基于DSP的三相SPWM變頻電源的設(shè)計(jì)

1、基于 DSP 的三相 SPWM 變頻電源的設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)的安全和可靠性指標(biāo)?，F(xiàn)代變頻電源以低功耗、高效率、電路 簡(jiǎn)潔等顯著優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。變頻電源的整個(gè)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)。本文實(shí)現(xiàn)了基于 TMS320F28335 的變頻電源數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)，通過有效利用 TMS320F28335 豐富的片上硬件資源，實(shí)現(xiàn)了 SP WM 的不規(guī)則采樣，并采用 PID 算法使系統(tǒng)產(chǎn)生高品質(zhì)的正弦波， 具有運(yùn)算速度快、精度高、靈活性好、系統(tǒng)擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。系

2、統(tǒng)總體介紹根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，變頻電源可分為直接變頻電源與間接變頻電源兩 大類。本文所研究的變頻電源采用間接變頻結(jié)構(gòu)即交 -直-交變換過 程。首先通過單相全橋整流電路完成交 -直變換，然后在 DSP 控制下 把直流電源轉(zhuǎn)換成三相 SPWM 波形供給后級(jí)濾波電路，形成標(biāo)準(zhǔn)的 正弦波。變頻系統(tǒng)控制器采用 TI 公司推出的業(yè)界首款浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào) 控制器TMS320F28335 ,它具有150MHZ高速處理能力，具備32位 浮點(diǎn)處理單元，單指令周期 32位累加運(yùn)算，可滿足應(yīng)用對(duì)于更快代 碼開發(fā)與集成高級(jí)控制器的浮點(diǎn)處理器性能的要求。 與上一代領(lǐng)先的 數(shù)字信號(hào)處理器相比，最新的 F2833x 浮點(diǎn)控制器不僅可將

3、性能平均提升50% ,還具有精度更高、簡(jiǎn)化軟件開發(fā)、兼容定點(diǎn) C28x TM控制器軟件的特點(diǎn)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示-4ff(q r.4DnnAS IPM IIIF出胡 Lb,-MTI1Sl32O2335AnC1CAFn1.H圖1系統(tǒng)總體框圖（1）整流濾波模塊：對(duì)電網(wǎng)輸入的交流電進(jìn)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(jí)采用智能型IPM功率模塊，具有電路簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)。（3）LC濾波模塊：濾除干擾和無用信號(hào)，使輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。（4）控制電路模塊：檢測(cè)輸出電壓、電流信號(hào)后，按照一定的 控制算法和控制策略產(chǎn)生 SPWM控

4、制信號(hào)，去控制IPM開關(guān)管的通 斷從而保持輸出電壓穩(wěn)定，同時(shí)通過 SPI接口完成對(duì)輸入電壓信號(hào)、 電流信號(hào)的程控調(diào)理。捕獲單元完成對(duì)輸出信號(hào)的測(cè)頻。(5) 電壓、電流檢測(cè)模塊：根據(jù)要求，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)線電壓及相電流的變化，所以需要三路電壓檢測(cè)和三路電流檢測(cè)電路。所有的檢測(cè)信號(hào)都經(jīng)過電壓跟隨器隔離后由 TMS320F28335的AlD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。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)變頻電源的硬件電路主要包含 6個(gè)模塊：整流電路模塊、IPM電路模塊、IPM隔離驅(qū)動(dòng)模塊、輸出濾波模塊、電壓檢測(cè)模塊和TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理模塊。

5、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IPM 電路模塊IPM 由高速、低功率 IGBT 、優(yōu)選的門級(jí)驅(qū)動(dòng)器及保護(hù)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(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件。 GT R 飽和壓降低， 載流密度大， 但驅(qū)動(dòng)電流較大； MoSFET 驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，

6、驅(qū)動(dòng)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(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)。本文選用的 IPM 是日本富士公司的 型號(hào)為 6MBP20RH060 的智能功率模塊，該智能功率模塊由 6只 IGB T管子組成，其IGBT的耐壓值為600V,最小死區(qū)導(dǎo)通時(shí)間為3sIPM 隔離驅(qū)動(dòng)模塊由于逆變橋的工作電壓較高，因此 DSP的弱電信號(hào)很難直接控 制逆變橋進(jìn)行逆變。 美國(guó)國(guó)際整流器公司生產(chǎn)的三相橋式驅(qū)動(dòng)集成電 路IR2130,只需一個(gè)供電電源即可驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變電路的6個(gè)功率開關(guān)器件。IR2130驅(qū)動(dòng)其中1個(gè)橋臂的電路原理圖如圖3所示。

