基于CCSv4环境下的单相VSR仿控一体化研究

李伟锋 朱金凤 朱五军 卢英豪

（河南中原工学院）



基于CCSv4环境下的单相VSR仿控一体化研究

李伟锋 朱金凤 朱五军 卢英豪

（河南中原工学院）

摘要：针对代码自动生成所需TI公司DSP编程软件CCS3版本对Win7、64位以上版本不兼容问题，本文提出了采用CCS4系统，在最新微软Win10系统下搭建开发环境，并搭建针对部分电路，验证实验的可行性。给出了单相整流控制系统模型，并将优化参数带入仿真中，得到仿真结果，而后将仿真模型转换成控制模型并转化成代码后下载到DSP28335芯片中去，进行硬件实验，实验结果和仿真结果相符。

关键词:CCSv4；单相整流；串级控制；代码生成；锁相环

0引言

CCS（Code Composer Studio）是一个完整的 DSP 集成开发环境，是目前最优秀、最流行的 DSP 开发软件之一[1]。现在 TI 所有的 DSP 都可以使用该软件工具进行开发，大部分用户采用的是CCS3版本，但CCS3对Win7、64位以上版本并不兼容，而CCS4版本能很好地解决这个问题，本文提出了采用CCS4系统，在最新微软Win10系统下搭建开发环境，并搭建针对部分电路，验证实验的可行性。

TI公司的SEED-DEC28335中主要集成了150M系统时钟的DSP、64K×16位的片外SARM、16路片内12 位A/D、12路PWM、2路UART、1路CAN、一路高速USB、片外4通道12位D/A和串行EEPROM+RTC实时时钟等外设[2]。这样能够用在电机、电力电子等工业领域。

本文通过对单相VSR整流器进行建模，并在得到正确模型的基础上，先通过仿真得到好的控制效果，再将仿真模型转换成代码，并通过实验证明方法的可行性。

1 单相整流器的建模

单相电压型PWM整流拓补结构框图[3]如图1所示，其中电网电压为220V/AC，50Hz。经过可调变压器输入，L为整流桥交流侧电感，R为电感的等效电阻，Ua为整流桥交流侧电压，Udc为整流桥直流侧电压，idc是整流桥直流侧总电流，ic、i0分别为流过电容和负载的电流。

图1　单相整流拓补结构框图

其中，Si=1表示开关管导通，Si=0表示开关管关闭，上下开关管的驱动信号在同一时刻是互补的，例如S1为开时S2就为关闭状态，且S1、S4为一组同时导通和关断，S2、S3为一组同时导通和关断。当S1、S4导通时，Ua=-Udc，当S2、S3导通时Ua=-Udc。其中, S=S1—S3利用KVL 和KCL原理得到下式

转化后可得

从式（3）可以看出通过控制Sd和Sq就可控制id和iq。

2 单相整流器的串级控制器设计

根据以上建立的模型，设计如图2所示的串级控制方案。

图2　单相VSR整流器系统串级控制框图

其中，L为整流桥交流侧的电感值，R为电感的等效电阻，C为整流桥直流侧的电容值。由图1可以看出外环电压的调节器的输出作为内环电流调节器的输入。

2.1电流内环的参数设计

电流内环控制结构[4]如图3所示。

图3　电流内环控制框图

其中Ts为电流内环采样周期，电流内环开环的传递函数为

取Kq/Ki=L/R，得到

此时闭环传递函数

按照二阶优化的条件[5]，得到:

本系统的R=0.5，L=0.011H，Ts=0.00005，得到优化的Kp=220，Ki=8000，根据离散化公式

转换成DSP离散化的Kp*=220，Ki* =0.0022。

2.2电压外环的参数设计

电压外环的控制框图如图4所示。

图4　电压外环控制框图

由于电流内环的Ts采样周期很短，可以将内环看成一个时间常数很小的惯性环节，通常可以忽略掉其惯性时间常数，从而将其看成一个放大倍数为1的比例环节，再加上采样会有一个惯性环节，可得到外环的模型，其中Tc为电压采样周期。得到电压外环的开环传递函数为

根据三阶优化[6]的设计法对Gu进行参数设计，得到KP=C/2Tc，Ki=C/8(Tc)2

本系统硬件平台的C=0.01F，Tc=0.00005，KP=100，Ki=500000，根据式（8）转换成DSP离散化的KP*=100，Ki*=0.25。

3实时代码生成技术

随着实时代码自动生成技术的研究逐步深入，传统的嵌入式代码编写方式的劣势日益突出。传统代码编写方式工作量巨大，过程繁杂，程序错误隐蔽性强，开发周期长，运行效率低。而实时代码生成技术则克服以上不足，通过模块化、图表化将系统仿真和代码编写同时进行。避免了传统编写方式中反复烧写，反复调试的过程，大大缩短了系统的开发周期，降低了软件开发难度[7]。

