研究生：謝佑定指導教授：蔡明村博士

南台科技大學電機工程研究所 1

以 DSP 為基礎之具能源回收數位式三相電子負載模擬器之研製

Design and Implementation of a DSP Based Digital Three-Phase Electronic Load Emulator with Ene

rgy Recycling

研究生：謝佑定指導教授：蔡明村博士


大綱

• 研究動機與目的• 文獻回顧• 系統架構• 理論分析• 控制器數位化之實現• 軟體設計• 實驗結果• 結論與未來展望• 參考文獻


研究動機與目的 ( 一 )

• 電力電子產品出廠前，通常都會做燒機測試。傳統的測試方法是利用被動式負載，將大量的電力流經待測產品後即在負載上消耗掉，這種浪費能源的測試方法顯然極待改進。

• 為了改善傳統方法之缺失，國內外也有些方法被提出，這些方法或為以電壓控制模式進行能量傳送，或為以電流控制模式傳送能量，而且這些方法大多針對直流電源供應器、不斷電電源供應系統等作設計，較少有其他型式負載之考慮。


研究動機與目的 ( 二 )

• 本文將以能量回收為基礎，實現三相交流電子式負載，並以 DSP TMS320LF2407A 作為系統之控制器，透過數位系統軟體上的彈性，模擬電阻性、電感性、電容性等負載，並同樣僅利用傳統的電力電子技術，將測試能源回送到電源側以重複使用。不僅降低測試空間，亦降低散熱所需的空調電力支出。


文獻回顧 • Meng-Tueh Chang, Jiann-Yow Lin, Shih-Liang Jung, Ying-Yu Tzou,

“ Design and Implementation of a Real-Time Lossless Dynamic Electronic Load Simulator,” IEEE PESC Conf. Rec., Vol. 1, pp. 734-739, June 1997.

• 內容：• 提出新的動態電子負載模擬器，具有取代原有 RLC 負

載元件以節省空間、減少消耗負載冷卻裝置、電子負載模擬器吸收之能源回送市電等特點。其主架構由三個部份組成，一為功率回收裝置，具雙向功率潮流之整流器，可適當調整直流鏈電壓並操作於單位功因；二為負載模型控制器，由電源裝置取得模擬負載之電流波形，由 DSP TMS320C14 計算產生模擬負載電流命令；三為電流控制電壓源轉換器，依據負載模型控制器產生之電流命令，使轉換器輸入電流高速追蹤電流命令之性能，為其動態電子負載模擬器系統核心。


LfRf

LfRf

LfRf

iA

iB

iC

vRn

vSn

vTn

n

iload

Lf Rf

Lf Rf

Lf Rf

iR

iS

iT

2Cdc

2Cdc

0Y-YvAB

vBC

vCA vRS

vST

vTR

Digital Controller

( TI TMS320LF2407A )Line Voltage

toPhase Voltage

Convertion Circuit

vAB

vBC

vCA

vA

vB

Line Voltageto

Phase VoltageConvertion Circuit

vRS

vST

vTR

vR

vS

+

Vdc

-

iB

iA Vdc

iR

iS

Gate Driver Gate Driver

Transformer

Visual Basic testing system

SCIRXD

SA- SB

- SC-

SA+ SB

+ SC+

SA- SB

- SC-SA

+ SB+ SC

+ SR- SS

- ST-SR

+ SS+ ST

+

SR-SS

-ST-

SR+SS

+ST+

RS-232 RS-485SCITXD

io

系統架構

vRn

vRn,iA

t

iA

vRn

vRn,iR

t

iR

圖一具能源回收之數位式三相交流電子式負載系統架構圖

前級轉換器後級轉換器

數位控制核心

人機控制介面

DC

220V

Turn offvRn

vRn,iR

t

iR

電感性負載功率因數 0.6


理論分析

• 三相昇壓型交 / 直流轉換器數學模型

• 三相昇壓型交 / 直流轉換器控制法– 電壓控制法– 電流控制法


三相昇壓型交 / 直流轉換器數學模型 ( 一 )

