基于SPWM控制全數(shù)字單相變頻器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本文介紹了基于DSPTMS320LF2407A并使用SPWM控制技術(shù)的全數(shù)字單相變頻器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法，最后給出了實(shí)驗(yàn)波形。

常見(jiàn)的AC/DC/AC變頻器，是對(duì)輸出部分進(jìn)行變頻、變壓調(diào)節(jié)，而且在多種逆變控制技術(shù)中，應(yīng)用最廣泛的一種逆變控制技術(shù)是正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，應(yīng)用DSP作為控制芯片以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，它既提高了系統(tǒng)可靠性，又使系統(tǒng)的控制精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、硬件簡(jiǎn)單、軟件編程容易，是變頻調(diào)速系統(tǒng)中最有發(fā)展前景的研究方向之一。

TMS320LF2407A芯片簡(jiǎn)介

TMS320LF2407A是TI公司專為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的單片DSP控制器。它具有高性能的C2XLP內(nèi)核，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，四級(jí)流水線操作，它不僅具備強(qiáng)大高速的運(yùn)算能力，而且內(nèi)部集成了豐富的電機(jī)控制外圍部件，如事件管理器EVA、EVB各包括3個(gè)獨(dú)立的雙向定時(shí)器;支持產(chǎn)生可編程的死區(qū)控制PWM輸出;4個(gè)捕獲口中的2個(gè)可直接連接來(lái)自光電編碼器的正交編碼脈沖;2個(gè)獨(dú)立的10位8路A/D轉(zhuǎn)換器可同時(shí)并行完成兩個(gè)模擬輸入的轉(zhuǎn)換;片內(nèi)的串行通信接口可用于與上位機(jī)通信;片內(nèi)串行外設(shè)口用于與外設(shè)之間通信;40個(gè)可獨(dú)立編程的復(fù)用I/O口可以選配成鍵盤輸入和示波器顯示的輸入/輸出口。這些為實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)變頻調(diào)速控制提供了極大的便利。

系統(tǒng)總體方案及硬件電路

圖1為系統(tǒng)硬件框圖。在本系統(tǒng)中，以TMS320LF2407A為主要控制芯片，逆變器采用SPWM調(diào)制控制方式實(shí)現(xiàn)變頻控制算法，系統(tǒng)硬件由主電路、顯示電路、鍵盤輸入電路以及檢測(cè)與保護(hù)電路等組成。DSP首先從鍵盤采集需要的頻率信號(hào)，接著通過(guò)運(yùn)算產(chǎn)生相應(yīng)的SPWM信號(hào)，通過(guò)光耦傳給驅(qū)動(dòng)電路再控制逆變橋中的功率管導(dǎo)通與關(guān)斷，同時(shí)采集主電路中的有關(guān)信號(hào)并判斷有無(wú)故障輸出。若有故障則關(guān)斷DSP的SPWM輸出，從而關(guān)斷主電路。

1、主電路組成

圖2為系統(tǒng)的主電路，由整流電路、濾波電路和逆變電路3部分組成。整流電路為三相不可控整流橋，由它將380 V、50 Hz交流電整流變換成脈動(dòng)直流電。電路中采用濾波電容進(jìn)行濾波，濾去電壓紋波，同時(shí)濾波電容還在整流電路與逆變器之間起去耦作用，以消除相互干擾。整流后的直流電壓平均值為UO=1.35U2≈1.4U2=540 V.U2為交流側(cè)電壓有效值?？紤]到輸入三相電有10%的波動(dòng)，所以UO=500～560 V.主電路圖中的功率器件G1、G2、G3、G4表示是IGBT器件，其型號(hào)是MG50Q2YS40，耐壓值為1 200 V，控制電壓為土20 V，電流為50 A.R1為限流電阻，防止沖擊電流對(duì)IGBT的損害。L1、L3為共模濾波器，HL1、HL2為電流霍爾元件，其作用為檢測(cè)主電路的電流值，作為保護(hù)電路的輸入信號(hào);另外還用到電壓霍爾元件，檢測(cè)電壓值，作為保護(hù)電路的輸入信號(hào)和電壓反饋信號(hào)，組成電壓負(fù)反饋。采用SPWM技術(shù)控制的4個(gè)IGBT進(jìn)行逆變，輸出的交流電經(jīng)過(guò)變壓器變壓后，再用LC濾波器進(jìn)行濾波，輸出220 V頻率可變的交流電。

