論文架構

本論文將分為七個章節來探討，茲將各章內容概述如下：

第一章 前言。

第二章 簡介本論文實驗中所使用之數位信號處理器 TI 公司生產的

TMS320F2812、ADS3864數位類比轉換器、回授電路及驅動電路之動 作原理。

第三章 探討數位控制器之相關流程圖。

第四章 探討本論文所提及之固態虛功補償器之原理並藉硬體雛型之實測以

驗証其性能。

第五章 介紹結合被動式虛功補償器及第四章所介紹之固態虛功補償器而成 之混合式虛功補償器之原理，並藉由硬體雛型之實測驗証混合式虛 功補償器之性能。

第六章 探討結合三相二臂橋式固態虛功補償器之新式架構應用於混合式虛 功補償器之原理，並以硬體雛型之實測進行驗証。

第七章 為本論文所提出之混合式虛功補償器總結，並比較固態虛功補償 器、混合式虛功補償器及三相二臂橋式之混合式虛功補償器，最後，

提出未來之研究方向。

第二章 硬體控制電路

在科技日新月異的時代中，各種性能優異之數位控制晶片不斷地被開發出 來，由於這些晶片通常具有可程式規劃設計之功能，在許多應用場合中，數位控 制器已經取代傳統之類比控制器。數位控制器可程式規劃之優點，讓較複雜之演 算法及控制理論得以實現，且可大量複製，比起類比控制具有更高之彈性。此外，

數位控制器之控制參數較不易因為元件老化及溫度變化而漂移，且週邊電路多 元、運算功能強大、體積小與高性能，再加上具有數位信號處理能力的控制器功 能日益完善，且成本下降，使得以數位信號處理器為基礎之應用商品成為發展趨 勢。將控制策略採用數位化方式實現，將改善傳統類比控制器之缺點，進而達到 控制器小型化、高性能及彈性大等目的。

2.1 數位信號處理器

本論文所提出的三相混合式虛功補償器所使用之數位控制器即為 Texas Instruments（德州儀器）公司所生產之 TMS320C28x™系列數位信號處理器，型號 為 TMS320LF2812。TMS320C28x 數位信號控制器是工業界第一顆內建快閃記憶 器且運算速度高達 150MIPS 的 32 位元 DSP 控制器。其應用目標設定在工業 的自動控制、數位式電源供應器、汽車控制以及高階控制原理的應用[23, 24]。

德州儀器公司所出產之 TMS320C28x 系列數位信號處理器之主要特點有：

z 150 MHz 之內部運算頻率（6.67-ns 周期時間）；

z 低耗能設計，且快閃記憶體燒錄電壓僅需 3.3V；

z 高階程式語言（C/C++）能夠產生更有效率之指令；

z 和 TMS320F24x/LF240x 數位信號處理器之原始碼相容；

z Boot ROM 內建有標準的數學運算表；

z 三組延伸中斷，周邊中斷延伸（PIE），其支援 45 種周邊中斷；

z 三組 32-Bit CPU 計時器；

z 馬達／電力電子控制周邊，如脈波寬度調變（PWM）單元；

z 支援 SPI、SCIs、eCAN、McBSP 等標準串列通訊；

z 類比數位轉換器共有十六個通道，每一個通道之有效位元為 12 個位元，並 可同時進行二個通道轉換，其最快轉換頻率為 80 ns/12.5 MSPS；

z 擁有 56 個可規劃之通用輸入／輸出（GPIO）腳位等。

非常適合作為電力電子設備之控制器，因此本文數位信號處理器採用 C28X 系列 之 TMS320LF2812 作為控制核心之數位演算、控制單元。

2.2.1 TMS320LF281x 系列內建之類比數位轉換器問題

TMS320LF281x 系列類比數位轉換器在 TI 官方釋出的文件中列舉了幾個重大 的缺點[25]：

z 當類比數位轉換器於 Dual Sequencers 方式應用時，當其中一個轉換器被重 置之同時有其他的轉換器正在運作，其正在運作的類比數位轉換器將不會轉 換完全。

z 一些頻道之非直線性高達 12 LSBs（最小有效位元）。

z 一些頻道之直流誤差高達 1%。

z 在 B0 至 B7 頻道中，當設計目標高達 1% FSR（標度的全部範圍）時，

TMS320LF281x 類比數位轉換器將會有一個高增易的錯誤，甚至高達 2% 至 3%。

由以上幾點可以了解到，TMS320LF2812 雖有較快速之演算能力，但類比數位轉 換器卻存有著缺失，所以在本論文中使用了另一外接類比數位轉換器－ADS8364 以彌補 TMS320LF2812 之不足。

2.2.2 ADS8364 類比數位轉換器

ADS8364 類比數位轉換器是德州儀器公司所生產之一高階類比數位轉換晶 片[26]，其擁有以下特點：

z 六個輸入頻道，

z 每個頻道皆為差動輸入，

z 其輸出高達 16 位元，

z 轉換頻率高達 2.5MHz，

z 晶片內部提供 2.5 伏特之參考電位，

z 每組輸入可接受 5 伏特之電位差。

由以上幾點可以了解到，ADS8364 類比數位轉換器非常合適應用於三相電力及馬 達控制等方面，因此本文數位信號處理器 TMS320LF2812 既搭配採用 ADS8364 類比數位轉換器作為整體數位控制核心，其接線圖如圖 2-1。

圖 2-1 數位信號處理器TMS320LF2812搭配ADS8364類比數位轉換器接線圖 2.2 介面電路

電力系統上通常具有較高的電壓與電流值，而數位信號處理器之工作環境是 屬於小信號電路，所以不能將電力系統上之輸出電壓與電流直接送至 ADS8364 類比數位轉換器之轉換通道取樣，否則將破壞轉換通道。因此，必須先將回授信 號成比例降低至 ADS8364 轉換通道可接受之電壓範圍，再送入 ADS8364 取樣通 道，在電路設計的過程中，亦需將控制電路和功率級的接地點分開，以避免信號 之間有互相干擾之情況發生。

