基于PSOCTM 62處理器的諧波發(fā)生器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

一、項(xiàng)目背景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，居民生活用電、商業(yè)用電的結(jié)構(gòu)和用電量也發(fā)生了根本性的變化，已經(jīng)從過去單一的照明用電變?yōu)橐?a target="_blank">電子設(shè)備和電炊具等家用電器為主的生活、辦公用電，這些用電設(shè)備的廣泛普及與增換，必然使在同區(qū)域的居民用電量大幅增長的同時(shí)，實(shí)際供電質(zhì)量與國家標(biāo)準(zhǔn)要求還存在不小的差異。

無功損耗增加、功率因數(shù)下降、諧波增加，會(huì)影響到用戶用電設(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成用電設(shè)備損壞，增大電氣設(shè)備損耗、溫度升高、降低運(yùn)行效率，絕緣加速老化、縮短設(shè)備使用壽命；降低供用電設(shè)備的繼電保護(hù)、控制以及檢測裝置的工作精度和可靠性。

20世紀(jì)20年代末，人們開始注意到電力系統(tǒng)非線性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生諧波。20世紀(jì)50年代，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，大量非線性負(fù)載給電力系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的諧波干擾。20世紀(jì)70年代以來，由于諧波所造成的危害日趨嚴(yán)重，世界各國對諧波問題都予以充分的關(guān)注，國際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)會(huì)議。最近40年，世界各國對電力系統(tǒng)諧波問題的研究已超過了電力系統(tǒng)自身的研究范疇，并且取得了前所未有的發(fā)展。

目前諧波治理設(shè)備檢測一般通過更改有源電力濾波器（APF）的代碼，使其工作于負(fù)載模式，模擬諧波源，將諧波注入待測電網(wǎng)，而諧波治理設(shè)備并入后，通過一系列檢測算法計(jì)算出電網(wǎng)含有諧波電流的大小，發(fā)出與諧波源大小相等，方向相反的諧波電流，在并網(wǎng)處疊加抵消，達(dá)到治理的效果。通過對比治理設(shè)備投入前后剩余諧波電流大小并于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對比，最終判定諧波治理設(shè)備的功能特性。

本次比賽實(shí)驗(yàn)主要基于PSOC6處理器PWM模塊發(fā)波，在功率驅(qū)動(dòng)板側(cè)檢測波形和相關(guān)驅(qū)動(dòng)能力。

二、項(xiàng)目開發(fā)原理

由于全控型電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，不僅使得逆變電路的結(jié)構(gòu)大為簡化，而且在控制策略上與晶閘管類的半控型器件相比，也有著根本的不同，由原來的相位控制技術(shù)改變?yōu)槊}沖寬度控制技術(shù)，簡稱PWM技術(shù)。采用PWM方式構(gòu)成的逆變器，其輸入為固定不變的直流電壓，可以通過PWM技術(shù)在同一逆變器中既實(shí)現(xiàn)調(diào)壓又實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。

工程實(shí)際中應(yīng)用最多的是正弦PWM法(簡稱SPWM)，它是在每半個(gè)周期內(nèi)輸出若干個(gè)寬窄不同的矩形脈沖波，每一矩形波的面積近似對應(yīng)正弦波各相應(yīng)每一等份的正弦波形下的面積可用一個(gè)與該面積相等的矩形來代替，于是正弦波形所包圍的面積可用這N個(gè)等幅(Vd)不等寬的矩形脈沖面積之和來等效。各矩形脈沖的寬度自可由理論計(jì)算得出，但在實(shí)際應(yīng)用中常由正弦調(diào)制波和三角形載波相比較的方式來確定脈寬：因?yàn)榈妊切尾ǖ膶挾茸陨舷蛳率蔷€性變化的，所以當(dāng)它與某一光滑曲線相交時(shí)，可得到一組幅值不變而寬度正比于該曲線函數(shù)值的矩形脈沖。若使脈沖寬度與正弦函數(shù)值成比例，則也可生成SPWM波形。

在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小。反之，當(dāng)正弦值較小時(shí)，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大；這樣的電壓脈沖系列可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調(diào)制。三相互差120°PWM波形如圖 1所示：

圖1 三相PWM波形

工程中，一般將三相正弦波數(shù)據(jù)制表，然后通過查表法將數(shù)據(jù)與定時(shí)器的計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較，輸出PWM波形。一般采用兩個(gè)定時(shí)器，一個(gè)高級定時(shí)器（需要具備三路互補(bǔ)輸出的PWM）和一個(gè)基本定時(shí)器（通用定時(shí)器），其中高級定時(shí)器用于輸出PWM，作為高頻載波。而基本定時(shí)器用于設(shè)置輸出波形的周期（頻率），通過定時(shí)的查表讀取數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)高級定時(shí)器脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)正弦波的輸出。需要注意的是，高級定時(shí)器輸出的波形依然是相較規(guī)則的脈沖，通過功率驅(qū)動(dòng)板放大輸出，驅(qū)動(dòng)IGBT功率管。兩路互補(bǔ)的PWM波形如圖 2所示：

