分布式电网动态电压恢复器模拟装置电子设计大赛

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摘要：本装置采用DC-AC及AC-DC-AC双重结构，前级采用功率因数校正（PFC）电路完成AC-DC变换，改善输入端电网电能质量。后级采用单相全桥逆变加变压器输出的拓扑结构，输出功率50W。整个系统以TI公司的浮点数字信号控制器TMS320F28335为控制电路核心，采用规则采样法和DSP片内ePWM模块功能实现SPWM波，采用DSP片内12位A/D对各模拟信号进行采集检测，简化了系统设计和成本。本装置具有良好的数字显示功能，采用CPLD自行设计驱动的4.3英寸彩色液晶TFT-LCD非常直观地完成了输出信号波形、频谱特性的在线实时显示，以及输入电压、电流、功率，输出电压、电流、功率，效率，频率，相位差，失真度参数的正确显示。本装置具有开机自检、输入电压欠压及输出过流保护，在过流、欠压故障排除后能自动恢复。

关键字：PFC，逆变，SPWM，锁相，DSP

系统方案

如图所示，本系统采用DC-AC及AC-DC-AC双重结构，两部分共用储能单元和能量接口，DVR的能量源从前级AC-DC或者外接储能元件取得。前级AC-DC采用功率因数校正电路实现，以消除谐波污染，节约能源，降低能耗。在系统电压正常的情况下，DVR装置处于后备状态，串联变压器不向系统注入电压，装置本身的功耗很低。在检测到系统发生电压问题时装置立即投入补偿量，系统电压恢复正常后，补偿量为零，装置再次处于后备状态。控制器TMS320F28335的ePWM模块用来产生SPWM信号；eCAP模块用来接收逆变后正弦信号的频率信息以及其和参考正弦信号之间的相位差；ADC模块用来采样系统各个环节所需的信号量；GPIO模块可以和LCD和按键接口实现人机。
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AC-DC方案

Boost PFC电路的控制模式分为：电感电流连续模式（CCM）、电感电流断续模式（DCM）和电感电流临界连续模式（CRM）。
断续电流模式（DCM）特点：导通时间保持为常数时电感电流的峰值与输入电压成正比。即输入电流波形自然跟踪输入电压波形，其波形图如图（3-4）所示，但开关管电流应力大。
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连续电流模式（CCM）特点：电流的纹波小，PFC的效果好，电磁干扰小，开关电流的应力小。适合大功率电路，但其控制策略比较复杂。有三种控制方法：峰值电流控制、滞环电流控制、平均电流控制。其中平均电流控制法的波形如图（2-3）所示。
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上述的三种PFC控制方法，其基本特点如表（2-1）所示。

故本设计采用平均电流的控制方法，达到较好PFC效果，开关频率恒定，减少电磁干扰。

DC-AC逆变方案

方案一：单相半桥逆变电路由一对桥臂以及一个带有中点的直流电源构成（如图2-4所示），在实际中，通常用一个直流电源与两个足够大的电容器串联代替带有中点的直流电源，其输出电压幅值为Ud/2，在输出工频电压时，电容的容量要取得大。
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方案二：单相桥式逆变电路是两个单相半桥逆变电路的组合，其电路如图3-2所示。桥式电路的输出波形与单相半桥的输出波形相同，谐波成分也相同，但是幅值增大了一倍。

方案三：采用D类功放芯片，可实现本题目要求的DC—AC驱动、变换及SPWM波，输出可以很好地跟踪电网电压UN，失真小，外围电路简单，只需按要求设计低通滤波器即可。此方案简单，但由于是内部集成，缺少灵活性，故放弃此方案。

经论证比较：单相半桥电路输出幅值低，直流利用率低，且需要很大的电容来保证电容电压的均衡与恒定，很难达到题目的要求，故采用方案二作为DC-AC主电路拓扑。

SPWM方案

方案一：采用分立元件搭建三角波产生电路，正弦波产生电路，通过比较器比较产生正弦脉宽调制信号，通过逆变电路，完成功率放大，实现逆变。
方案二：采用专用集成SPWM芯片产生SPWM信号，通过逆变电路，实现逆变。
方案三：采用软件产生SPWM信号，经逆变电路，实现逆变。

方案比较：方案一模块明确，分立元件成本低，但是电路设计复杂，并且不方便对逆变器的控制，调试时间长。方案二电路简单，易于控制，但是需要控制电路的设计，增加了系统的成本。方案三硬件少，功耗小，容易实现闭环控制和改善系统性能。