2、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路

圖3為驅(qū)動(dòng)電路原理。本系統(tǒng)逆變電路功率器件采用IGBT芯片，因此驅(qū)動(dòng)電路選用4片三菱公司生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)模塊M57962L.該驅(qū)動(dòng)模塊為混合集成電路，將IGBT的驅(qū)動(dòng)和過(guò)流保護(hù)集于一體。圖3中M57962L的13腳接DSP的PWMl(其他3片M57962L分別接PWM2、PWM3、PWM4)，14腳接地，1、6腳分別接電源。另外，M57962L采用的是低電壓驅(qū)動(dòng)，即只有13腳輸入負(fù)電位時(shí)才能驅(qū)動(dòng)M57962L.這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于防止出現(xiàn)干擾，當(dāng)出現(xiàn)干擾波形時(shí)，采用低電平驅(qū)動(dòng)的M57962L不能驅(qū)動(dòng)。另外在關(guān)斷過(guò)程中，如果電壓變化過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生擎住現(xiàn)象，使IGBT失控，引起上下橋臂直通，因此，采用RC緩沖電路來(lái)抑制過(guò)電壓和電壓變化率du/dt.

系統(tǒng)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)逆變器部分采用SPWM規(guī)則采樣算法，其基本思想是使輸出的脈沖按正弦規(guī)律變化，這樣降低輸出電壓中的諧波分量，使輸出電壓更接近于正弦波。為了便于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，用規(guī)則采樣法生成SPWM脈沖序列，其原理如圖4所示。因?yàn)槿禽d波頻率比正弦波頻率高很多，所以將三角載波uc的一個(gè)周期內(nèi)的正弦調(diào)制波ut看作不變，這樣在一個(gè)三角波周期，只需在B點(diǎn)取樣一次，便可使生成的SPWM脈沖中點(diǎn)與對(duì)應(yīng)三角波的中點(diǎn)(A點(diǎn))重合，從而使SPWM脈沖的計(jì)算大為簡(jiǎn)化。設(shè)uc的幅值為1，正弦調(diào)制信號(hào)ut=Msinωtt，其中O≤M<1(M為調(diào)制度)。由于△ABC～△EDA，故有：

正弦函數(shù)值采用查表的方式求出。另外在每段的同步調(diào)制中取N為3的倍數(shù)。

軟件程序設(shè)計(jì)是逆變控制電路設(shè)計(jì)的核心。本系統(tǒng)軟件主要包括：主程序、中斷服務(wù)程序、PI調(diào)節(jié)程序、顯示程序等。圖5為主程序流程，圖6為中斷程序流程。在主程序中，完成DSP系統(tǒng)及外部設(shè)備初始化，I/O控制信號(hào)管理及正弦波信號(hào)產(chǎn)生和處理等。在中斷程序中，完成電流、電壓檢測(cè)，PI調(diào)節(jié)計(jì)算，計(jì)算恒壓頻比下的調(diào)制度M和頻率值，正弦波處理并給比較器CMPRl賦值等。

圖7為同一橋臂上下管PWMl與PWM2波形。由圖可見(jiàn)，上下橋臂設(shè)置了2μs的死區(qū)時(shí)間，以保證逆變電路的安全工作。圖8為DSP發(fā)出的PWM波形， (1)、(2)為兩個(gè)互補(bǔ)的等幅不等寬的脈沖信號(hào)。其中高電平為+5 V，低電位為O V，脈沖寬度是按照正弦規(guī)律變化的。由于M57962L芯片采用的是負(fù)電位驅(qū)動(dòng)，所以要采用電平轉(zhuǎn)換電路。圖9為最終驅(qū)動(dòng)IGBT的SPWM波形(轉(zhuǎn)換后的SPWM波形)，從圖中可以看出，波形的寬度是按照正弦規(guī)律變化的。圖10(a)、(b)分別為f=200 Hz和f=300 Hz時(shí)的輸出電壓波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輸出電壓波形質(zhì)量好，總諧波畸變率低。

結(jié)論

基于DSP的數(shù)字控制技術(shù)能大大改善產(chǎn)品的一致性，克服模擬控制帶來(lái)的產(chǎn)品性能分散性，同時(shí)增強(qiáng)了控制的柔性，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，有較好的應(yīng)用前景。本設(shè)計(jì)應(yīng)用TMS320LF2407A芯片采用SPWM控制技術(shù)，完成了將380 V、50 Hz的交流電源變換成輸出220 V、頻率為100～400 Hz可調(diào)的交流電源。通過(guò)對(duì)樣機(jī)的實(shí)際測(cè)量表明，輸出波形質(zhì)量良好，克服了過(guò)去這類電源采用體積大的中頻變壓器時(shí)出現(xiàn)的噪聲大、響應(yīng)慢、波形畸變嚴(yán)重等缺點(diǎn)，是有較好應(yīng)用前景的產(chǎn)品。