圖 2-2 所示為本論文所使用的數位控制板之硬體方塊圖，其數位信號處理器 會透過 ADS8364 類比數位轉換器接收各電壓、電流回授電路之信號，經過處理 運算後，再由內建之脈寬調變模組（PWM）產生切換信號，經過電壓提升後再 由驅動電路送至橋式電能轉換器之功率開關元件。

圖 2-2 數位控制板之硬體方塊圖

以下將針對數位控制板中之電壓保護電路、直流電壓回授板、三相電壓回 板、電流回授板、電壓提升電路及信號隔離驅動電路等硬體電路之工作原理及功 能逐一說明。而數位控制器軟體部份則會在下一個章節中詳述。

2.2.1 電壓保護電路

由於 ADS8364 類比數位轉換器之取樣通道只能接受 0~5 伏特之正電壓信 號，所以必需將信號變小，且將準位向上調整 2.5 伏特，並且保護在 5 伏特內。

如圖 2-3 所示，信號 Vin 可接收-10~10 伏特之輸入，經過 ADS8364 內部所提供 之 2.5 伏特做準位調整且比例縮小之後，所得到的＋in 及－in 壓差即為 0~5 伏特 之電壓信號。

號之關係式如 2-1 式所示。

2.2.4 電流回授電路

本論文使用比流器（C.T.）來檢測電流信號，如圖 2-6 所示，由於 C.T.之輸 出為一電流信號，所以必需串聯電阻以轉換成電壓信號，再經由一個電壓隨耦器 得到輸出信號 Vout。

圖2-6 電流回授電路

2.2.5 電壓提升電路

數位信號處理器所產生之脈波寬度調變信號為 0~3.3 伏特之脈波信號，此信 號並不足以來驅動後級之類比電路，因此，需先將脈波寬度調變信號提升至 5 伏特，方可有效驅動。圖 2-7 為本文中所設計之電壓提升電路。

圖2-7 電壓提升電路

（2）信號隔離電路可將控制電路及驅動電路作電器隔離，以避免電力信號與控 制信號互相干擾，擾亂數位信號處理器。

本文所設計之信號隔離與驅動電路如圖 2.8 所示，電路中電器隔離元件為 TLP250 光耦合器，在全橋式電能轉換器中，本文所使用之切換開關為 IGBT，

而其閘極之驅動電壓需 15 伏特，因此，在光耦合器之輸出端需再加上另一組信 號提升電路，將信號提升至 15 伏特，以驅動後級橋式架構之功率開關元件。根 據 IGBT 元件特性，使用負電壓可以加速開關截止時間，並避免 IGBT 之誤觸發，

因此除了推動切換開關所需之 15 伏特壓差之外，本文亦設計了-5 伏特之電壓作 為 IGBT 截止電壓。

圖2-8 信號隔離與驅動電路。

第三章 數位控制器 3.1 數位信號處理器之設定

數位控制器有別於類比控制器，因為其週邊裝置功能多半內建於晶片內部，

所以在實際應用前，對於晶片廠商提供之相關文件都必需要有相當層面的了解，

才得以作適當的設定，晶片之週邊裝置之功能才能正常操作。TMS320F2812 亦 然，在使用 PWM、計數器、中斷及 GPIO 等周邊之前，都必須先參照使用者手 冊將周邊裝置相關的暫存器設定成符合控制器需求之環境。所以本論文使用數位 信號處理器時設定的週邊裝置及其用意如下：

（１）數位信號處理器之系統頻率

此一頻率為整個數位信號處理器及其週邊裝置頻率之基礎頻 率。而 TMS320F2812 最大系統頻率為 150MHz。

（２）週邊裝置的操作頻率

數位信號處理器中之週邊裝置頻率和系統頻率有一定倍數之關係。而最大 週邊裝置頻率為 25MHz。

（３）計時器之上下數週期頻率

此週期頻率和晶片內建之 PWM 裝置的三角波切換信號振幅和頻率相關。

振幅愈低時，切換頻率愈快。

（4）通用輸入、輸出

數位信號處理器之輸入輸出腳位之功能和方向必須要在使用前先設定完 成，才不至於在晶片開機時誤動作。由於 PWM 模組之輸出腳位和某些 GPIO 腳是共用的，所以使用上也要先了解是使用那些腳位，以及設定 PWM 模組之相關參數，如死區（Dead Band）及主動電位（Active High/ Active Low）等。

（5）中斷控制器

中斷控制器除了傳統 24x 之中斷方式外，尚增加 96 個週邊設備中斷延伸

（Peripheral Interrupt Expansion, PIE），所以在中斷處理的規劃上更加多元。

3.2 相位、頻率鎖定程式

為了讓數位控制器和市電系統同步，市電電壓之「相位」和「頻率」的鎖定 在數位控制器中佔有極重要之部份。其主要功能是偵測市電電壓是否為由負值轉 換為正值之零點，並同時將數位控制器內建之弦波表和市電電壓波形同步，而達 到鎖相之目的。此外，每當鎖定一次零點時，亦會將上回鎖定時之計時器和目前

為了讓數位控制器和市電系統同步，市電電壓之「相位」和「頻率」的鎖定 在數位控制器中佔有極重要之部份。其主要功能是偵測市電電壓是否為由負值轉 換為正值之零點，並同時將數位控制器內建之弦波表和市電電壓波形同步，而達 到鎖相之目的。此外，每當鎖定一次零點時，亦會將上回鎖定時之計時器和目前