基于DSP的三相SPWM變頻電源的解剖.doc

基于DSP的三相SPWM變頻電源的解剖報告姓名：廖云鵬學(xué)號：2011128104班級：11電工指導(dǎo)老師：張靜基于DSP的三相SPWM變頻電源的解剖報告變頻電源作為電源系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全和可靠性指標(biāo)。現(xiàn)代變頻電源以低功耗、高效率、電路簡潔等顯著優(yōu)點而備受青睞。本次解剖的SPWM變頻電源的整個電路由交流-直流-交流-濾波等部分構(gòu)成，輸出電壓和電流波形均為純正的正弦波，且頻率和幅度在一定范圍內(nèi)可調(diào)。基于DSP三相SPWM變頻電源利用了TMS320F28335的變頻電源數(shù)字控制系統(tǒng)豐富的片上硬件資源。一 基于DSP的三相SPWM變頻電源的原理圖圖1 三相SPWM變頻電源的原理圖該電源有以下幾個模塊組成：（1）整流濾波模塊：對電網(wǎng)輸入的交流電進行整流濾波，為變換器提供波紋較小的直流電壓。 （2）三相橋式逆變器模塊：把直流電壓變換成交流電。其中功率級采用智能型IPM功率模塊，具有電路簡單、可靠性高等特點。 （3）LC濾波模塊：濾除干擾和無用信號，使輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。 （4）控制電路模塊：檢測輸出電壓、電流信號后，按照一定的控制算法和控制策略產(chǎn)生SPWM控制信號，去控制IPM開關(guān)管的通斷從而保持輸出電壓穩(wěn)定，同時通過SPI接口完成對輸入電壓信號、電流信號的程控調(diào)理。捕獲單元完成對輸出信號的測頻。 （5）電壓、電流檢測模塊：根據(jù)要求，需要實時檢測線電壓及相電流的變化，所以需要三路電壓檢測和三路電流檢測電路。所有的檢測信號都經(jīng)過電壓跟隨器隔離后由TMS320F28335的A/D通道輸入。 （6）輔助電源模塊：為控制電路提供滿足一定技術(shù)要求的直流電源，以保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。二 基于DSP串行通信系統(tǒng)的模塊分析變頻電源的硬件電路主要包含6個模塊：整流電路模塊、IPM電路模塊、IPM隔離驅(qū)動模塊、輸出濾波模塊、電壓檢測模塊和TMS320F28335數(shù)字信號處理模塊。 1、整流電路模塊 采用二極管不可控整流電路以提高網(wǎng)側(cè)電壓功率因數(shù)，整流所得直流電壓用大電容穩(wěn)壓為逆變器提供直流電壓，該電路由6只整流二極管和吸收負(fù)載感性無功的直流穩(wěn)壓電容組成。整流電路原理圖如圖2所示。 圖2 整流電路原理圖 2、IPM電路模塊 IPM由高速、低功率IGBT、優(yōu)選的門級驅(qū)動器及保護電路組成。IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式電力電子器件。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低，非常適合應(yīng)用于直流電壓。因而IPM具有高電流密度、低飽和電壓、高耐壓、高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動功率的優(yōu)點。本文選用的IPM是日本富士公司的型號為6MBP20RH060的智能功率模塊，該智能功率模塊由6只IGBT管子組成，其IGBT的耐壓值為600V，最小死區(qū)導(dǎo)通時間為3s。 3、IPM隔離驅(qū)動模塊 由于逆變橋的工作電壓較高，因此DSP的弱電信號很難直接控制逆變橋進行逆變。美國國際整流器公司生產(chǎn)的三相橋式驅(qū)動集成電路IR2130，只需一個供電電源即可驅(qū)動三相橋式逆變電路的6個功率開關(guān)器件。 IR2130驅(qū)動其中1個橋臂的電路原理圖如圖3所示。C1是自舉電容，為上橋臂功率管驅(qū)動的懸浮電源存儲能量，D1可防止上橋臂導(dǎo)通時直流電壓母線電壓到IR2130的電源上而使器件損壞。R1和R2是IGBT的門極驅(qū)動電阻，一般可采用十到幾十歐姆。R3和R4組成過流檢測電路，其中R3是過流取樣電阻，R4是作為分壓用的可調(diào)電阻。IR2130的HIN1HIN3、LIN1LIN3作為功率管的輸入驅(qū)動信號與TMS320F8335的PWM連接，由TMS320F8335控制產(chǎn)生PWM控制信號的輸入，F(xiàn)AULT與TMS320F8335引腳PDPINA連接，一旦出現(xiàn)故障則觸發(fā)功率保護中斷，在中斷程序中封鎖PWM信號。 圖3 IR2130驅(qū)動其中1個橋臂的電路原理圖 4、輸出濾波模塊 采用SPWM控制的逆變電路，輸出的SPWM波中含有大量的高頻諧波。為了保證輸出電壓為純正的正弦波，必須采用輸出濾波器。本文采用LC濾波電路，其中截止頻率取基波頻率的4.5倍，L=12mH，C=10F。 5、電壓檢測模塊 電壓檢測是完成閉環(huán)控制的重要環(huán)節(jié)，為了精確的測量線電壓，通過TMS320F28335的SPI總線及GPIO口控制對輸入的線電壓進行衰減/放大的比例以滿足A/D模塊對輸入信號電平(0-3V)的要求。