综合考虑成本及效率问题，本系统选用方案三。可以采用软件算法全数字化实现。规则采样法产生SPWM波，是由经过采样的正弦波与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。当然，这种经过采样的正弦波实际上是阶梯波，只在三角波的顶点位置或底点位置对正弦波进行采样，其原理如图2-6所示。由于阶梯波与三角波的交点所确定的脉冲宽度在一个采样周期Ts（Ts=Tt)内的位置是对称的，所以称为对称规则采样。
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TMS320F28335带有ePWM波形产生单元包含可编程死区控制，可输出非对称PWM波形、对称PWM波形或空间矢量PWM波形。具有可编程的死区控制性能，以防止桥式驱动主电路的上下桥臂短路。同时DSP还具有强大的运算能力，因此用DSP实现SPWM功能更强，编程更灵活，且有更快的运算速度。逆变框图如图2-7所示。
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关键算法

PFC控制方法

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在Boost PFC平均电流模式控制方案下，初始PFC控制PWM波形可由电路参数直接计算给出，实现系统启动时无电流内环PI调节，起到PFC系统的快速启动，也避免了启动时电流采样噪声干扰导致的系统不稳定。其中启动PFC控制PWM波形可由下式确定。
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即只需知道输入电压幅值，给定中间电压参考值，就可以计算出初始的PWM控制波形，此方法可以大幅减小PFC在启动时对电路的冲击。由于此方法在跟踪相位上略显不足，故在初始启动后，立即采样输入电流波形，加入电流闭环控制，实现相位的精确跟踪，以及进一步减小电流畸变。
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在加入电流闭环控制时，系统采用的是非实时控制，由于实时电流平均控制需要消耗大量CPU资源，而且在电流整流时，波形畸变率也较高。故本设计采用非实时控制，即采集前一个周期的电流波形，在采集的同时对控制PWM波形输出的影子数组进行修改，在紧接着的下个周期，将影子数组赋值给前端工作数组，将计算的PWM波形输出。虽然这种算法在系统响应上有所延时，但带来的电流波形的改善是相当可观的，可以有效消除平均电流的纹波。

PI控制器

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PI控制器的原理框图如1-7所示。PI控制算法采用增量式PI控制算法，它的目标输入量是输入电压Ud的幅值为30V时的AD输入，实际输入量是输入的电压Ud的AD输入，它们之间的相减得到偏差信号e（t），然后用PI算式（式2-4）得到控制量的偏差，最后将控制量转换为SPWM的控制数据，使整个系统成为一个闭环系统，实现对SPWM的控制。
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其中：表示控制量，k表示时间；表示两次控制量的偏差；表示目标输入和实际输入偏差，k表示时间；P表示比例系数；I表示积分系数。比例系数P加大，可以使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。P偏大，振荡次数加多，调节时间加长。P太大时，系统会趋于不稳定。P太小，又会使系统的动作缓慢。积分系数I使系统的稳定性下降，I小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。因此实际中根据具体的数据不断调节比例系数P和积分系数I，使系统达到要求的指标。

同频同相控制技术

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鉴相器模块可实现同频同相的控制。同频同相的控制方法如图3.3所示，鉴相器通过硬件电路将反馈信号uf和参考信号Uref的频率和相位信息通过矩形脉冲的形式反映出来，然后送往F28335的捕捉单元模块（ECAP），ECAP对上升沿和下降沿，以及上升沿到上升沿的时间进行计数，上升沿和下降沿的时间差就是Uf和Uref的相位差，上升沿到上升沿的时间就是uf的频率信息，然后通过软件不断的改变SPWM步长与累加器的数值，便可实现频率跟踪，通过对SPWM输出起始地址不断进行修正，实现相位跟踪。

滤波器参数计算(详见下载)

系统硬件设计

主电路及驱动(详见下载)

DSP处理器电路

TMS320F28335为基于业界首款浮点数字信号控制器（DSC），高性能静态CMOS技术，具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的增强型 PWM输出模块(EPWM)，具备150 ps MEP分辨率，6个事件捕捉输入，12位16通道ADC。其新型浮点控制器与 TI 前一代领先数字信号控制器相比，性能平均提高 50%，并与定点C28x控制器软件兼容。得益于其浮点运算单元，可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，简化了软件编程，缩短了开发周期。并且TI公司专用的集成开发环境CCS提供了对C语言很好的支持，其C编译器可以直接从C语言源程序生成高效简捷的汇编语言代码。

供电电源

TMS320F28335需要输入四路电源，分别是模拟电源3.3V及1.8V，数字电源3.3V和1.8V。各路电源输入电流在芯片全速工作时均不超过300mA。并且为了保证正常启动，必须等核心电压1.9V上电之后，再给3.3V的I/O口电压上电。

最小系统板只需要输入一路5V电源，通过电源管理芯片TPS55386来为处理器提供3.3V的I/O电压和1.9V的核电压。TPS55386是非同步整流的降压开关电源芯片，输入电压范围4.5V-28V，具有两路电压输出，最大输出电流3A，开关频率600kHz，2.1ms的软启动时间。可设置过流保护，配置两路输出电压的上电顺序。当SEQ接到BP时，1.9V核心电压先上电，再完成3.3V的I/O电压上电。保证了DSP的正常运行。