• 根據克希荷夫電壓定律 ( KVL ) 與克希荷夫電流定律 ( KCL ) ，可得系統動態方程式，如 (1) 式至 (4) 式

iload

LfRf

LfRf

LfRf

iR

iS

iT

vRn

vSn

vTn

n

2Cdc

2Cdc

Rload0

RS

SS TS

TS

SSRS

io

(4)

(3) 2

(2) 2

(1) 2

*3

*2

*1

*3

*2

*1

loadTSRloadodc

dc

ondcT

fTfTn

ondcS

fSfSn

ondcR

fRfRn

idididiiidt

dVC

vV

ddt

diLiRv

vV

ddt

diLiRv

vV

ddt

diLiRv

圖二三相昇壓型交 / 直流轉換器


三相昇壓型交 / 直流轉換器數學模型 ( 二 )

• 利用狀態空間平均法 ( State-Space Averaging Method ) ，如下式之數學模型表示之。

• 將 (1) 式至 (4) 式代入 (5) 式以狀態空間平均法表示，如 (6) 式

(5) BUAXX

(6)

1000

01

00

001

0

0001

1

6

1

2

100

6

1

2

100

6

1

2

100

*3

*2

*1

3

1

**

3

3

1

**

2

3

1

**

1

dc

Tn

Sn

Rn

f

f

f

dc

T

S

R

loaddcdcdcdc

kk

ff

f

kk

ff

f

kk

ff

f

dc

T

S

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V

v

v

v

L

L

L

V

i

i

i

RCC

d

C

d

C

d

dd

LL

R

dd

LL

R

dd

LL

R

dt

dVdt

didt

didt

di


電壓控制法• 設三相昇壓型交 / 直流轉換器輸入電壓為三相交流電源且輸入電

流為三相穩態平衡電流，故可視為三個單相交流電源所組成之三相交流電源，圖三即為圖二之 R 相簡化後之單相等效電路。由於，在此將忽略。

• 令• 其中

• 根據 (7) 式，將其表示成電路結構，如圖四所示，即為電壓控制法之示意圖。由圖四可規範出功率潮流之方程式，如 (10) 式與 (11) 式

• 其中

LfiR

vRn

2Cdc

2Cdc

Rload0RS

*1d

+ vL - + vR0 -

LfvRn

+ vL -+vR0

-

ff LjR fR

(7) 0RLRn vvv

(9) 6

1

2

(8)

3

1

**10

kkdc

dcR

RfL

dVV

dv

dt

diLv

(11) cos

(10) sin

02

0

f

RRn

f

Rn

f

RRn

L

vv

L

vQ

L

vvP

(12) 0RRn vv

圖三三相昇壓型交 / 直流轉換器 R 相之單相等效電路

圖四電壓控制法之示意圖


電流控制法• 根據圖五可規範實、虛功率表示式，如 (13) 式與 (14) 式

• 由圖六可得

• 又

+ vL -

LfvRn

+vR0

-

iR

iRsinψψ

ψδ VL

vRn

iRvR0

iRcosψ

ωLfiRcosψ

ωLfiRsinψ

(14) sin

(13) cos

RRn

RRn

ivQ

ivP

(16) cos

(15) cossin

02

0

f

RRnRn

RRfRn

L

vvvQ

viLv

(18) sin

(17) sincos

0

0

f

RRn

RRf

L

vvP

viL

圖五電流控制法之示意圖

圖六電壓與電流關係向量之示意圖


控制器數位化之實現

• 前級轉換器電流迴路

• 後級轉換器電流迴路

• 後級轉換器電壓迴路


控制器數位化之實現 - 前級轉換器電流迴路 ( 一 )

vBm(phase)

KPWMi*(peak)

iB*

GBcifb

iB+-

GBci

vBm-v0m

sLf + Rf

1Plant

i*(peak) KPWM

vCm(phase)

iC*

GCcifb

iC+-

GCci

vCm-v0m

sLf + Rf

1Plant

i*(peak) KPWM

vAm(phase)

iA*

GAcifb

iA+-

GAci

vAm-v0m

sLf + Rf

1Plant

LBF

LBF

LBF

)kHz( 92.15 , (s) 1099.92

1

(22) 11099.9

1

1

1

(21) 39.0

)( 13.0),( 2.3

(20) 13.01020.3

11

(V) 6(V), 220

(19) 33.182

36

33

63

3

pp

p

p

Acifb

ff

ff

Cdc

C

dcPWM

ff

ssLBF

G

RmHL

sRsL

EV

E

VK

圖七三相交流電子負載模擬器之前級三相交 / 直流轉換器電流控制迴路控制方塊圖


控制器數位化之實現 - 前級轉換器電流迴路 ( 二 )

