第二章 數位信號處理器、回授及驅動電路
2.1 數位信號處理器
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 計時器相減而得到市電電壓週期，再經過換算即可得到市電電壓之頻率。其程式 流程圖如圖 3-1 所示。
圖3-1 相位、頻率鎖定程式流程圖
3.3 90O相移電路
由於虛功補償器之控制器中使用到了 90O相移電路，相當於正弦函數落後餘弦 函數 90O。所以取得 90O相移的方法，只要將數位控制器內建之弦波表索引加上 128 點之析解析，如圖 3-2 所示，即可取得同步於市電電壓之餘弦信號（超前 90O之信 號）。
圖3-2 數位控制器內建之正弦及餘弦之索引 3.4 數位積分器
圖 3-3 為一使用運算放大器（OPAmp）組成之類比積分器，如其轉移函數如
（3.1）式：
s sT
H 1
)
( = （3.1）
其中T =RC，即為積分器之時間常數（Time Constant）。
為設計 IIR 數位式濾波器，本論文使用「雙線性轉換」(bilinear transform)之方
其差分轉移函數為：
( ) ( ) ( )
3.7 數位帶通濾波器
圖3-10 數位帶通濾波器
3.9 主程式
在完成數位信號處理器之初始設定以及積分器、低通濾波器、帶通濾波器、
鎖相、鎖頻及虛功計算程式之後，即可將程式之主程式流程規劃如圖 3-12 所示。
再進行鎖相、鎖頻程式使數位控制器得以與市電系統同步。當數位控制器之開關 啟動後，即開始「固態式、混合式虛功補償器」之計算補償程式，再將其計算結 果送至脈寬調變模組之暫存器以自動產生脈寬調變信號，再返回等待中斷之無限 迴圈，週而復始。而「主動式虛功補償器」及「混合式虛功補償器」之控制方塊 圖在後面章節將有更詳細之說明。
第四章 固態虛功補償器
圖4-2 相量圖 4.2 固態虛功補償器之主電力架構
本論文所發展之固態虛功補償裝置係由一電力轉換器、一直流儲能電容器、
一高頻漣波濾波器及一數位控制器組成，它可使固態虛功補償裝置無段調整其提 供之補償虛功量。
三相固態虛功補償器主電力電路架構如圖4-3所示。圖4-3之電力轉換器採用 由六個IGBT組成之三相穚式架構，而電力轉換器上之六個控制接腳─R、S、T、X、
Y、Z則分別接至驅動電路。高頻漣波濾波器則由電感-電容-電感之三階低通濾波 器組成，其目的是濾除電力轉換器所產生之高頻漣波。
圖4-3 固態虛功補償器主電力電路架構
固態虛功補償器之數位控制器使用德州儀器所發展之TMS320F2812 數位信號 處理器組成，其主要功能包含：高速的系統運算頻率、類比數位轉換及脈寬調變 電路等，非常適合電力電子應用之控制。
4.3 固態虛功補償器之控制方法
固態虛功補償器之控制採電流控制式。圖4-4為控制電路方塊圖，控制電路中 參考信號包含兩個控制信號－(S1)、(S2)。
圖4-4中第一控制信號(S1)是用來完成虛功調整之功能，由於該固態虛功補償 器為電流控制模式，因此該第一控制信號(S1)必須為超前電源系統電壓90度之基本 波信號。電源系統電壓經由鎖相程式取得同步於電源系統電壓之正弦信號(VS)並送 到一相移電路取得同步於電源系統之餘弦信號，將和負載電流(IL)及相移電路之輸 出送入虛功計算器計算出該固態虛功補償器所需補償之虛功電流之振幅(QCOMM)。而 為了決定提供之虛功電流，該相移電路與虛功計算電路之輸出送到一乘法器相乘 可得到第一控制信號(S1)。
圖4-4中第二控制信號(S2)主要用來作固態虛功補償器直流側儲能電容之穩壓 用。由於該固態虛功補償器本身會有功率損耗，所以該固態虛功補償器之直流側 儲能電容上之電壓將會下降，為了維持該固態虛功補償器正常操作，其直流側電 壓必須維持一穩定值，因此該固態虛功補償器必須從電源系統吸收或送回實功，
亦即必須產生具有與該電源系統電壓相同相位之基本波電流，為達此目的，該固 態虛功補償器之直流側電壓經檢出後與其設定電壓(VREF)送到減法器相減，該減法 器相減結果送到第一控制器，第一控制器輸出與同步於電源系統電壓之正弦信號 (VS)送到一乘法器相乘，即可得到第二控制信號(S2)。
將二個控制信號 S1 及 S2 送到加法器相加可得到參考信號，參考信號與固態
將二個控制信號 S1 及 S2 送到加法器相加可得到參考信號，參考信號與固態