基于TIDSP的數(shù)字化三相變頻電源的研制關(guān)鍵字?jǐn)?shù)字化變頻電源

1、基于TI DSP的數(shù)字化三相變頻電源的研制關(guān)鍵字：數(shù)字化 變頻電源 TMS320F2812    隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，正弦波輸出變頻電源已被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域中，與此同時對變頻電源的輸出電壓波形質(zhì)量也提出了越來越高的要求。在實驗室和工業(yè)部門，三相正弦波變頻電源常用于各種測量和控制電路中，產(chǎn)生單相或三相正弦波信號作為基準(zhǔn)信號，基準(zhǔn)正弦波的波形質(zhì)量直接影響到測量和控制的精度。對于一個良好的正弦信號源，要求其輸出的基準(zhǔn)正弦波信號幅值、頻率高度穩(wěn)定、失真度小、帶負(fù)載能力強、幅值可調(diào)，對于三相正弦波信號還要求三相對稱度好。兼顧這些要求往往使電路變得復(fù)雜。因此，研究開發(fā)既簡單又

2、具有優(yōu)良動、靜態(tài)性能的逆變器控制策略，已成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點之一。1 工作原理系統(tǒng)總體電路結(jié)構(gòu)由主回路、控制電路、采樣電路、反饋電路和各類保護(hù)電路等部分組成，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。11 主回路及工作原理主回路中有三大部分組成：整流濾波電路、三相全橋逆變電路和三相無源濾波電路。整流濾波電路將單相交流電變成直流電，三相全橋逆變電路將直流電變成三相交流電，三相交流電經(jīng)過三相濾波電路后得到標(biāo)準(zhǔn)的三相正弦波電源，主回路原理圖如圖2所示。12 控制回路工作原理控制電路的調(diào)制波采用SPWM波，對正弦波輸出變頻電源進(jìn)行SPWM調(diào)制，數(shù)字化控制，是以TMS320F2812數(shù)字信號處理器為主控芯片，實現(xiàn)電源

3、的最佳控制。控制回路原理圖如圖3所示。      13 控制策略電源利用TMS320F2812中的事件管理器，采用SPWM調(diào)制的方式，逆變器輸出信號經(jīng)三相無源濾波后得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。14 軟啟動功能及故障處理電源系統(tǒng)設(shè)置了軟啟動功能、開路保護(hù)、短路保護(hù)、MOSFET過流保護(hù)、缺相保護(hù)和負(fù)載不對稱保護(hù)。電源控制系統(tǒng)有三種工作模式：正常工作模式，啟動模式及保護(hù)模式。當(dāng)電源開始工作或者在故障后啟動的時候，為了防止負(fù)載側(cè)電壓上升過快而導(dǎo)致電路故障，我們采用軟啟動的方法，這時，控制系統(tǒng)處于啟動模式下。軟啟動包括兩個部分。首先，在輸入

4、側(cè)通過對輸入的三相電壓慢慢升壓的方式，我們可以保證逆變電路不會因母線電壓直接加上去而導(dǎo)致故障的發(fā)生。另外，在逆變電路的控制過程中，我們需要采用閉環(huán)控制方法，通過采樣記錄分析的數(shù)據(jù)調(diào)整驅(qū)動信號頻率，當(dāng)負(fù)載側(cè)電壓上升到一定值的時候，我們再將電路轉(zhuǎn)入正常工作的模式之下，所以在軟啟動條件下，負(fù)載側(cè)不會因瞬間出現(xiàn)的高電壓而發(fā)生故障。在電源運行的過程中，由于短路故障，工作電流將急劇升高，若不采取措施，將會使電路中許多元器件被過電流破壞。過電流發(fā)生時，電路中的過流保護(hù)裝置會動作，這時，控制電路的驅(qū)動信號將被閉鎖，驅(qū)動信號停發(fā)，電路由正常工作模式轉(zhuǎn)入保護(hù)控制模式。保護(hù)模式下，控制系統(tǒng)會在閉鎖驅(qū)動信號后，經(jīng)過一