• 利用 Bilinear 轉換式 (24) 式代入 (23) 式，將 (23) 式之 s-domain之轉移函數轉換至 z-domain表示之，如 (25) 式

)kHz( 61.5 , (s) 1084.22

1

)Hz( 86.146 , (s) 1008.12

1

(Hz) 98.300 , (s) 1029.52

1

66.12

(23) 11011.11008.3

66.121069.6

)1)(1(

)1(

25

22

13

11

14

11

328

3

21

1

pp

p

pp

p

zz

z

pp

zCciBciAci

ff

ff

ff

K

ss

s

ss

sKGGG

(24) )1

1(

2

z

z

Ts

(25) 25.064.01

41.371.012.421

21

,,,

zz

zzGGG digCcidigBcidigAci


控制器數位化之實現 - 前級轉換器電流迴路 ( 三 )

• 將 (25) 式之 z-domain 轉移函數以差分方程式表示之，即為前級轉換器電流控制器數位程式之數學表示式，如 (26) 式至 (28) 式

)2(41.3

)1(71.0

(28) )(12.4

)2(25.0

)1(64.0)(

)2(41.3

)1(71.0

(27) )(12.4

)2(25.0

)1(64.0)(

)2(41.3

)1(71.0

(26) )(12.4

)2(25.0

)1(64.0)(

,

,

,

,

,,

,

,

,

,

,,

,

,

,

,

,,

nE

nE

nE

nY

nYnY

nE

nE

nE

nY

nYnY

nE

nE

nE

nY

nYnY

digCci

digCci

digCci

digCci

digCcidigCci

digBci

digBci

digBci

digBci

digBcidigBci

digAci

digAci

digAci

digAci

digAcidigAci

10.02kHz

i,dig*(peak)

vAm,dig(phase)

iA,dig*

iA,dig

+-

GAci,dig

+-

+-

PWM_A

10.02kHz

10.02kHz

i,dig*(peak)

10.02kHzvBm,dig(phase)

i,dig*(peak)

10.02kHzvCm,dig(phase)

iB,dig

GBci,dig PWM_B

10.02kHz

iC,dig

GCci,dig PWM_C

iB,dig*

iC,dig*

10.02kHz

10.02kHz

10.02kHz

圖八三相交流電子負載模擬器之前級三相交 / 直流轉換器電流控制迴路數位控制方塊圖


控制器數位化之實現 - 後級轉換器電流迴路 ( 一 )

)kHz( 92.15 , (s) 1099.92

1

11099.9

1

1

1

39.0

)( 13.0),( 2.3

13.01020.3

11

(V) 6(V), 220

33.182

36

33

63

3

pp

p

p

Acifb

ff

ff

Cdc

C

dcPWM

ff

ssLBF

G

RmHL

sRsL

EV

E

VK

i*(peak) KPWM

vRn(phase)

iR*

GRcifb

iR+-

GRci

vRn-v0n

sLf + Rf

1Plant

KPWM

vTn(phase)

i*(peak)

iT*

GTcifb

iT+-

GTci

vTn-v0n

sLf + Rf

1Plant

vSn(phase)

KPWMi*(peak)

iS*

GScifb

iS+-

GSci

vSn-v0n

sLf + Rf

1Plant

LBF

LBF

LBF

圖九三相交流電子負載模擬器之後級三相直 / 交流轉換器電流控制迴路控制方塊圖


控制器數位化之實現 - 後級轉換器電流迴路 ( 二 )

