基于DSP的谐波控制器设计与实现

徐志勇，王禹桥，杨　海

(中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州　221116)



基于DSP的谐波控制器设计与实现

徐志勇，王禹桥，杨海

(中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州221116)

摘要：针对变频器、伺服驱动器和其它非线性电力电子器件在数控机床和自动化领域的大量使用所引起的谐波问题，设计了一种简单、有效的基于DSP的谐波补偿控制器；该控制器采用基波电流分离法快速分离出基波电流信号和谐波电流信号，通过三角波比较PWM(Pulse Width Modulation)控制法实现补偿电流的跟踪控制。根据设计的控制器，给出了控制器的软硬件设计，加工出了基于DSP的实验控制板，并搭建了实验硬件系统，编写了软件程序，对补偿前后电流中的谐波含量进行了分析，实验结果表明谐波控制器投入补偿前THD(total harmonic distortion)为8.9%，投入补偿后THD为4.45%，谐波含量减少了50%，且各次谐波在补偿后与补偿前相比都大大减少。

关键词：谐波控制器；基波电流分离法；三角波比较法；PWM控制；DSP

0引言

随着电力电子技术的迅速发展，各种电力电子装置在数控机床、智能装配等自动化领域广泛使用，电网转换产生的谐波会对电力电子装置产生较大影响，且某些电力电子装置本身就是谐波源[1-2]。如电网中的谐波可以通过空气开关耦合到数控机床内部；数控机床内部的变频器和伺服驱动器主电路中均含有整流电路和逆变电路，而整流电路和逆变电路在工作时均会产生谐波[3]。谐波电流会使电机铁芯损耗明显增加；使继电保护和自动装置出现误动作[4]；还会造成仪表和传感器出现较大误差、给控制电路带来电磁干扰等。

传统的谐波治理方式是采用LC无源滤波[5]，主要是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路但其存在滤波特性受系统影响较大，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大；并且只能消除固定频率的谐波；以及材料消耗多、体积大等明显缺点。

针对以上问题，本文设计了一种基于DSP的简单、有效的谐波控制器，其原理是从补偿对象中检测出谐波电流信号，由补偿装置产生一个与谐波电流大小相等方向相反的补偿电流，从而使补偿对象中只含有基波分量[6-7]。该控制器采用基波电流分离法分离出基波信号和谐波信号[8]，通过三角波比较PWM方法控制IGBT关断[9]，产生补偿电流，进而实现谐波信号的补偿。与传统的LC无源滤波相比，可实现动态补偿；能补偿多种频率谐波；以及具有高度可控性、快速响应性、体积小、不产生谐振等优点。

1谐波检测与控制算法

根据前文所述，电力有源滤波器控制器的主要功能有两个：一是实时检测电流中的谐波信号；二是控制IGBT实现谐波电流补偿。本文设计的控制器在检测环节采用了基波电流分离法，在谐波电流补偿环节通过三角波比较PWM法进行控制。

1.1基波电流分离法

基波电流分离法通过实时检测补偿对象的电流和电压，经过数字算法实现基波和谐波的分离，所用数字法便于DSP编程实现，其原理如图1所示,被控对象电压经过锁相环(PLL)后得到与电压同频同相的基波信号，再由正余弦发生器产生单位正余弦信号，以此为电压参考信号。

图1　基波分离法原理图

设电压参考信号为us(t)=sin(wt),含有谐波的电流信号为iL(t)，根据傅立叶级数展开可得[10]：

(1)

式中Ip*为基波有功分量幅值，Iq*为基波无功分量幅值，ih(t)为谐波分量，ih(t)表达式为：

(2)

将式(1)两端同时乘以sin(wt)可得：

(3)

(4)

1.2三角波比较PWM控制法

三角波比较PWM电流控制方法的原理图如图2 所示。该方法通过闭环来进行控制，将补偿谐波电流信号ic*与实际补偿电流ic进行比较，求出偏差电流，通过放大器A后得到调制波μm，μm和高频三角波进行比较，产生PWM波形作为IGBT的控制信号。放大器A往往采用比例放大器或比例积分放大器，三角波频率为IGBT的开关频率。