圖2 互補(bǔ)PWM波形

經(jīng)過功率驅(qū)動(dòng)板放大后的PWM信號，驅(qū)動(dòng)IGBT的柵極，由于IGBT結(jié)電容的存在，會(huì)導(dǎo)致PWM信號出現(xiàn)一些不規(guī)則的變化，通過添加?xùn)艠O電阻可以調(diào)整作用在IGBT柵極上的PWM波形。在IGBT輸出交流測輸出的依然是不規(guī)則的直流電壓，需要對輸出進(jìn)行濾波，在出線側(cè)加裝電感器，濾除高頻成分，而保留低頻部分。經(jīng)過濾波處理后的三相電流與電壓波形如圖3所示，由于驅(qū)動(dòng)采用調(diào)制波采用單極性，因此波形電壓于電流均含有直流分量。

目標(biāo)設(shè)計(jì)PWM頻率為20KHZ，輸出波形頻率50Hz，調(diào)制波為多個(gè)高次諧波疊加基波，不再是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。需要對各次諧波的幅值設(shè)置可調(diào)，相位可調(diào)。通過仿真進(jìn)行頻譜分析各次諧波含有率及總畸變率如圖4所示。

三、項(xiàng)目硬件

1、主控制器

PSoC?6單片機(jī)是一款高性能、超低功耗、安全的單片機(jī)平臺，專為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。
CY8C62x8/A產(chǎn)品線，基于PSoC 6 MCU平臺，是一個(gè)雙CPU微控制器與低功耗閃光技術(shù)、數(shù)字可編程邏輯、高性能模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)通信和定時(shí)外設(shè)的組合。PSOC 6是雙核CPU系統(tǒng)，具有一個(gè)M4F核和一個(gè)M0+內(nèi)核，其中M4F內(nèi)核150MHz，M0+內(nèi)核100MHz，具備豐富的存儲(chǔ)，高達(dá)2M 的Flash以及1M 的SRAM。

計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器/脈寬調(diào)制器（TCPWM）
■TCPWM支持以下操作模式：
?計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)器比較
?計(jì)時(shí)器與捕獲
?正交解碼
?脈寬調(diào)制（PWM）
?偽隨機(jī)PWM
?PWM與死時(shí)間
■上，下，上/下計(jì)數(shù)模式
■時(shí)鐘調(diào)整(除1、2、4，…。64,128)
■雙緩沖比較/捕獲和周期值■下流，溢出，和捕獲/比較輸出信號
■支持中斷：
?終端計(jì)數(shù)-取決于模式；通常發(fā)生在溢出或下流?捕獲/比較-計(jì)數(shù)被捕獲到捕獲寄存器或計(jì)數(shù)器值等于比較寄存器
■互補(bǔ)輸出
■可選擇開始、重加載、停止、計(jì)數(shù)和捕獲事件信號；有上升邊，下降邊，兩個(gè)邊，和水平觸發(fā)選項(xiàng)。TCPWM具有一個(gè)剎車輸入，以強(qiáng)制輸出到預(yù)定狀態(tài)。
在PSOC 6設(shè)備中有：
■8個(gè)32位TCPWMs
■24個(gè)16位TCPWMs

本次IGBT驅(qū)動(dòng)采用板子上的Arduino擴(kuò)展接口CON7上的1-6腳，剛好對應(yīng)3對互補(bǔ)輸出的PWM，其對應(yīng)關(guān)系如下表：

2、功率驅(qū)動(dòng)板

由PSOC 6單片機(jī)TCPWM模塊輸出的PWM信號不足以直接驅(qū)動(dòng)IGBT，需要對其進(jìn)行功率放大，采用厚膜驅(qū)動(dòng)。功率驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)6單元IGBT驅(qū)動(dòng)，可驅(qū)動(dòng)300A/1700V 以下的 IGBT，每路輸出電流可達(dá)6A。其中互補(bǔ)的兩個(gè)單元共用一路輔助電源?？梢詼y試帶IGBT和不帶IGBT兩種情況。

3、IGBT模塊

IGBT模塊采用英飛凌6單元封裝IGBT，型號為FS50R12KT3，集電極-發(fā)射極電壓1200V，連續(xù)集電極電流可達(dá)50A，柵極閾值電壓為5-6.5V；其反并聯(lián)二極管正向壓降1.65V。IGBT模塊自帶負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，25℃時(shí)，其額定阻值為5000歐姆。

4、直流電源

功率驅(qū)動(dòng)板僅需要一路直流電源，就可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)6單元IGBT，直流電源采用直流穩(wěn)壓電壓。