• 利用 Bilinear 轉換，將 (29) 式之 s-domain 之轉移函數轉換至 z-domain表示之，如 (30) 式

)kHz( 61.5 , (s) 1084.22

1

)Hz( 86.180 , (s) 1080.82

1

(Hz) 98.75 , (s) 1009.22

1

3

(29) 11008.91050.2

31028.6

)1)(1(

)1(

25

22

14

11

13

11

428

3

21

1

pp

p

pp

p

zz

z

pp

zTciSciRci

ff

ff

ff

K

ss

s

ss

sKGGG

(30) 25.062.01

21.421.041.421

21

,,,

zz

zzGGG digTcidigScidigRci


控制器數位化之實現 - 後級轉換器電流迴路 ( 三 )

• 將 (30) 式之 z-domain 轉移函數以差分方程式表示之，即為後級轉換器電流控制器數位程式之數學表示式，如 (31) 式至 (33) 式

)2(21.4

)1(21.0

(33) )(41.4

)2(25.0

)1(62.0)(

)2(21.4

)1(21.0

(32) )(41.4

)2(25.0

)1(62.0)(

)2(21.4

)1(21.0

(31) )(41.4

)2(25.0

)1(62.0)(

,

,

,

,

,,

,

,

,

,

,,

,

,

,

,

,,

nE

nE

nE

nY

nYnY

nE

nE

nE

nY

nYnY

nE

nE

nE

nY

nYnY

digTci

digTci

digTci

digTci

digTcidigTci

digSci

digSci

digSci

digSci

digScidigSci

digRci

digRci

digRci

digRci

digRcidigRci

10.02kHz

i,dig*

(peak)

vRn,dig(phase)

iR,dig*

iR,dig

+-

GRci,dig

+-

+-

PWM_R

10.02kHz

10.02kHz

626Hz

i,dig*

(peak)

10.02kHz

626Hz

vSn,dig(phase)

i,dig*

(peak)

10.02kHz

626Hz

vTn,dig(phase)

iS,dig

GSci,dig PWM_S

10.02kHz

iT,dig

GTci,dig PWM_T

iS,dig*

iT,dig*

10.02kHz

10.02kHz

10.02kHz

圖十三相交流電子負載模擬器之後級三相直 / 交流轉換器電流控制迴路數位控制方塊圖


控制器數位化之實現 - 後級轉換器電壓迴路 ( 一 )

• 利用 Bilinear 轉換，將 (36) 式之 s-domain 之轉移函數轉換至 z-domain表示之，如 (37) 式

i*(peak)

GViVdc

*+-

GVdcfb

Vdc

BRF

50,2

(36) 50

2

(35) 1014.7

120 , 98.7532

,2

1

(34) 1069.51033.5

1069.5

)(

3

522

52

22

22

IP

IPVi

Vdcfb

PPP

P

PP

P

P

KKss

KKG

G

Hzff

Q

ss

s

Qs

sBRF

(37) 1

96.104.21

1

,

z

zG digVi

圖十一三相交流電子負載模擬器之後級三相直 / 交流轉換器電壓控制迴路控制方塊圖


控制器數位化之實現 - 後級轉換器電壓迴路 ( 二 )

• 將 (37) 式之 z-domain 轉移函數以差分方程式表示之，即為後級轉換器電壓控制器數位程式之數學表示式，如 (38) 式

i,dig*

(peak)GVi,dig

Vdc,dig*+-

GVdcfb,dig

Vdcfb,dig

626Hz

626Hz

)1(96.1

(38) )(04.2

)1(

,

,

,,

nE

nE

nYY

fbVi

fbVi

digVidigVi

圖十二三相交流電子負載模擬器之後級三相直 / 交流轉換器電壓控制迴路數位控制方塊圖


軟體設計

• DSP TMS320LF2407A簡介

• 模擬負載之實現

• Visual Basic 之人機操作介面之控制畫面

• 程式流程圖


軟體設計 -DSP TMS320LF2407A簡介• 工作電壓 3.3V ，執行速度 40MIPS ，定點式運算• 內部記憶體包含 32K*16-Bit 之程式記憶體、 544*16-Bit 之雙存取記憶體、 2K*16-Bit 之單存取記體

• 外部記憶體包含 512*16-Bit 之 Boot ROM 、 64K*16-Bit 外部擴充資料記體體、 64K*16-Bit 外部擴充程式記體體、 64K*16-Bit 外部擴充 I/O記體體

