DSP控制器在能量反馈系统中的应用

缪 雨 张华伟

（云南省特种设备安全检测研究院，云南 昆明 650000）

0 前言

该文提出了一种基于数字信号处理器的能量反馈系统，与传统系统相比，在实际的运行过程中，往往可以有更高的系统运行能力，并避免了一些传统系统中的问题，成了一种可靠性较高的系统。DSP控制器可以在使用过程中呈现出良好的效果，同样有利于促进设备的高效率运行，从而可以对各种信息数据进行针对性的处理以及运算，达到高效率、高精准地处理数据的效果。此外，DSP控制器的应用同样有利于实现数据的精准化分类以及存储，可以提升整体运行的安全性和稳定性，是一种满足当下能量反馈系统的重要机械设备，在实际运行中，也解决了传统形式所存在的很多问题。

1 DSP控制器

1.1 技术概念

DSP又称数字信号处理技术，是指通过数学计算的方式从数字信号中提取相应信息的数字信号微处理器。该控制器的运行技术原理可以被描述为借助哈佛结构，同时实现对数据、程序的并行存储，结合运用流水线技术实现高效、精准和密集的信号处理、缓解中断问题以及并运行数字滤波、谱分析和卷积等功能。从整体上来看，DSP的CPU有3个主要组成部分，乘单元、输入定标单元和中央算数逻辑单元。 首先，对差异性进行分析，由于DSP中安装了硬件乘法器（乘法器在单片机中并不存在）；因此，DSP存储器的容量比单片机更大。其次，DSP控制器同样对自身结构进行了优化和改进，使其成了哈佛结构。因此，在运行的过程中，可以实现对数据和程序的同步存储，其中设备制造使用的是流水线加工工艺。最后，DSP是一种运算密集型且以高效运算为目的一种处理器；单片机则是一种事务型的处理器，仅可以处理一些简单的事务。 该文所使用的DSP控制器，其中央处理单元采用的是并行的体系结构类型。因此，在CPU运行中，可以很好地在单指令周期中进行高效率的算术运算。同时，这也是一种包括3个基本组成部分在内的设计方式。

1.2 技术特征

DSP就是一种数字信号处理技术，其设计出的DSP芯片，则是一种可以实现数字信号处理技术的相关硬件。DSP芯片的内部采用的是程序与数据分离的设计方式，形成所谓的哈佛结构。在运行的工程中，有专门的硬件乘法器，同时较为广泛地使用流水线的操作形式，并提供特殊的DSP指令，进而对不同的数字信号进行有针对性的处理。

在实际的处理过程中，DSP芯片往往有特殊的技术特征。首先，在一个指令周期内，可以实现对乘法和加法的计算。在程序与数据空间中，呈现出分开的效果，因此可以同时对指令与数据进行访问。其次，在芯片中有快速RAM的方式，因此可以利用独立的数据总线，同时对程序和数据进行访问。这样的控制器也有低开销或者无开销循环跳转的硬件支持。在实际的运行过程中，可以在单周期中操作多个硬件地址产生器，因此呈现出同时对多个业务进行处理的效果，是一种支持流水线操作，同时进行针对性优化处理的技术类型。

2 能量反馈系统

能量反馈系统本质上属于一种独立交直流设备，在运行过程中，可实现对输出电能的反馈，是电网系统的重要组成部分。能量反馈系统主要由3个部分组成，分别是用电设备、能量反馈系统以及城市电网系统。

为了保证系统的稳定运行，需要控制输出电流，确保其可以与城市电网系统的电力频率、相位保持一致。在系统设计的过程中，可添加同步锁相功能，由控制部分负责对该功能的发挥进行控制。

在该系统的设计中，能量反馈系统的控制部分主要由DSP控制器组成，通过该控制器可以很好地保证系统稳定、高效率的运行。逆变器的电路图如图1所示。

图1 逆变器电路图

由图1可知，一旦在输入单极性的正脉冲对脉冲宽度进行相应调制，便会导致在其输入两路的相位处出现一定程度的反方向方波，同时也在其他位置输出双极性的SPWM波形。经过过滤之后，可以得到相应的正弦波。由于对不同端口之间所形成的波形都进行了一定的处理，因此可以避免在运行的过程中出现同步导通的现象。一旦在VT1管以及VT3管输入单极性信号，就会出现正弦脉冲的调制波。在VT2管以及VT4管输入两路相位反向的波形，就会在VOUT位置出现一定的双极性的SPWM波。并且，在经过滤波之后，就可以得到正弦波。在图1所示的一些区域中，每一个半周期的波形就设置了0.8 m的死区，本质上就是为了可以很好地避免VT2管与VT4管出现一定的同时导通问题，这样会对系统造成不良的影响。

