叶宗彬， 陶梦江， 陈治国， 邓先明， 于东升

（1.中国矿业大学电气工程学院，江苏 徐州 221116；2.国网安徽省电力有限公司超高压分公司，合肥 230061）

0 引言

随着科技的进步、经济的发展以及建立创新型国家的迫切需要，我国对工程技术人才的能力要求变得越来越高。如何培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量卓越工程师，成为我国高等院校亟需解决的重要问题。为解决这一问题，教育部提出了“卓越工程师教育培养计划”［1-2］。

许多院校积极响应并执行该计划，引入项目教学法，在实践性较强的课程教学中实施实验环节改革，取得了一定的效果。Diao［3］在《电力电子技术》的教学中，通过6 个项目的实践，对学生进行阶段性和总体评价，提升学生动手能力，教学效果较好。吴勇等［4］针对《DSP技术及应用课程》进行改革，引导学生利用所学知识设计一套直流电动机调速系统，采用小组合作，方案设计及后期调试、答辩的形式，充分激发学生的学习兴趣。唐加能［5］将“项目驱动式教学法”引入《信号与系统》，以滤波器设计项目，强化学生资料收集、Matkab 仿真及电路搭建和调试的能力，通过该方法，学生的编程设计能力有了长足的进步。

《DSP技术及应用》作为一门专业基础课，是当前工业界广泛应用于控制系统的技术，需要大量实践，形成理论与实践的有机结合，增强学生动手能力以及创新意识的培养。

开发以TMS320F28335 作为核心芯片的DSP“口袋实验室”，方便学生进行实验，提升其工程实践创新能力。

1 DSP“口袋实验室”方案设计

1.1 设计思想

本文设计的DSP“口袋实验室”重点在于便携。通过将仿真器进行整合，可实现仅通过一根USB 线即可进行联机实验、调试；良好设计扩展接口，提供低压三相两电平逆变器扩展模块，支持三相逆变综合实验，通过软、硬件配合，实现低成本的三相电流重构，强化学生工程实践创新意识。

1.2 方案设计

DSP“口袋实验室”方案如图1 所示。方案以TMS320F28335 为核心，摒除市面上开发板多余功能，保留课程教授所需功能，如电源、GPIO（拨码开关输入及LED输出）、JTAG、时钟、SPI（用于扩展D/A功能）、PWM和A/D调理等电路以进行两电平逆变器控制实验的扩展接口等。

图1 DSP“口袋实验室”方案框图

2 主要电路设计

2.1 电源电路

DSP“口袋实验室”电源部分，输入为micro-USB接口，接入可恢复保险丝提供必要的保护，采用2 个LDO将输入的5 V电压转换成DSP芯片所需的3.3 V和1.8 V电源。此外，板上留有电源滤波及电源指示等，如图2 所示。

图2 电源电路

2.2 GPIO电路

由拨码开关、LED以及相应的观察探针提供了数字量输入、输出接口及显示功能，满足I/O 实验、中断实验的输入、输出功能需求，如图3 所示。

图3 GPIO电路图

2.3 仿真器电路

DSP“口袋实验室”直接把仿真器功能整合至电路板上，无需外配仿真器，方便调试，该模块提供低速仿真数据交换，满足学生实践的基本需求，具体电路如图4 所示。

图4 仿真器电路图

2.4 A/D调理电路

A/D调理电路的作用，主要负责将外部传感器输出的模拟信号进行放大、电平移动，将经过调理之后的信号输入TMS320F28335 进行A/D 转换。以A 相电流信号为例，对应的A/D调理电路如图5 所示。

图5 AD调理电路图

2.5 驱动电路

驱动电路的作用，将DSP 的PWM 信号经过半桥驱动芯片IR2101S 进行电平移动、缓冲后加至功率器件，以实现对功率器件的导通、关断控制。以A 相桥臂的PWM信号为例，对应的驱动电路如图6 所示。电路中的MC33063 构成的电路负责将5 V 变换成15 V，供驱动电路使用。