• 事件管理可規劃四個通用計時器、十六組脈波寬度調變 ( PWM ) 、六組計時比較器輸出、四組捕捉輸入

• 類比 / 數位轉換模組可轉換 0V 到 3.3V 之訊號，其解析度為 10-Bit ，由兩組八通道所組成可藉由串聯排序模式，將兩組八個通道串聯，一次轉換最多達十六個通道。

• SCI 之傳輸模組，傳輸方式為非同步串列傳輸。


軟體設計 - 模擬負載之實現 ( 一 )

• 實現方式– 建立 126 個空白資料記憶體位址

– 三相電壓相位分別存於126個空白資料記憶體位址– 依據功率因數大小，推估三相電壓相位之角度

(39) 1263360

90

10.02k1601

資料記憶體位址之數量


軟體設計 -Visual Basic 之人機操作介面之控制畫面

訊息顯示

測試負載類型

測試負載操作型態

測試負載類型

圖十三 Visual Basic 之人機操作介面之控制畫面


軟體設計 -DSP 數位控制程式流程圖 ( 一 )

程式開始

ADC模組初始化

計時器及PWM模組初始化

變數初始化

設定計時器中斷

等待是否計時器中斷

執行中斷副程式

主程式開始

否

是

SCI模組初始化

圖十四 DSP 數位控制程式流程圖 ( 一 )


軟體設計 -DSP 數位控制程式流程圖 ( 二 )

中斷副程式開始 (中斷頻率10.02kHz )

啟動ADC轉換

將前後兩級之三相交流電壓與交流電流、直流電壓轉成十位元有效數位值

判斷是否已延遲16次

將直流電壓每16次取得新的平均之直流電壓值

(執行頻率626Hz )

後級轉換器之電壓控制迴路

依據欲測試負載類型 1. 電阻性負載 2. 電感性負載 3. 電容性負載定義前級轉換器電流命令相位

前後兩級轉換器之電流控制迴路

限制前後兩級PWM之比較值

更新前後兩級PWM

清除中斷旗標返回主程式

依據欲測試負載大小約每60Hz增加相對於實際電流0.1Arms之電

流命令( 自動增載 )

否

是

否

是

Soft Start

否

判斷是否ADC轉換是否完成

判斷Soft Start是否為完成

判斷系統控制權是否屬於VB

否

取得由SCI模組接收VB所傳送之測試負載類型與大小

是

是

圖十五 DSP 數位控制程式流程圖 ( 二 )


軟體設計 -DSP 數位控制程式流程圖 ( 三 )

取得由SCI模組接收VB所傳送之測試負載類型與大小(程式區塊開始)

回傳訊息"負載類型"至VB

否

判斷接收資料是否為"負載類型"

回傳訊息"功率因素"至VB

判斷接收資料是否為"功率因素"

回傳訊息"測試負載資訊接收完畢"至VB

判斷接收資料是否為"負載大小"

取得由SCI模組接收VB所傳送之測試負載類型與大小(程式區塊結束)

否

否

是

是

是

圖十六 DSP 數位控制程式流程圖 ( 三 )


軟體設計 -Visual Basic 程式流程圖VB程式開始

選擇測試負載類型

選擇測試負載功率因素

等待接收DSP回傳訊息是否為

"負載類型"

是

否

選擇測試負載大小

等待接收DSP回傳訊息是否為“ 功率因素"

是

否

測試負載設定禁能

等待接收DSP回傳訊息是否為“ 測試負載資訊接收完畢"

是

否

等待測試負載設定致能

圖十七 Visual Basic 程式流程圖


實驗結果

• 後級轉換器單獨操作 (PFC)

• 實測模擬電阻性負載• 實測模擬電感性負載之功因 0.8

• 實測模擬電感性負載之功因 0.6

• 實測模擬電容性負載之功因 0.8

• 實測模擬電容性負載之功因 0.6


實驗結果 - 後級轉換器單獨操作 (PFC)

vRn iR

vRn : 50V/div , 5mS/div

iR : 10A/div , 5mS/div

vRniR


iR : 10A/div , 5mS/div(a) (b)

圖十八後級轉換器單獨操作 (a) 實測 550W 之市電之輸入相電壓 vRn 與後級轉換器輸入線電流 iR 波形 (b) 實測 1100W 之市電之輸入相電壓 vRn 與後級轉換器輸入線電流 iR 波形