3.1 搭建开发环境

首先在主机上安装CCSv4，Microsoft Visual c++ 6.0 和MATLAB2011a这三个软件,然后安装仿真器驱动软件（SEED-XDS510PLUS），在安装完该驱动后，可以在主机的设备管理器栏中看到该仿真器驱动。由于MATLAB需要调用VC++ 6.0的编译器，因此这里还需要安装Microsoft Visual c++ 6.0。

软件安装完毕后，需要对MATLAB的软件接口进行设置，在MATLAB的命令窗口栏，输入 mex -setup指令，编译器选择之前安装好的Microsoft Visual c++ 6.0。至此实时代码生成的开发环境就搭建完成了。

3.2 仿真模型搭建

在MATLAB/Simulink中搭建单相整流器的控制模型，模型结构如图5所示。

图5　仿真控制模型

该仿真模型主要包括交流侧电压检测模块，直流侧电压检测模块，相位检测及坐标变换模块，外环电压控制模块，内环电流控制模块。通过检测整流桥直流侧电压Udc和给定的电压比较，得到的误差信号经过电压外环控制器PI运算后得到电流给定值，通过检测整流桥交流侧流入电感电流ia，经过坐标变换得到id、iq，与电流给定值进行比较，通过PI运算及锁相部分的角度合成后得到控制器的调制波，调制波与三角载波进行比较后得到IGBT的开关信号。这样就达到了控制的目的。

其中基于MATLAB锁相部分的模型如图6所示，其是将相位检测，滤波还有压控震荡结合起来的得到，Va为电网电压相位，Angle为实际输出，为了使输入信号Va与反馈信号Angel相位一致，通过park运算得到鉴相的误差电压，再经过滤波得到控制电压，由控制电压在压控振荡器的作用下得到相位输出信号。

图6　锁相部分模型

3.3 将仿真模型改写为烧写程序

对于仿真模型改写为烧写程序这一过程，只需要保留控制算法代码，对于Simulink中的硬件部分，可以删除，由此可得到可应用于自动代码生成的烧写模型。

图7　烧写模型

3.4仿真结果

直流侧输出仿真结果如图8所示，给定参考电压为37V，输出也保持在37V附近，有一定超调但很小，调节时间不到2s，无稳态误差，由此可见电压输出还是能很好地控制系统，交流侧电流与电网电压输出为图9所示，可见相位控制也能达到系统要求。

4 硬件实验

经过修改得到硬件控制程序，并将程序经过代码生成下载到SEED-DEC28335控制板中，然后用示波器测量交流侧电流和电网电压，得到图形如图10示，可以看出交流侧电流与电网电压能基本上保持同步，电压给定值为37V，当保证系统输出达到37V附近时，其交流侧的电压有效值的可调范围为20～30V,其范围的可调性还是很大的，且电流相位能和电压相位能得到很好的跟踪，与仿真能保持一致。

图8　直流侧电压Ud c输出

图9　电网电压及交流侧电流

图10　交流侧电流和电网电压输出图形

5 结束语

在CCSv4编译环境下使用MATLAB代码自动生成工具（RTW）与SEED-DEC28335控制板相结合实现单相VSR整流器控制，能很好地实现仿真和实际硬件相结合，且相位也能得到有效的跟踪。在保证系统直流侧输出稳定的条件下，输入交流侧的电压调节范围还是比较宽的。这种可视化的编程方法不仅直观可靠、调试起来非常方便、大大缩短了开发软件的周期，并且使开发者对于系统的机理有着更清楚的认识，所以值得在实际生产中推广使用，具有着广阔的应用前景。

参考文献：

[1] 黄文蓓,沈毓磬.关于CCS在DSP平台上的应用和研究[J].电子科技，2013,25（3）：90-92.

[2] 北京艾睿合纵科技有限公司. TMS320F28335嵌入式 DSP控制模板硬件使用说明书[M].北京艾睿,2013

[3] 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京机械工业出版社，2003,10:23-40

[4]黄辉.单相PWM 整流器控制策略研究[D].武汉:华中科技大学2012.

[5] 许大中，贺益康.电机控制(第二版)[M].杭州：浙江大学出版社，2002.

[6] 胡寿松.自动控制原理（第五版)[M].北京：科学出版社，2007.

[7] 王晓雷，张立功，高旭东，等.基于RTW的单相锁相环控制新方法研究[J].计算机测量与控制,2014,22(9):67-69.

收稿日期：（2015-11-25）