5、定的時間，自動地進(jìn)行重啟動，如果再發(fā)生過電流，電源將停止工作。2 軟件設(shè)計21 軟件總體設(shè)計軟件部分主要包括SPWM的產(chǎn)生，AD轉(zhuǎn)換，PID調(diào)節(jié)，頻率捕獲，軟啟動和保護(hù)。主要功能是通過正弦脈寬調(diào)制技術(shù)控制三相橋式逆變器，使其輸出頻率可調(diào)、幅值穩(wěn)定的三相正弦電壓，通過AD轉(zhuǎn)換對輸出的電壓和電流進(jìn)行采樣，對輸出電壓、電流實時監(jiān)控，當(dāng)電流超過36A時切斷三相逆變橋的輸出，對電路進(jìn)行保護(hù)。通過PID調(diào)節(jié)使輸出電壓變化時也能及時的做出反應(yīng)，使輸出電壓穩(wěn)定在36V。在系統(tǒng)的啟動過程中使用軟啟動減少電壓和電流對系統(tǒng)回路的沖擊。       主程序流

6、程圖如圖5所示。22 SPWM生成原理SPWM流程圖如圖6所示。在程序的初始化部分建立一個正弦表，在系統(tǒng)運行的時候可以通過查表的方式得到想要的數(shù)據(jù)。假設(shè)在一個正弦波周期內(nèi)采樣的次數(shù)為NX，則在第i個點的采樣值為在實際使用中由于正弦表中的值要能被比較寄存器使用，所以不能出現(xiàn)負(fù)值，從上式可以看出當(dāng)此時就不能正常使用了，因此可以把上面的公式改寫為下面的形式：其中PR為周期寄存器中的計數(shù)周期值。對yi取整，從i=1到i=NX，得到NX個正弦采樣值的表格，設(shè)置通用定時器的計數(shù)方式為連續(xù)增減計數(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)律變化的方波信號。這里NX取180，載波比為3的整數(shù)倍(載波

7、比=調(diào)制波頻率載波頻率)，這樣可以使三相輸出波形嚴(yán)格對稱，減少諧波對輸出電壓波形的影響。      23 顯示電路為了提高產(chǎn)品的人機交互性，系統(tǒng)中加了顯示電路，經(jīng)過比較，我們采用SPLC50lA液晶顯示屏完成顯示工作，顯示電路與DSP2812連接框圖如圖7所示：TMS320F2812對任何一個映射在XINTF區(qū)的外部器件進(jìn)行讀寫訪問都可劃分為三個階段：建立階段、激活階段和跟蹤階段。這次設(shè)計中LCD映射到了XINTF0，默認(rèn)情況下三個階段的周期分別為6個XTIMCLK周期，14個XTIMCLK周期和6個XTIMCLK周期，如果將XTIMCLK的頻

8、率設(shè)置為SYSCLKOUT的l2，則讀寫周期的最大值為1 80ns。三個階段的讀寫時序圖如圖8所示：凌陽SPLC501液晶模塊的使能信號CS的周期最小為166ns，時序圖如圖9所示。由前面分析可得，DSP的讀寫周期最大值為180ns，液晶模塊的讀寫周期最小為166ns，DSP的讀寫時序能滿足該液晶模塊的要求。3 創(chuàng)新點設(shè)計本系統(tǒng)設(shè)計采用交一直一交變頻方式，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)運用模塊化設(shè)計，將變頻電源的各部分很好的結(jié)合在一起，實現(xiàn)變頻輸出；高精度顯示電壓、電流、頻率、有功功率，所測信號數(shù)值為真有效值，電壓輸出精度高，誤差小于5，輸出三相正弦波失真度小，并且具有過壓、過流、缺相保護(hù)等功能，性能穩(wěn)定，本系

9、統(tǒng)設(shè)計的創(chuàng)新點在于：1)結(jié)合TMS320LF2812芯片的AD單元，對三相變頻電源的輸出線電壓、線電流進(jìn)行采樣，外擴(kuò)隨即存儲器，通過SPLC50l液晶顯示器顯示電壓、電流以及頻率的值，可以實現(xiàn)自主采樣和數(shù)據(jù)傳輸，大大提高數(shù)據(jù)采集效率，實時的顯示變頻電源的電壓、電流的有效值，顯示精度高，實時性好。2)結(jié)合TMS320F2812事件管理器EV單元，采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)，通過對SPWM程序進(jìn)行設(shè)計和改進(jìn)算法，可以有效的調(diào)節(jié)三相變頻電源輸出的頻率和有效值，實時陛好，精度高。3)變頻電源系統(tǒng)控制部分完全實現(xiàn)了數(shù)字化，控制精度更高，抗干擾能力強。4 測試結(jié)果根據(jù)設(shè)計要求，我們試制了樣品，由示波器觀察到的相電壓和線電