处理器上3.3V模拟电源由低压差电源芯片TLV1117提供，既降低了模拟电源的纹波，又相对提高了供电电源的效率，而1.8V模拟电源供电直接由数字电源滤波得到，简化设计。
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主处理器

主处理器TMS320F28335采用外部30MHz无源晶振作为时钟产生电路，并通过JTAG接口电路实现与仿真器的接口设计。所有GPIO和ADC输入引脚通过接插件引出，从而方便电路的设计和调试。GPIO和外部电路连接实现以下功能：EPWM产生、ADC采样、ECAP、LCD控制、按键扫描、以及GPIO中断处理等等。电路图见附录设计文档。

模拟信号调理电路

PFC输入交流电压信号调理电路

输入交流（电网侧）电压信号US经变压器电气隔离，再由电阻分压。采用差分放大器INA145取样中间电阻电压，降低地噪声影响。放大后送入DSP的12位AD采样。图3-3中的INA145是TI公司推出的一款高精度增益从1V/V-1000V/V可调的差分放大器，静态功耗570uA，共模抑制比（CMRR）86dB。参考端Ref可通过输入一个参考电压以抬高输出零点。参考电压由基准源TLV431产生。
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电感电流调理电路

PFC电路中需要采样升压电感上的电流信号IL，由一个20mΩ的电阻将电流转换为电压信号。再由电流检测放大器INA282将信号放大后经过有源滤波器送入DSP的12位AD采样。输入电流调理电路见图3-4。电流检测放大器INA282有着较宽的输入共模电压(-14V-80V)以及较低的失调电压（±20uV），其共模抑制比高达140dB，固定增益50V/V,有效带宽10kHz，满足采样需求。该芯片具有两个参考端（REF1及REF2），配置灵活。图中接法采用TLV431提供一个1.24V的参考电压，将输出零点抬高，以便DSP进行采样。
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PFC输入电压频率检测电路

将电网电压反馈信号变压器进行电气隔离，再经过过零比较及整形限幅得到方波信号，送入DSP捕捉模块中，计算出正弦电压的频率和相位。DSP的ECAP捕获模块只能对上升沿和下降沿信号进行响应，且对信号的幅值有严格的要求，高电平不能超过3.3V。因此，为了捕获输出正弦电压信号的相位和频率，需将其滤波并转换为0-3.3V的方波信号，而且要求过零翻转时避免振荡，以免造成CAP的误触发。
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其余详见下载

系统软件设计

系统软件设计采取模块化设计方法，将完成特定功能的子程序组合成功能模块，由主监控程序统一调用。系统软件包含的主要功能模块有：初始化模块，中断模块，按键模块和LCD模块。软件结构图如图3-1所示。
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初始化模块

初始化模块负责系统F28335、外设、以及PI控制的初始化操作。F28335的初始化包括系统初始化，GPIO初始化，PIE初始化，ECAP模块初始化，EPWM初始化及ADC初始化。
系统初始化模块中禁止了看门狗模块，并且配置了系统时钟，本系统中将F28335的系统时钟配置为100MHz，高速外设时钟配置为10MHz，没有使用低速外设时钟。使能ADC，EPWM，ECAP的时钟。GPIO初始化模块中，所用的I/O口根据系统的功能要求和连接将其配置为外设功能或GPIO。PIE模块初始化包括中断控制寄存器和中断向量表的初始化。外设初始化中包括EPWM，ECAP，timer0，ADC外设的初始化，以及用于人机交互的菜单初始化和用于PI控制的初始化。
外设模块是系统的主要部分，用于产生SPWM信号，捕捉正弦信号的频率和相位信息，采样外部信号，并提供整个系统的节拍。全局变量的初始化包括程序中所要使用的各种标志变量及参数的初始化。

中断模块

中断模块包含ECAP中断和Timer中断。timer0中断周期为100us，在中断中设各种时钟分频，为波形的频率、幅度、相位调整设置为周期20ms的中断，为键盘扫描程序设置为周期为100ms的中断等，并为前台程序的使用提供各种标志位。ECAP中断，用于频率跟踪，主要用于捕获跳变沿。

DMA模块

PWM程序中采用DDS算法实现SPWM的产生，SPWM的置数门限设置为8192，在系统时钟设置为100MHz的前提下，中断频率即SPWM开关频率为100M/8192=12.8kHz,中断内设置了大小为512000的dds累加器，所得频率稳定度为100M/8192/512000=0.238Hz,达到设计要求。为了释放系统计算资源，采用DMA模块直接控制PWM模块产生SPWM波形，其中用于频率跟踪的PWM模块与DMA模块共同实现混合调制算法。