DSP数字控制的电流源型整流器实验装置研制

郭 强，黄勇军，杨 奕，何黎鹏

（重庆理工大学重庆市能源互联网工程技术研究中心，重庆 400054）

0 引言

电力电子技术是电气工程专业一门重要的专业必修基础课程，除了介绍课程相关理论知识外更需要通过设计相关教学实验，做到理论与实践相结合，以此来加强对学生动手实践创新能力培养［1］。但许多高校鉴于客观条件限制，用于电力电子实验教学的装置研发还是较少，导致在教学过程中往往侧重理论分析和仿真验证，缺乏实践。在吸收其他高校课程教学经验的基础上［2-3］，本文研制了基于DSP 数字控制的电流源型整流器（Current Source Rectifier，CSR）实验装置，旨在践行以学生为本的教学理念，弥补以往教学存在的缺憾。相较于电压源型整流器［4-5］，CSR 在启动时网侧电流冲击较小，且直流侧可降压运行［6-8］，整个实验过程安全性更好。

实验装置采用Matlab／Simulink 代码生成技术可将控制算法快速生成控制代码［9］，无须进行编程，减轻了实验复杂性；配置好软硬件环境后，利用CCS 软件可一键将生成的控制代码下载到DSP28335 控制器中［10］，配合采样及驱动电路实现对CSR 实验装置的控制。通过示波器和功率分析仪等设备可以实时观察实验装置的运行情况，方便学生更好地理解运行及控制机理。该实验装置已经实际应用于电力电子技术的教学实践中，可以验证整流器在不同控制策略时的运行状况，同时还可以为新型算法的实验验证提供帮助；此外该装置还可为电子设计大赛等学科竞赛提供服务。

1 实验装置设计

1.1 整体设计方案

基于DSP数字控制的CSR 实验装置整体设计方案如图1 所示。实验装置主要由可编程电源、CSR、负载、PC端四部分组成。为进行不同控制方案，还包括了采样电路、微处理器（主控制器DSP）、驱动电路。可编程电源用来模拟不同等级输入电压，内部集成了各种保护电路，确保设备不出现非正常工作状况［11］；PC端利用Matlab／Simulink 实现整流器算法研究和仿真电路的搭建，并为DSP 下载控制算法程序；采样电路实现对不同所需信号的采集，并汇集入微处理器；处理器汇集各路信号后实现控制算法的运行；驱动电路根据不同算法生成功率开关管通断信号。

图1 CSR实验装置整体设计方案

1.2 装置软硬件组成

基于DSP数字控制的CSR 教学实验装置软硬件组成如图2 所示。PC 上位机与装置相关软件有Matlab／Simulink、CSS和C2000 软件。

图2 装置软硬件框图

为方便学生进行实验，同时使实验装置软硬件结合更紧密，采用Matlab／Simulink 代码生成技术将仿真模型控制算法快速生成DSP 可识别的控制代码。具体过程为：首先，利用CCS 软件搭建工程框架，在PC端利用Matlab／Simulink 搭建仿真模型并验证控制算法可行性；其次，通过Matlab 的DSP 硬件支持包和C2000 外设功能模块将Simulink模型修改为代码生成模型，并且自动生成.c程序加载到.ccs程序框架中；最后，PC端通过Windows 的CMD 指令直接将代码文件下载到DSP控制板中，实现DSP算法与仿真中控制算法一致，如图3 所示。

图3 代码自动生成技术

由于DSP28335 的控制速度与精度适用于目前实际工程应用场景，因此在电力电子领域应用广泛，采用DSP28335 控制器作为该实验装置主控单元对学生后续发展是有利的。CSR 采用的是三值逻辑信号驱动功率开关管，因此还需要采用CPLD 逻辑编程芯片XC95288XL进行二三值逻辑变换［12-13］。该CSR 实验装置采用DSP+CPLD架构丰富了控制资源，同时自动代码生成技术也减轻了学生编程负担。

2 实验装置搭建与实验

2.1 电流源型整流器实验装置搭建

实验装置的连接与外观如图4 所示。

图4 实验装置连接与实物图

（1）功率开关管选用Infineon公司FF100R12RT4二合一IGBT模块，耐压值为1.2 kV，可持续导通电流100 A。串联二极管和续流二极管采用IXYS 公司MEK75-12DA快速恢复二极管，耐压值1.2 kV，额定电流75 A。功率管之间采用铜排进行连接，底层为铝基板并配带风冷散热，功率管连接直流侧和交流侧，交流侧为LC滤波器；中层主要为电压采样电路和IGBT驱动电路；顶层为采样调理电路和辅助电源，并配有DSP开发板。