在使用DSP控制器时，往往需要使用3路信号，分别是1路单极性带死区下的SPWM波以及2路相位相反的在带死区所出现的方波信号。因此，对于该信号的处理，需要时刻与城市电网保持一致性，在进行系统设计时，需要在控制器中保持城市电网的信号输入。

3 DSP在能量反馈系统全数字化控制中的应用

该文所使用的DSP控制器属于关键设备，它可以在运行的过程中实现对内外资源的合理调配。在控制器中，管理器模块设置的目的主要是对运动进行控制，也相应地发挥了对电机的控制作用。在整个系统中，需要在EV模块内加入通用定时器、PWM发生器以及捕获器这3个不同的逻辑系统。另外，在这3个控制方案的运行中，基本上需要基于3个不同的步骤进行运行，首先需要产生SPWM波，其次再采集城市电网频率，这样就可以实现同步锁相。

3.1 SPWM的产生

在正弦波与三角波进行比较之后产生SPWM波，通常情况下，SPWM的宽度与正弦波的幅值成正比。对于该类型的方波滤波电路来说，有关人员可以将其还原成原本的正弦波。

目前，DSP控制器能够达到16路的PWM输出、16 bit的最大PWM分辨率，而且其所产生的SPWM更加灵活，能够提升控制器的应用效果。首先，在使用的DSP控制器中，有关人员可以安装通用定时器，上述设备在运行中可以进行计数，有关人员可以根据自身需求对设备的这一性能进行利用。其次，还需要在正弦波的计算过程中，对不同比较点的幅值进行提取，并将数据送到定时器中进行相应的比较分析。当定时器中的计算值与比较及储存器中的数值一致时，就可以马上进行匹对。再次，定时器在继续计数的过程中，需要对周期进行配对，一直到三角载波周期完成后，才可以停止配对。

但是，当需要对其三角载波的频率进行改变或者对其比较值进行改变时，就需要对其周期寄存器进行调整，确保可以对其引脚进行分析，进而可以输出宽度不同的SPWM波。在该处理过程中，其三角载波与正弦波并没有真正出现，而是以抽象的形式出现。

在设计该软件的过程中，为了可以很好地进行分频处理，要对其三角载波进行相应的频率假定。在分析过程中，首先需要对三角波与半个周期的正弦波进行相交分析，这样就可以对定时器的周期寄存器进行相应的载波评估。其次，还需要保证在对其计算分析的过程中，可以很好地将其做成表格。在系统的设计要求上，其城市电网的跟踪精度约为0.1 Hz，对SPWM波的死区进行分析后，便可以很好地实现延时程序[1]。

3.2 捕获城市电网的频率

为了可以很好地满足电网的运行效果，就需要在系统中设置相应的捕获器，同时需要对捕获器输入引脚的电平的变化进行分析，同时对发生变化的方面进行时间记录分析。在该文的系统设计中，由于其城市电网的220 V为正弦波，因此在捕获的过程中需要对其进行降压处理，同时经过过零检测之后，可以去顶幅值，对系统中的DSP控制器进行捕获。在系统每一个DSP芯片中，都存在2个EV模块，在每一个模块中有4、5个不同的捕获器。在该设备的运行过程中，捕获方波将呈上升的状态。其捕获上升沿的出现，是为了很好地确定当下城市电网的具体频率。因此，对2次捕获的实际差值进行计算之后，所获得的结果便为城市电网的具体频率。另外，捕获波同样会呈现下降的状态，上述状态主要出现在SPWM波的后半周期。在该周期设计中，就可以很好地完成捕获任务。

在编程过程中，还需要充分考虑到城市电网的供电需求。因此，在基于频率顺序的捕获标准值的设计中，就需要制定一个标准的范围表。另外，在CAP4的捕获环节，一旦出现了中断的问题，就会导致其三角载波的周期值出现一定程度的变化，这样就可以确定当下的三角载波的周期值。之后，再利用其在调用过程中所发生的SPWM波的子程序，就可以产生半个周期的SPWM波[2]。

3.3 同步锁相

锁相处理的过程是该系统十分重要的环节，在处理时，需要在程序中安装一个辅助寄存器，起到对SPWM波响应进行计数的作用。另外，在下降沿的过程出现中断之后，就需要保证其SPWM波会与城市电网的相位出现较大的差值。因此，就需要对性地对其进行针锁相调整。该处理就是一种基于完整的半周期中的SPWM波，往往需要在其半周期中选择256个点进行比较分析。在上升沿的过程中，一旦出现中断问题，就需要加强比较分析，在下降沿出现中断情况之后，需要对三角载波的频率锁相进行调整。经过这样的处理，就可以很好地将SPWM波与城市电网保持较高的同步性。