四、項(xiàng)目軟件

軟件采用RT-Thread Studio開發(fā)，RT-Thread系統(tǒng)版本為5.0.1，BSP版本為1.0.3。

1、程序流程

（1）、初始化開發(fā)板；
（2）、PWM初始化；
（3）、設(shè)置含諧波次數(shù)及幅值；
（4）、PWM輸出；

2、關(guān)鍵程序
/*

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  /
  #include
  #include
  #include "drv_gpio.h"
  #include "cyhal_pwm.h"
  /線程控制塊 **/
  rt_thread_t led_thread=RT_NULL;
  rt_thread_t pwm_thread=RT_NULL;
  /***********線程入口函數(shù)*************/
  static void led_thread_entry(void *parameter);
  static void pwm_thread_entry(void *parameter);
  #define LED_PIN GET_PIN(0, 1)
  /***********A、B、C三相*************/
  uint16_t ua[128]={
  0
  };
  uint16_t ub[128]={
  0};
  uint16_t uc[128]={
  0
  };
  cyhal_pwm_t pwm_obj1;
  cyhal_pwm_t pwm_obj2;
  cyhal_pwm_t pwm_obj3;
  cyhal_clock_t clock_obj;
  /***********互補(bǔ)輸出PWM初始化函數(shù)*************/
  static void pwm_init(void)
  {
  pwm_obj1.dead_time_set=1;
  pwm_obj1.pin=P5_0;
  pwm_obj1.pin_compl=P5_1;
  cyhal_pwm_init_adv(&pwm_obj1,P5_0,P5_1,CYHAL_PWM_CENTER_ALIGN,1,2,1,&clock_obj);
  cyhal_pwm_set_period(&pwm_obj1,3000-1,0);
  cyhal_pwm_start(&pwm_obj1);
  pwm_obj2.dead_time_set=1;
  pwm_obj2.pin=P11_2;
  pwm_obj2.pin_compl=P11_3;
  cyhal_pwm_init_adv(&pwm_obj2,P11_2,P11_3,CYHAL_PWM_CENTER_ALIGN,1,2,1,&clock_obj);
  cyhal_pwm_set_period(&pwm_obj2,3000-1,0);
  cyhal_pwm_start(&pwm_obj2);
  pwm_obj3.dead_time_set=1;
  pwm_obj3.pin=P11_4;
  pwm_obj3.pin_compl=P11_5;
  cyhal_pwm_init_adv(&pwm_obj3,P11_4,P11_5,CYHAL_PWM_CENTER_ALIGN,1,2,1,&clock_obj);
  cyhal_pwm_set_period(&pwm_obj3,3000-1,0);
  cyhal_pwm_start(&pwm_obj3);
  }
  /***********main函數(shù)*************/
  int main(void)
  {
  rt_pin_mode(LED_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
  pwm_init();
  led_thread=rt_thread_create("led",led_thread_entry,RT_NULL,256,3,10);
  if(RT_NULL!=led_thread)
  {
  rt_thread_startup(led_thread);
  }
  pwm_thread=rt_thread_create("pwm",pwm_thread_entry,RT_NULL,256,2,10);
  if(RT_NULL!=pwm_thread)
  {
  rt_thread_startup(pwm_thread);
  }
  }
  /***********LED線程入口函數(shù)*************/
  static void led_thread_entry(void *parameter)
  {
  while(1)
  {
  rt_pin_write(LED_PIN, PIN_HIGH);
  rt_thread_mdelay(500);
  rt_pin_write(LED_PIN, PIN_LOW);
  rt_thread_mdelay(500);
  }
  }
  /***********諧波注入PWM線程入口函數(shù)*************/
  static void pwm_thread_entry(void *parameter)
  {
  uint8_t i=0;
  while(1)
  {
  for(i=0;i<128;i++)
  {
  cyhal_pwm_set_period(&pwm_obj1,3000-1,ua[i]);
  cyhal_pwm_set_period(&pwm_obj2,3000-1,ub[i]);
  cyhal_pwm_set_period(&pwm_obj3,3000-1,uc[i]);
  rt_thread_mdelay(20);
  }
  }
  }
  五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
  1、開發(fā)板PWM輸出

圖9 互補(bǔ)PWM輸出

2、驅(qū)動(dòng)板PWM輸出

3、IGBT諧波輸出波形

六、結(jié)論和后期展望

1、結(jié)論

通過采用PSOC 6處理器的PWM以及基于類SPWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)輸出諧波，基本實(shí)現(xiàn)了本次比賽預(yù)計(jì)的功能。

2、后期工作

后續(xù)將采用ARM+FPGA架構(gòu)，進(jìn)一步針對SPWM，實(shí)現(xiàn)諧波輸出；增加人機(jī)交互，參數(shù)設(shè)置可視化，利用FFT算法展示諧波頻譜；故障處理，緊急切除IGBT；增加輸出反饋信號采集，實(shí)現(xiàn)輸出閉環(huán)控制，提高精度。目前就ARM+FPGA主控制、主電路、電源部分已完成初步設(shè)計(jì)。