图6 驱动电路图

2.6 两电平逆变器扩展电路

两电平逆变器扩展板主要是方便学生进行一些综合性较高的实验，如三相逆变器的PWM 实验、电流重构实验、电动机驱动实验等。扩展板采用直流5 V 作为主电源，功率器件Q1～Q6采用N 沟道MOSFET，每相桥臂的下端均预留采样电阻（R1～R3），以进行3 电阻、2 电阻电流重构方案的验证。此外，R1～R3电阻的下端留置有R4采样电阻，可方便进行单电阻采样技术方案的验证。对应的电路如图7 所示。

图7 两电平逆变器扩展板电路图

需要注意的是，当验证3 电阻、2 电阻电流重构方案时，不使用的R4需要进行短接，使用单电阻电流重构方案时，需要将R1～R3进行短接。

本文设计的控制板实物如图8 所示，电路板面积为8.5 cm×5.3 cm，体积小巧，易于携带。

图8 DSP“口袋实验室”控制板

3 基于工程实践创新实验案例设计

3.1 电流重构策略应用

两电平逆变器是电压源型变频器中最常见的一种电路结构。为驱动被控交流电动机变频调速，三相电流的采集是必不可少的［6］。传统的三相电流采集大都采用霍尔电流传感器［7］，加装在逆变器的输出侧。该方案的优点是采样是隔离的，且可连续采集输出电流。其缺点是价格较为昂贵，对于成本敏感的场合不适用，且对桥臂直通短路无法进行保护。为减少故障点，降低成本，近年来大量研究着眼于减少电流检测传感器［8-10］。电流传感器的减少引入了新的问题，如需对三相电流进行重构，且重构时不同方案存在不同的重构盲区［8-10］。为减小电流重构盲区，获得高质量的电流，学者们采用了新开关状态相移［11］、测量脉冲插入法［12-14］、多个有源电压合成零电压矢量法［15-17］等，但这些方法都存在引起谐波增大。

本文对几种低成本电流采集方案进行分析研究，并结合DSP的A/D特点，进行软、硬件设计，在提升电流采集性价比的同时保证低电流谐波。目前较常见的非隔离电流采样有以下3 种技术方案：3 电阻电流采样、2 电阻电流采样和单电阻电流采样。

3.2 三电阻电流采样重构策略

在三相逆变器的3 个桥臂串入3 个采样电阻（见图7 中的R1～R3）。当逆变器运行，三相的下管导通时，电阻两端的电压与流过电流成线性关系。如果逆变器采用7 段式SVPWM（见图9），设置A/D 采样的合理启动时刻点，即可完成对三相交流电流的采样。

图9 3电阻采样方案A/D转换开始时刻示意

TMS320F28335 的A/D可由EPWM 模块的多个事件启动。对于3 电阻采样方案，由图9 可知，可由三相EPWM模块的增计数匹配比较、计数周期、减计数匹配比较等事件启动A/D，完成对3 个采样电阻的端电压采集并转换，获得三相电流值。为获取良好的电流采样效果、保证逆变器高效率运行，需选取尽可能小且阻值一致的3 个采样电阻。通常情况下，采用mΩ级精密功率电阻。

3.3 两电阻电流采样重构策略

由上一节分析可知，通过3 个共地的采样电阻即可实现对三相交流电流的采样。对三相对称电路，存在三相相电流代数和为零的约束条件，所以实际只需要采样两相电流，通过计算即可获取三相电流值。仅使用3 个采样电阻中的两个即可，以进一步减少损耗，降低成本。基本原理与3 电阻采样类似，故此处不再赘述。

3.4 改进的单电阻电流采样重构策略

由前述小节分析可知，采用3 电阻、2 电阻采样方案，均可便捷地获取三相电流。采样电阻越多，系统由引入采样电阻造成的损耗也越大，同时成本也上升。如果多个采样电阻之间一致性差，导致采样偏差变大。如果能继续减少电阻，将进一步提高系统整体性价比。

采用单电阻采样，则将采样电阻R4串接在直流母线负且与三相下桥臂公共点相连处，如图10 所示。

图10 单电阻方案采样电流示意图

以图10 所示开关状态为例，2 电平逆变器工作于100 开关状态下，即：A相上管Q1导通，下管Q2关断，B相上管Q3关断，下管Q4导通，C相上管Q5关断，下管Q6导通。在此状态下，流过采样电阻R4的直流电流idc实际为A相电流iA。