在进行计算分析调整之后，就可以得到相关的定时器周期公式。同时需要注意的是，在进行计算分析的过程中，随着DSP中开始对负数进行计算，就会导致在其内部呈现出一定的问题。因此，在计算中，需要对数据进行详细分析与控制。最后，在使用了SPWM波子程序后，就可以合理地对其载波进行调整[3]。

另外，对于该文所采用的DSP控制器，还需要在输出2路相位相反的方波信号上，对2路方波的信号进行控制。控制信号之后，还需要充分保障2路方波与SPWM波能够相互结合，实现对城市电网的跟踪以及功能监控。另外，该处理方式的基本原理往往与SPWM相同[4]。而不同的地方在于这是一种使用定时器的方式，因此仅使用1个寄存器即可。基于以上能量反馈系统，有关领域便可实现对DSP的优化设计以及对其城市电网的同步锁相，从而实现同步控制的效果。另外，在控制功能的设计中，往往需要针对性地对一片DSP芯片进行设计，但是并不需要安装外围设备，这样的控制电路下，可以很好地发挥出控制功能，同时并不需要占据交到的设备面积，另外在控制的过程中，也不会进行复杂地控制，同时不会受到外界环境的影响。

4 控制电路与同步电路设计

对于同步电路的设计来说，这就是一种很好地实现有源逆变的基础，同时也是在捕获电网线电压过零头之后，可以很好地确定电网实际相位信息的关键步骤。因此，在设计过程中，需要基于变压器的方式对其电网线进行针对性的隔离取样，同时还要对电路进行有针对性的调理。之后，利用DSP控制器进行相应的方波信号处理[6]。在这样的系统设计下，就可以很好地确定当下城市电网的实际相位信息。而对于有源逆变输出的重要参考，往往需要程序对其进行合理处理。同时，在一些有源逆变输出的参考过程中，需要基于程序处理的方式，对其电流进行相应的合理控制。另外，还需要保证在控制过程中可以很好地对其有源逆变起动以及输出进行控制，从而实现对输出和电网的同步处理[7]。

5 仿真试验分析

5.1 分析流程

为了保证该文设计的系统能够更加合理，就需要对仿真方面进行计算分析。该仿真试验的原理为通过模拟DSP控制器能量反馈系统的应用环境来测试上述应用设计方案是否能够满足能量反馈系统的运行需求。在仿真试验过程中，研究者针对能量反馈系统的特征，对其仿真的参数进行合理化的调整，其电感控制在6 mH，直流母线电压控制在650 V；而在输入交流相电压方面，则将控制器开关的电压保持在5 kHz的标准上，以保证仿真试验的效果。经过仿真分析之后可以发现，其仿真与实验波形都可见。另外，该文所设计的能量反馈系统，也是一种基于电网实时反馈逻辑下的电流回馈，在实际的运行中，主要是利用DSP控制器中的事件管理器，并通过高速A/D转换器等内部设计，对其进行有针对性的设计，以此保障系统在实际的运行中有较为可靠的运行效率；另外，在一些设计过程中，其系统的逻辑性较为清晰合理，因此整个系统的控制性较为灵活，最大程度地保证了系统的运行效果。

在未来的系统运行中，可以很好地扩宽变频器的应用范围。因此，该系统有较高的运行逻辑效果。但是需要注意的是，该系统还存在一定的缺陷，需要在未来的设计中进行进一步的完善处理[8]。

5.2 分析结果

在对该能量反馈系统进行设计的过程中，对其编程进行合理设置，同时让其硬件电路在使用的过程中基于单一的DSP最小系统，并不进行额外多余的外围电路设计。因此，该系统在设计运行中，已经得到了相关部门的检验，可以很好地进行使用。在对其长期的使用调查结果进行分析，表示该类型的控制器在实际的操作过程中，可以很好地对47 Hz～52 Hz的城市电网进行追踪，同时将追踪的设计精度控制在 0.1 Hz 。另外，该系统在运行的过程中，可以很好地实现对其过量程的处理，因此在城市电网超出实际范围的时候，该系统还是处于待机的状态。只有再次处于该阶段，才可以重新启动进行运转。这样的能量反馈系统可以很好地对其城市电网实现同步锁相的控制效果。另外，在诸多的操作模式下，仅仅依靠单一的芯片就可以完成相关工作，并不需要设计额外的设备，就可以使该系统具有较高的使用价值和经济性。但是，在未来的研究中，还需要对该系统进行进一步改进与优化。

6 结语

综上所述，该文所提出的DSP控制器在能量反馈系统的应用过程中，由于设计的合理性，因此可以很好地接入城市电网，以此保障能量反馈系统的稳定运行，呈现出良好的节能降耗的效果，满足系统的使用需求。