電壓檢測模塊采用256抽頭的數(shù)字電位器AD5290和高速運算放大器AD8202組成程控信號放大/衰減器，每個輸入通道的輸入特性為1M輸入阻抗+30pF。電壓檢測模塊電路原理圖如圖4所示。圖4 電壓檢測電路原理圖三 基于DSP串行通信系統(tǒng)的軟件框圖系統(tǒng)上電后按照選定的模式自舉加載程序，跳轉(zhuǎn)到主程序入口，進行相關(guān)變量、控制寄存器初始化設(shè)置和正弦表初始化等工作。接著使能需要的中斷，啟動定時器，然后循環(huán)進行故障檢測和保護，并等待中斷。主要包括三部分內(nèi)容：定時器周期中斷子程序、A/D采樣子程序和數(shù)據(jù)處理算法。主程序流程圖如圖5所示。 圖5 主程序流程圖 定時器周期中斷子程序主要進行PI調(diào)節(jié)，更新占空比，產(chǎn)生SPWM波。定時器周期中斷流程圖如圖6所示。 圖6 定時器周期中斷流程圖 四設(shè)計程序：A/D采樣子程序主要完成線電流采樣和線電壓采樣。為確保電壓與電流信號間沒有相對相移，本部分利用TMS320F28335片上ADC的同步采樣方式。為提高采樣精度，在A/D中斷子程序中采用均值濾波的方法。 對A相電壓和電流A/D的同步采樣部分代碼如下：interrupt void adc_isr(void)if(counter=0)receive_a0_datai+ = AdcRegs.ADCRESULT04; /右移四位receive_b0_dataj+ = AdcRegs.ADCRESULT14; /右移四位if(counter=1) / 對結(jié)果取平均，平滑濾波receive_a0_datai+ = (receive_a0_datai0+(AdcRegs.ADCRESULT04)/2;receive_b0_dataj+ = (receive_b0_dataj0+(AdcRegs.ADCRESULT14)/2;if(i=512) i=0;i0=0;if(j=512) j=0;j0=0; counter+;AdcRegs.ADCTRL2.bit.RST_SEQ1 = 1; / 復(fù)位排序器AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR = 1; / 清中斷標(biāo)志位PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1;/ 開中斷應(yīng)答SVPWM算法實現(xiàn)過程：利用F28335內(nèi)部的事件管理器模塊的3個全比較單元、通用定時器1、死區(qū)發(fā)生單元及輸出邏輯可以很方便地生成三相六路SPWM波形。實際應(yīng)用時在程序的初始化部分建立一個正弦表，設(shè)置通用定時器的計數(shù)方式為連續(xù)增計數(shù)方式，在中斷程序中調(diào)用表中的值即可產(chǎn)生相應(yīng)的按正弦規(guī)律變化的SPWM波。SPWM波的頻率由定時時間與正弦表的點數(shù)決定。 SVPWM算法的部分代碼如下：void InitEv(void)EALLOW;GpioMuxRegs.GPAMUX.all=0x00FF;EDIS;EvaRegs.EVAIFRA.all = 0xFFFF; / 清除中斷標(biāo)志EvaRegs.T1PR= 2500; /定時器1周期值,定時0.4us*2500=1msEvaRegs.T1CMPR = XPWM; /比較值初始化EvaRegs.T1CNT = 0; EvaRegs.T1CON.all = 0xF54E; /增模式, TPS系數(shù)80M/32=2.5M,T1使能,EvaRegs.ACTR.all = 0x0006; /PWM1,2低有效EvaRegs.DBTCONA.all = 0x0534; /使能死區(qū)定時器1,分頻80M/32=2.5M,死區(qū)時/間5*0.4us=2usEvaRegs.COMCONA.all = 0xA600; /比較控制寄存器EvaRegs.EVAIMRA.all = 0x0080;PID調(diào)節(jié)算法在實際控制中很多不穩(wěn)定因素易造成增量較大，進而造成輸出波形的不穩(wěn)定性，因此必須采用增量式PID算法對系統(tǒng)進行優(yōu)化。PID算法數(shù)學(xué)表達式為Upresat(t)= Up(t)+ Ui(t)+ Ud(t)其中，Up(t)是比例調(diào)節(jié)部分，Ui(t)是積分調(diào)節(jié)部分，Ud(t)是微分調(diào)節(jié)部分。本文通過對A/D轉(zhuǎn)換采集來的電壓或電流信號進行處理，并對輸出的SPWM波進行脈沖寬度的調(diào)整，使系統(tǒng)輸出的電壓保持穩(wěn)定。 PID調(diào)節(jié)算法的部分代碼如下：float PIDCalc( PID *pp, int NextPoint )int dError,Error;Error=pp-SetPoint*10-NextPoint; / 偏差pp-SumError+= Error;