基于DSP的三相SPWM變頻電源的設計

變頻電源作為電源系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關系到整個系統(tǒng)的安全和可靠性指標。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)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，形成標準的正弦波。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%，還具有精度更高、簡化軟件開發(fā)、兼容定點C28x TM控制器軟件的特點。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

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，使輸出信號為標準正弦波。

　　（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壓，該電路由6只整流二極管和吸收負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（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅(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，開關速度快，但導通壓降大，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)導通時間為3μs。

　　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HIN1~HIN3、LIN1~LIN3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

　　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=10μF。

　　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1MΩ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

系統(tǒng)軟件設計

　　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，進行相關變量、控制寄存器初始化設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

　　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：

　　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SVPWM波的產(chǎn)生，SPWM波是以正弦波作為基準波（調(diào)制波），用一列等幅的三角波（載波）與基準正弦波相比較產(chǎn)生PWM波的控制方式。當基準正弦波高于三角波時，使相應的開關器件導通；當基準正弦波低于三角波時，使相應的開關器件截止。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為導通時間。

　　由圖7得：

　　當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。實際應用時在程序的初始化部分建立一個正弦表，設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：

　　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：

　　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TMS320F28335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)標頻脈沖個數(shù)，最終進行相應的運算后得到被測信號頻率。

　　實驗結(jié)果

　　測量波形

　　在完成上述硬件設計的基礎上，本文采用特定的PWM控制策略，使逆變器拖動感應電機運行，并進行了短路、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。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情況下的測試數(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

　　結(jié)果分析

　　由示波器觀察到的線電壓波形可以看出，波形接近正弦波，基本無失真；由表中數(shù)據(jù)可以看出，不同頻率下，輸出線電壓最大的絕對誤差只有0.6V，相對誤差為1.7%。

　　結(jié)束語

　　本文設計的三相正弦波變頻電源，由于采用了不對稱規(guī)則采樣算法和PID算法使輸出的線電壓波形基本為正弦波，其絕對誤差小于1.7%；同時具有故障保護功能，可以自動切斷輸入交流電源。因此本系統(tǒng)具有電路簡單、抗干擾性能好、控制效果佳等優(yōu)點，便于工程應用，具有較大的實際應用價值。