7、C1是自舉電容，為上橋臂功率管驅(qū)動(dòng)的懸浮電源存儲(chǔ)能量， D1 可防止上橋臂導(dǎo)通時(shí)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(dòng)電阻，一般可采用十到幾十歐姆。R3和R4組成過流檢測(cè)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(dòng)信 號(hào)與TMS320F8335的PWM連接，由TMS320F8335控制產(chǎn)生 PWM控制信號(hào)的輸入，F(xiàn)AULT與TMS320F8335引腳PDPINA連接,旦出現(xiàn)故障則觸發(fā)功率保護(hù)中斷，在中斷程序中封鎖PWM信號(hào)&!圖3 IR2130驅(qū)動(dòng)其中1個(gè)橋臂的電路原

8、理圖輸出濾波模塊采用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=IoaFO電壓檢測(cè)模塊電壓檢測(cè)是完成閉環(huán)控制的重要環(huán)節(jié)，為了精確的測(cè)量線電壓，通過TMS320F28335的SPl總線及GPIo 口控制對(duì)輸入的線電壓進(jìn)行衰減/放大的比例以滿足A/D模塊對(duì)輸入信號(hào)電平（0-3V）的要求。電壓檢測(cè)模塊采用256抽頭的數(shù)字電位器AD5290和高速運(yùn)算放大器AD8202組成程控信號(hào)放大/衰減器，每個(gè)輸入通道的輸入特性為 1M輸入阻抗+30PFO電壓檢測(cè)模

9、塊電路原理圖如圖 4所示。圖4電壓檢測(cè)電路原理圖系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(jìn)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(dòng)定時(shí)器，然后循環(huán)進(jìn)行故障檢測(cè)和保護(hù)，并等待中斷。主要包括三部分內(nèi)容：定時(shí)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。WWFMUr WIUrWMitiJST圖5主程序流程圖定時(shí)器周期中斷子程序主要進(jìn)行Pl調(diào)節(jié)，更新占空比，產(chǎn)生SPWM波。定時(shí)器周期中斷流程圖如圖6所示。A13-t,i!圖6定時(shí)器周期中斷流程圖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

10、信號(hào)間沒 有相對(duì)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(duì)A相電壓和電流A/D的同步采樣部分代碼如下：Intiprriiiifel Ulni drt t CI）If（CoUirteri=aj電r-PF; 棒耳杜L4CCU 1） 材錯(cuò)社取7F體*平滑灤tCTFGL i1 r_1 &_RFS T 二曠Pie睜左巴工上鼻Lj*鼻 IrCfliiU-3H rttjsJ0*if （ I=S 1 Z） Xf （ j 12） ; J W-tS CQUnItBrB - *： Rros MCTRL E 41 ,BS T_SBQl

11、- 1; ft 買譚推序再Hd7Hpg .mci .nitx hi -SIqJF_ei.H - 1J / flpi.EiiPirGt I lHrgn TrlEACH-4l亍 * t*7c*CH RRDU 1；/ 訓(xùn)-中暢應(yīng)誓數(shù)據(jù)處理算法本系統(tǒng)主要用到以下算法：（1）SVPWM算法（2）PID調(diào)節(jié)算法（3）頻率檢測(cè)算法SVPWM算法變頻電源的核心就是SVPWM波的產(chǎn)生，SPWM波是以正弦波 作為基準(zhǔn)波（調(diào)制波），用一列等幅的三角波（載波）與基準(zhǔn)正弦波 相比較產(chǎn)生PWM波的控制方式。當(dāng)基準(zhǔn)正弦波高于三角波時(shí)，使相 應(yīng)的開關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)基準(zhǔn)正弦波低于三角波時(shí)，使相應(yīng)的開關(guān)器件 截止。由此，逆變器的輸