實驗結果 - 實測模擬電阻性負載 ( 一 )

vRn

iA


iA : 10A/div , 5mS/div

vRn-iR


-iR : 10A/div , 5mS/div

(a) (b)

(d)(c)

圖十九測試模擬電阻性負載 (a) 1500W 實測之輸入相電壓 vRn 與前級轉換器輸入線電流 iA 波形 (b) 1500W 實測之輸入相電壓 vRn 與後級轉換器輸出線電流 iR 波形 (c) 模擬電阻性負載測試各負載大小之前級轉換器輸入線電流 iA 總諧波失真 (d) 電阻性負載測試各負載大小之後級轉換器輸出線電流 i

R 總諧波失真


實驗結果 - 實測模擬電阻性負載 ( 二 )

Vdc

-iR

Vdc : 100V/div , 50mS/div


圖二十模擬電阻性負載由無載瞬間增載至半載 750W 暫態實測之直流電壓 Vdc 與後級轉換器輸出線電流 iR 波形

圖二十一模擬電阻性負載測試各負載大小之效率


實驗結果 - 實測模擬電感性負載之功因 0.8

vRniA



vRn-iR



(a) (b)

圖二十二測試模擬電感性負載功因 0.8 (a) 1500VA 實測之輸入相電壓 vRn 與前級轉換器輸入線電流 i

A 波形 (b) 1500VA 實測之輸入相電壓 vRn 與後級轉換器輸出線電流 iR 波形


實驗結果 - 實測模擬電感性負載之功因 0.6

vRniA



vRn-iR



(a) (b)

圖二十三測試模擬電感性負載功因 0.6 (a) 1500VA 實測之輸入相電壓 vRn 與前級轉換器輸入線電流 i



實驗結果 - 實測模擬電容性負載之功因 0.8

vRniA



vRn-iR



(a) (b)

圖二十四測試模擬電容性負載功因 0.8 (a) 1500VA 實測之輸入相電壓 vRn 與前級轉換器輸入線電流 i



實驗結果 - 實測模擬電容性負載之功因 0.6

vRniA



vRn-iR



(a) (b)

圖二十五測試模擬電容性負載功因 0.6 (a) 1500VA 實測之輸入相電壓 vRn 與前級轉換器輸入線電流 i



結論與未來展望• 本文以 DSP TMS320LF2407A 單一晶片實現一具能量回收數位式

三相交流電子式負載模擬器 – 較佳設計空間– 硬體電路體積較小– 利用簡單測試平台，實現人機控制之應用

• 未來展望– 測試負載類型加入整流性負載– d-g軸控制並採用空間向量脈寬調變 (SVPWM)切換


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敬請指教


軟體設計 - 模擬負載之實現 ( 二 )

DMA1

DMA2

DMA3.....

DMA41

DMA42

vAm(n)

vAm(n-1)

vAm(n-2)

vAm(n-40)

vAm(n-41)

DMA43

DMA44

DMA45.....

DMA83

DMA84

vBm(n)

vBm(n-1)

vBm(n-2)

vBm(n-40)

vBm(n-41)

DMA85

DMA86

DMA87.....

DMA125

DMA126

vCm(n)

vCm(n-1)

vCm(n-2)

vCm(n-40)

vCm(n-41)

圖二十六模擬負載之電壓相位之資料記憶體搬移示意圖


軟體設計 - 模擬負載之實現 ( 三 )

• 以電感性負載功率因數 0.60 為例

• 依據功率因數大小所對應角度，找尋該角度• 所指向之 DMA ，即可得在此功因之電流命令• 相位

• 故

vRn

vRn,iA

t

iA

φ

13.53)60.0(cos 1

(40) 26

360

02.101601

13.531

k

nDMAAmv

)110(

)68(

)26(

)(*

,

)(*

,

)(*

,

DMAi

DMAi

DMAi

phasedigC

phasedigB

phasedigA

圖二十七電感性負載功率因數 0.6 之電壓電流波形示意圖

研究生 ： 謝佑定 指導教授 ： 蔡明村 博士

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研究生：謝佑定指導教授：蔡明村博士