当采用7 段式SVPWM，且参考电压空间矢量处于第一扇区时，生成的三相PWM波形如图11 所示。采用与上述相同的开关状态分析发现，在一个开关周期内，100、1102 个开关状态下，流过R4的直流电流分别为iA及-iC。通常开关频率远高于逆变器输出的基波频率，此时可为同一开关周期内三相电流值为常数，故可由采样获得的2 相电流值计算得到第3 相电流iC，完成三相交流电流采样。

图11 一扇区单电阻采样方案电流对应关系

为获得三相电流值，需要利用A、B相EPWM模块的增计数比较匹配事件启动A/D进行采样转换，得到正确的电流值。

采用同样的方式，对其余开关状态进行分析，可得不同开关状态与采样得到的电流对应关系，见表1。

表1 直流母线电流与电动机相电流的关系

由于A/D采样及转换，开关器件导通、电流稳定等需要额外时间，且存在死区，单电阻采样方案电流重构存在电流无法重构的盲区。以图10 所示的开关状态切换为例，当T1、T2时间过短时，无法正确采样获得三相电流，电流重构盲区主要有两种：低调制度盲区以及扇区切换盲区，如图12 所示。

图12 单电阻采样方案电流重构盲区

为减小电流重构盲区，可利用TMS320F28335 的EPWM模块产生的周期中断，在周期中断中更新减计数比较值，调整PWM 脉冲。即将作用时间较短的有效矢量作用时间集中，调整方式如图13 所示。

图13 调整PWM脉冲减小电流重构盲区

即便采用该方法，还是无法将盲区减小至零，这是单电阻采样的最大缺点。但通过该方法，可以极大减小盲区，满足多数场合使用需求。在盲区内，可将电流保持为前一时刻的值，避免盲区内电流重构失败。采用此PWM 脉冲调整，保持了主次矢量（100 和110）、零矢量（000 和111）作用时间不变，可保证电流较低的畸变。

4 电流重构算法仿真与实验验证

为验证DSP口袋实验室及单相电流重构算法的有效性，采用口袋实验室及扩展电路板进行相关实验。三相逆变器带阻感负载，进行仿真及验证。Simulink中搭建的仿真与硬件实验平台参数相同，见表2。实验中，重构电流及扇区号采用D/A 输出，方便采用示波器进行观察。

表2 单电阻电流重构仿真与实验参数

图14、15 分别为单电阻采样，未进行观测盲区处理时的仿真与实验波形图。由波形明显可见，在扇区切换位置，进入电流观测盲区，此时三相电流观测产生错误，出现了异常的跳变。

图14 单电阻电流重构仿真波形（未调整PWM脉冲）

图15 单电阻电流重构实验波形（未调整PWM脉冲）

图16、17 分别为采用单电阻采样，对盲区进行了处理的仿真与实验波形图。由波形可见，经过PWM脉冲调整后，三相电流观测盲区变窄，重构电流波形更接近实际电流，畸变较小，证实单电阻采样方案的有效性。如果要用于电动机变频控制等场合，仅需将重构电流通过一个低通滤波器，盲区所致的畸变电流即可被平滑，对控制效果的影响进一步降低。由于进行了PWM脉冲调整，所以电流出现了波动，实验中为凸显重构盲区的效果，采用的死区时间是2 μs，对于低压小功率应用，死区时间小于此值，且负载电感也比仿真中要更大，由PWM脉冲调整引起的电流波动会更小。

图16 单电阻电流重构仿真波形（调整PWM脉冲）

图17 单电阻电流重构实验波形（调整PWM脉冲）

5 结语

传统DSP 实验箱体积大，携带不便，受实验学时及场地的限制，学生难以将所学迅速进行实验练习，影响学习效果。本文设计一款便携，且易于扩展的DSP口袋实验室，将仿真器整合在电路板上，便于学生携带及开展实验。同时，设计了由浅到深的三相电流重构实验，使学生充分认识DSP外设功能在实际使用中的软、硬件结合形成的高性价比实施案例。同时，采用所提PWM脉冲调整法，可极大地减小单电阻采样的电流重构盲区以获得更好的重构效果。所述方案可用于各种成本敏感的逆变器场合。