（2）交流侧的滤波电容采用EACO公司的薄膜电容SRD-700-12-FS，容值为（12 ±10%）μF，额定电压为400～700 V，此外电容还并联了EACO公司STM系列吸收电容，用于IGBT 缓冲线路的突波吸收，容值为（0.47 ± 10%）μF。输出电容采用KEMET 公司的C4DEIPQ6100A8TK 薄膜电容，容值为（100 ± 10%）μF，额定电压为800 V。交流侧选取Honeywell公司的AMCC-32 非晶合金磁芯和多股0.1 mm利兹线绕制而成0.45 mH电感；同样地，直流侧采用的2 个2.5 mH电感也是由非晶合金磁芯和利兹线绕制而成。

（3）网侧三相电压和电流属于强电信号，不能直接作为ADC的输入信号。同时考虑到隔离保护，选择电压和电流传感器对网侧和直流侧电压、电流进行采样后再输入控制器。采用LEM公司LV25-P型电压传感器检测电压，原边电流与被测电压的变比关系通过串联一个外部电阻R来确定；采用LEM 公司型号为HAS50-S的电流传感器检测电流，检测电流范围为0～50 A，对应输出电压为0～4 V，交流侧电压采样电路如图5 所示。

图5 采样电路板

由于DSP28335 的AD转换输入信号要求为0～3 V，因此需要将采样电信号通过偏置电路达到符合要求的电压值，如图6 所示。偏置电路采用运放芯片MCP6044，其供电电压为3.3 V，通过稳压芯片LM1117电压转换后将电平抬升到1.65 V。

图6 偏置电路

经偏置电路后，交流侧电量需由调理电路进行滤波和放大［14］，交流调理电路如图7 所示。包含了一个二阶Butterworth 有源低通滤波器［15-16］，截止频率为500 Hz，其作用是去除高频信号干扰，提高检测精度。

图7 交流调理电路

直流侧调理电路同样包含二阶Butterworth有源低通滤波器，并使输出最大值时达到满量程，提高采样精度，如图8 所示。

图8 直流调理电路

实验系统的调理电路板如图9 所示，经采样调理电路，电网电压、网侧电流、直流侧电压、直流侧电流分别转换为DSP可接受的AD输入信号。DSP经运算处理后产生的PWM（Pulse Width Modulation）信号经过北京落木源公司的DA962D6 驱动电路放大后，用来实现实验装置IGBT开通与关断。

图9 系统调理电路板

2.2 教学实验案例

本文利用基于DSP 数字控制的电流源型整流器教学实验装置，以CSR 的传统双闭环控制实验为例，对整个实验流程进行说明。首先利用PC 端Simulink软件搭建仿真模型并实现控制算法正确运行，如图10所示。然后将仿真模型修改为代码生成模型并对整流器、电源、负载等设备进行正确连接，检查线路无损坏；接着通过代码自动生成技术得到控制代码文件并下载到DSP中进行实验验证。

图10 主电路搭建与控制算法实现

图11（a）为网侧及直流侧电压电流波形，结果显示整流器系统运行稳定。图11（b）和（c）为整流器动态响应运行结果。可以看到三相网侧电流在整个过程中无明显畸变，调节过程迅速，变负载后直流侧电压在短时间内能准确追踪到给定参考值，网侧电流和电网电压始终保持同相位。网侧电流谐波分析如图11（d）所示，总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion，THD）小于5%，满足IEEE519 标准，符合实验预期目标要求。

图11 实验结果

3 结语

为提高电力电子相关实验教学水平和效果，同时加深学生对于整流电路的理解，设计了基于DSP数字控制的电流源型整流器实验教学装置。该装置有利于学生对Matlab等软件的学习和使用，包括不同仿真控制模型的搭建、配套软件的配置以及电脑端与DSP通信环境的建立等，同时利用Matlab／Simulink 代码自动生成技术，使得实验过程易于操作、便于学习；该实验装置与电力电子教材内容联系紧密，学生能快速将理论与实际结合以此加深理解，提高了动手实践能力，非常适合在电力电子实验教学环节中使用。基于该装置以“面向数据中心电源的电流源型PWM整流器设计及其调制与控制技术研究”为题，在2020年十五届中国研究生电子设计竞赛中获得全国三等奖。同时利用该实验装置并根据学生自身兴趣与能力水平设计有针对性的科研实验项目，有利于对学生创新应用能力的培养。