图2　三角波比较PWM控制法原理图

2控制器软硬件设计

2.1控制器硬件设计

该控制器硬件部分以TI的TMS320F2812型DSP为核心，主要完成对被控对象电压电流的实时准确检测、补偿电流的精确控制。其结构框图如图3所示，整个硬件系统由电源管理模块、信号调理模块、模数转换模块、数字信号处理模块、谐波电流补偿模块组成。

图3　硬件系统总体框图

电源管理模块主要实现对其余各模块的供电管理，需产生3.3V、5V、±12V和4路相互独立的15V直流电源；信号调理模块实现对被控对象进线电压电流信号的转换，将进线大电压、大电流信号转换经电压互感器、电流互感器转换为微小信号，再经仪表放大器放大转换为AD可测量信号；AD转换模块考虑到DSP2812内部AD为12位，精度不足问题，采用外部扩展AD，选用ADI公司的16位AD7606型模数转换器以提高采样精度；数字信号处理模块采用TI公司的TMS320F2812型DSP，内部具有硬件乘法器，高速数字信号处理能力能够满足谐波补偿的实时性需求；谐波电流补偿模块采用了富士的IPM模块代替传统的IGBT模块与驱动电路相结合的方式，使元器件数量大大减少、占用体积小，运行可靠度高。

2.2控制器软件设计

软件设计的核心是从采样的电流信号中将基波电流信号和谐波电流信号分离，根据谐波电流信号和谐波补偿电流信号的差值计算调整输出PWM的占空比以实现谐波电流补偿跟踪，达到谐波补偿的目的，其程序流程图如图4所示。

图4　系统软件流程图

(1)系统初始化主要完成系统时钟配置、管脚功能配置、外设中断初始化、PIE中断初始化和CPU中断初始化。完成初始化后，中断开启，然后DSP空闲，进入循环等待；

(2)定时器设置为增减计数，计数周期为100μs，周期中断启动AD采样，则采样频率为10kHz，下溢中断更新PWM占空比。循环等待至定时器周期中断时可启动AD采样；

(3)AD采样转换完成后输出一个下降沿用于表示采样转换结束，此信号用于触发DSP外部中断，读取AD转换数据；

(4)将AD采样数据转换为对应电压电流值后按照图1、图2所示流程分离被控对象电流中谐波信号和基波信号，由谐波信号和补偿电流信号计算输出占空比，然后等待下溢中断更新占空比(下溢中断只用于更新占空比，不触发中断)；

(5)由于DSP2812为定点型数字信号处理器，所以在处理浮点运算时耗费时间和占用空间较大，为了解决这一问题，软件设计部分采用IQ定标法，将浮点运算转换为定点运算以提高精度和减少耗时；图1中与电压同相的正余弦利用查表方法实现，每采样一次进行一次查表、当查询至表尾时复位正余弦表；图1中的LPF(低通滤波器)采用数字滤波法。常用的数字滤波器有FIR型和IIR型，与IIR相比FIR数字滤波器在设计同样参数的滤波器时所需阶数较高，一般比IIR滤波器高5～10倍，使得信号延时较长，考虑到系统的实时型，选择采用IIR数字滤波器。IIR数字低通滤波器参数使用matlab中的fdatool工具箱设计完成，采用ChebysheI型二阶IIR数字低通滤波器，通带截止频率20Hz，通带波纹度0.1dB。

3实验分析

为了验证本文所设计的谐波控制器对谐波补偿的有效性，通过单相整流桥带阻感负载模拟谐波源，使用ISDS210B型示波器对补偿前和补偿后电流进行了采样分析，采样频率为10kHz。将采集的数据利用matlab进行FFT(FastFourierTransformation)变换，取其前21次主要谐波成分进行分析,各次谐波电流值补偿前后大小如图5所示，从图中可以看出，虽然13、21次谐波电流值补偿前后大小约相等，且15次谐波补偿后略大于补偿前，但3、5、7、11、17、19次谐波补偿后比补偿产前明显减少。