12、出電壓波形為脈沖列，其特點(diǎn)是：半個(gè)周期中各脈沖等距等幅不等寬，總是中間寬，兩邊窄，各脈沖面積與該區(qū) 間正弦波下的面積成比例。這種脈沖波經(jīng)過低通濾波后可得到與調(diào)制 波同頻率的正弦波，正弦波幅值和頻率由調(diào)制波的幅值和頻率決定。本文采用不對(duì)稱規(guī)則采樣法，即在三角波的頂點(diǎn)位置與低點(diǎn)位置 對(duì)正弦波進(jìn)行采樣，它形成的階梯波更接近正弦波。 不規(guī)則采樣法生 成SPWM波原理如圖7所示。圖中，TC是載波周期，M是調(diào)制度，N為載波比，Ton為導(dǎo)通時(shí)間。由圖7得：Tat = t +0 = C1? J -2N - 2)尬2 =學(xué)卩丄“小零 = L- R當(dāng)k為偶數(shù)時(shí)代表頂點(diǎn)米樣，k為奇數(shù)時(shí)代表底點(diǎn)米樣。SVPWM算法實(shí)

13、現(xiàn)過程：利用F28335內(nèi)部的事件管理器模塊的3個(gè)全比較單元、通用定 時(shí)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(shí)際應(yīng)用時(shí)在程序的初始化部分建立一個(gè)正弦表，設(shè)置通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)方式為連續(xù)增計(jì)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(shí)時(shí)間與正弦表的點(diǎn)數(shù)決定。SVPWM算法的部分代碼如下:LInI rt InI ti uuEALL L1W：OPliarMMH*g. jdwnukfr ；EDES；Fu血尸”，刖刖IFMjIll - HICFFItF ; 縛陳申斷標(biāo)JEUaRtgi BIIPiR- 齊皿建町愛同明值定對(duì)

14、 2W2%則amEUaHelS-TICMFn - KPUM; rre UHrj3 . TMhir 0 EUHry%.T IN-1 I SuF 弘城；聲曾填武 T f S Z ,5 M , T I EWM町的HLdH lOW; PwM1EuReS .D0TCC N-all -觸眄加：使噩城拭 7tT QOM/證硏I.外區(qū)&EuR9jS,COHCH B311 - 觸“機(jī)叭 t 來茬刑哥有爺ESetroint*10 HeXtPoInt; / 偏差 pp-SunError+= ErrOr; / 積分 dErr=p-LagtErrr-p)-PreuError ； / 當(dāng)前微分 pp-PreuError

15、= PP-JLaStError;p-LastError = ErrOr J return(pp-Proportion * Error H 比例項(xiàng) (pp-ntegral3 * (pp-SuCrror) /7 (pp-leriatiue dErrcr); H 撤分頻率檢測(cè)算法頻率檢測(cè)算法用來檢測(cè)系統(tǒng)輸出電壓的頻率。用TMS320F28335 片上事件管理器模塊的捕獲單元捕捉被測(cè)信號(hào)的有效電平跳變沿，并通過內(nèi)部的計(jì)數(shù)器記錄一個(gè)周波內(nèi)標(biāo)頻脈沖個(gè)數(shù)，最終進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算后得到被測(cè)信號(hào)頻率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果 測(cè)量波形在完成上述硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文采用特定的PWM控制策略， 使逆變器拖動(dòng)感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行，并進(jìn)行了短路

16、、電機(jī)堵轉(zhuǎn)等實(shí)驗(yàn)，證明 采用逆變器性能穩(wěn)定，能可靠地實(shí)現(xiàn)過流和短路保護(hù)。圖8是電機(jī)在 空載條件下，用數(shù)字示波器記錄的穩(wěn)態(tài)電壓波形。幅度為 35V ,頻率為 60Hz。圖7不規(guī)則采樣法生成SPWM波原理圖圖8輸出線電壓波形1所示。測(cè)試數(shù)據(jù)在不同頻率及不同線電壓情況下的測(cè)試數(shù)據(jù)如表表1不同輸出頻率及不同線電壓情況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果UlZ)ihr 門)碼、IJfi0.5認(rèn)OlT站沖0.1OQI 4(LHUJiI!?29.0.1.01335.4(J. b.1?44i0,4flpfXl70uy.4Q上B.(O航10.X11. rm505U.0.U D90S&爭(zhēng)酥QfOT 73 0.011前毗墨,MIW3L. 70Xl