PWM控制電路的基本構(gòu)成及工作原理

1、基于 DSP 的三相 SPWM 變頻電源的設(shè)計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。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)。本文實現(xiàn)了基于 TMS320F28335 的變頻電源數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計， 通過有效利用 TMS320F28335 豐富的片上硬件資源， 實現(xiàn)了 SPWM 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，具有運算速度快、精度高、靈活性好、系統(tǒng)擴展能力強等優(yōu)點。系統(tǒng)總體介紹根據(jù)結(jié)

2、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)界首款浮點數(shù)字信號控制器 TMS320F28335,它具有 150MHz 高速處理能力，具備 32 位浮點處理單元，單指令周期 32 位累加運算，可滿足應(yīng)用對于更快代碼開發(fā)與集成高級控制器的浮點處理器性能的要求。與上一代領(lǐng)先的數(shù)字信號處理器相比，最新的 F2833x 浮點控制器不僅可將性能平均提升50%,還具有精

3、度更高、簡化軟件開發(fā)、兼容定點 C28xTM 控制器軟件的特點。系統(tǒng)總體框圖如圖 1 所示。檸期也降圖 1 系統(tǒng)總體框圖(1)整流濾波模塊：對電網(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 S3WM 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。

4、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。系統(tǒng)硬件設(shè)計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。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

5、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)選的門級驅(qū)動器及保護(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

6、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 3QIPM 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(jìn)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 IR21

7、30 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(hù)中斷，在中斷程序中封鎖PWM信號。圖 3IR2130 驅(qū)動其中 1 個橋臂的電路原理圖輸出濾波模塊采用 SPWM 控制的逆變電路，輸

8、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=10（iF。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(jìn)行衰減欣大的比仞以滿足 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 組成程控彳 W 號放大/衰減器，每個輸入通道的輸入特性為 1a 輸入阻抗+30pF 電壓檢測模塊電路原理

9、圖如圖 4 所示。圖 4 電壓檢測電路原理圖系統(tǒng)軟件設(shè)計X器3迄窗系統(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，啟動定時器，然后循環(huán)進(jìn)行故障檢測和保護(hù)，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 所示升皓?條堆軻性?.之時黑加幃目54對常值,圖 5 主程序流程圖定時器周期中斷子程序主要進(jìn)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 所示丁仙則同樸匕也一/限壽釬愷號曾用電工BTW篁一冏中.世津口1產(chǎn)事曾吊他號JL;

10、二成對定立胖1圖 6 定時器周期中斷流程圖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。XA 相電壓和電流 A/D 的同步采樣部分代碼如下：interrupt:voidadc_ir(uuid)iIf(coun?ter-fl)receiup_an_tfatai.*i 二育 n 仁 Rpg 亨.UDIZRE寫/右撥西拉dLAfJfr*-.ADCRESULT；/右移四位)If(counitr=1)U)i)i/2;i-eceiwp_bf

11、t_dataj*J(recFiue_hQ_datajfl+J*(AricRegs.fl&CRESULTI)/2;if(1-E12(l-0；10-0；if( (ja-=5.12) )(j=-a；;eount( (?r*+;AdcRegsCTRLZ.1t.RSiSEq1-i;/聶包排序器dcRegj,ftPGST.biit.IHT_SEQ1_CLR-1;/消中斷標(biāo)志位 PieCtrlRrgs.P1OCK.all-P1EACK_GROUP1;/開中斷應(yīng)答數(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)頻率檢測算法SVPWM 算法變頻電源的核心就是 SVP

12、WM 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，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，使相應(yīng)的開關(guān)器件截止。由此，逆變器的輸出電壓波形為脈沖列，其特點是：半個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。本文采用不對稱規(guī)則采樣法，即在三角波的頂點位置與低點位置對正弦波進(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

13、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)通時間。由圖 7 得：TortI【4 附的又.=DM*-打TOK=I4-闡ii鼠患j,.I,入5納-2)當(dāng) k 為偶數(shù)時代表頂點采樣，k 為奇數(shù)時代表底點采樣。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。*WM 波的頻率由定時時間與正弦表的點

14、數(shù)決定。SVPWM 算法的部分代碼如下:voidInitEvfvciid)IE*LL口叫CpiaHukRegnGPAig菁rall-exBOFF；EOIS；EuaRpgS-FAIFRfi.all至0KFFFF：/市除中斷標(biāo)志EvaHCjjiSHFH-定時會1冏期誓.定時口”手曰EwaRegs.TICMPR：=MFWM；比菽值韌垢?EvRfgs.TlCNT-D；EuaRpgs.TICDN.all-QXF5HE；FF增慢式增慢式*TPSB0M/32-2*5Mb+勢多 f 有。TRb1dli=EUdHE!g.DBTUONA州，32： .5死區(qū)支，可5*0*litdE-N壯耳EujAtigg.COHC

15、ONft.jllwQxAADO;/匕匕較控制寄存器EuaReps.EURIMRA) ).ai1=QM強g：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(jìn)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(jìn)行優(yōu)化。PID 算法數(shù)學(xué)表達(dá)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(jìn)行處理，并對輸出的 4WM 波進(jìn)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:FloatPIDCalcfPID*pp,

16、intHextPoint)int(JError.Error;Error=pp-SetPoint*1O-NextPoint;/偏差pp-SuraError+?Error;/積分dError-pp-La5tError-pp-PrevError；/當(dāng)前微分pp-PrevError=pp-LastError;pp-LastError=Error;return(pp-Proportion)*Error/比例項+(pp-Integral)*(pp-SumError)/積分項+(pp-Deriuatiue)*dError);/撤分笳頻率檢測算法頻率檢測算法用來檢測系統(tǒng)輸出電壓的頻率。用 TMS320F283

17、35 片上事件管理器模塊的捕獲單元捕捉被測信號的有效電平跳變沿，并通過內(nèi)部的計數(shù)器記錄一個周波內(nèi)標(biāo)頻脈沖個數(shù)，最終進(jìn)行相應(yīng)的運算后得到被測信號頻率。實驗結(jié)果測量波形在完成上述硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，本文采用特定的 PWM 控制策略，使逆變器拖動感應(yīng)電機運行，并進(jìn)行了短路、電機堵轉(zhuǎn)等實驗，證明采用逆變器性能穩(wěn)定，能可靠地實現(xiàn)過流和短路保護(hù)。圖 8 是電機在空載條件下，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 輸出線電壓波形測試數(shù)據(jù)在不同頻率及不同線電壓 Tf 況下的測試數(shù)據(jù)如表 1 所示。表 1 不同輸出頻率及不同線電壓情況下實驗結(jié)果蠟稠痂聿參號電樂輸Hl桀電昨”相片誤差測量值的對設(shè)若4029.50.55017游甌60,1。1昶也4D.fiabii50302孔茜0,1aou:Mi35,4口.5aan徜1電60.4o.OOA7D的66a120掰甌70,3fl.MR504%50.50.U109030源后0.2G007腎甌