图5　负载电流

各次谐波含有率(谐波电流大小与基波电流大小的百分比)如图6所示,从图中可以看出，19、21次谐波含量很小，几乎可以忽略；13、15次谐波补偿后含有率略大于补偿前；3、5、7、9、11、17次谐波补偿后含有率明显小于补偿前，各次含有率下降了一半左右。

图6　各次谐波含有率

根据THD(总谐波失真)定义为电流中的各次谐波分量Ih的平方和的开放值，与基波电流I1之比，再换算成为百分数，即：

(5)

对采集数据分析计算得补偿前总谐波失真为8.9%，补偿后总谐波失真为4.45%，谐波含量减少了50%，由此可验证本文所设计的谐波控制器能够很好的抑制谐波，降低电流中的谐波含量。

4结束语

针对非线性电力电子器件在数控机床、智能装配等自动化领域广泛使用所带来的谐波问题，设计实现了一种基于DSP的谐波控制器。分析了谐波检测和补偿算法，给出了控制器的软硬件设计，并使用单相整流桥带阻感负载模拟谐波源进行了实验分析。谐波控制器投入补偿后，谐波源所引起的总谐

波失真降低了50%，大大减少了负载电流中的谐波含有率。本文设计的谐波控制器相对于传统的无源滤波法，响应速度快、补偿精度高、受工况环境影响小、可补偿多次谐波等，在抑制谐波电流和APF(有源电力滤波器)的应用具有一定的指导意义。

[参考文献]

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[3] 李永,林明星,张承瑞.超磁致伸缩致动器功率驱动装置的谐波分析及抑制[J].组合机床与自动化加工技术,2012(9):1-5.

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[5] 宋琦.并联型有源滤波及无功补偿的研究[D].武汉:华中科技大学,2005.

[6] 姜齐荣.有源电力滤波器：结构·原理·控制[M].北京:科学出版社,2005.

[7] 王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2006.

[8] 李自成,孙玉坤,黄振跃.基于单相电路瞬时功率理论的有源电力滤波器谐波电流实时检测方法[J].低压电器,2009(1):43-46.

[9] 张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2003.

[10] 李自成,刘国海.C语言和MATLAB程序设计在电力谐波电流检测方法仿真中的应用[M].北京:科学出版社,2014.

(编辑李秀敏)

文章编号：1001-2265(2016)07-0060-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.017

收稿日期：2016-01-20;修回日期：2016-02-21

*基金项目：国家高新技术研究发展计划(863)资助项目(2013AA06A411)

作者简介：徐志勇(1990—)，男，河南许昌人，中国矿业大学研究生，研究方向为机电系统智能检测与控制，(E-mail)cumt_xzy@126.com。

中图分类号：TH162；TG506

文献标识码：A

Design and Implementation for Harmonics Suppression Controller Based on DSP

XU Zhi-yong，WANG Yu-qiao，YANG Hai

(SchoolofMechatronicEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,XuzhouJiangsu221116,China)

Abstract：As the problems of harmonics caused by the widely used of inverter,AC servo driver and other nonlinear power electronic devices in the field of numerical control machine and automation,this paper design a simple and effective harmonics suppression controller.This harmonics suppression controller can realize the current tracking control using fundamental wave current separation method to separate the fundamental wave current signal and harmonic current signals and triangle wave comparison PWM control method.According to the design of the harmonics suppression controller,this paper gives the design of hardware and software.The experimental control panel based on DSP and the experimental hardware system were conduct. And the software program was written.The harmonics content was analyzed before and after the use of the harmonics suppression controller.The experimental result indicates that THD(total harmonic distortion) is 8.9% before using the harmonics suppression controller,THD is 4.45% after using the harmonics suppression controller,harmonic content decreased by 50%.And compare to before using the harmonics suppression controller,every harmonic are greatly reduced after using the harmonics suppression controller.

Key words：harmonics suppression controller;fundamental wave current separation method;triangle wave comparison method;PWM control;DSP