電壓外環、PLL、人機接口、故障處理等任務交給一個CPU內核處理，另一個內核專注于電流內環，輸出PWM脈沖。基于雙核微控制器TMS320F28377D實現PI-based DCC算法的任務分配如圖4所示。

圖4 基于TMS320F28377D實現PI-based DCC算法的任務分配Fig.4 Diagram of task allocation for PI-based DCC based on TMS320F28377D

圖4中，內核CPU1主要負責電壓外環PI控制，PLL輸出交流側電壓角度計算，故障信息處理，人機接口交互等。其中，PLL計算、電壓環PI控制交由CLA1處理，這樣可以消除其他任務對控制算法執行的影響。內核CPU2主要電流內環控制算法實現，包括利用SOGI、αβ-dq和dq-αβ變換、d-q軸PI控制、PWM調制輸出等。其中，交流側電流的αβ-dq變換及q軸PI控制交由CLA2并行處理。在內核CPU1與CPU2之間會涉及的信號采樣值、交流電壓角度、參考電流值、系統狀態等信息，這些通過IPC模塊實現信息交互。

程序流程圖，如圖5所示。

圖5 基于TMS320F28377D實現PI-based DCC算法的程序流程圖Fig. 5 Flowchart of PI-based DCC based on TMS320F28377D

3.3 實驗結果

為了驗證雙核微控制器性能的優越性，將PI-based DCC算法分別在TMS320F28377D及TMS320F28355微處理器中實現，并連接dSPACE半實物仿真系統進行對比驗證。為了讓實驗結果具備可比性，TMS320F28377D和TMS320F28355的核心運行頻率統一設置為150MHz。實驗結果表明：TMS320F28355微控制器單次執行控制算法耗時約22.3μs，TMS320F28377D微控制器耗時約為17.9μs，PWM整流器的控制時延減小約19.7%。

4 結語

本文研究了基于雙核DSP架構的TMS320F28377D的單相PWM整流器的數字化實現方法，給出了控制硬件電路結構，利用雙核架構微控制器的并行運行特性，對控制算法的電壓外環和電流內環控制任務進行了合理分配和優化。通過半實物仿真平臺對單核TMS320F28355和雙核TMS320F28377D的執行效率進行了對比，實驗結果表明，TMS320F28377D能有效提高程序的執行效率，減小單相PWM整流器的控制時延。