變頻電源基本控制電路系統(tǒng)方案解析

變頻技術(shù)是電力電子技術(shù)的主要組成部分，應(yīng)用于包括交流電機(jī)的調(diào)速和供電電源等多個(gè)重要領(lǐng)域。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)已廣泛應(yīng)用在高頻開關(guān)電源的控制，采取DSP作為變頻電源的控制核心，可以用最少的軟硬件實(shí)現(xiàn)靈活、準(zhǔn)確的在線控制。本文提出了一種基于DSP(數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407)的SPWM三相間接變頻電源系統(tǒng)。數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407既有一般DSP芯片的特點(diǎn)，還在片內(nèi)集成了許多外設(shè)電路，使其可以很方便地實(shí)現(xiàn)變頻電源控制。本文中，控制系統(tǒng)采用了工程應(yīng)用較多的正弦脈寬凋制技術(shù)，該技術(shù)具有算法簡(jiǎn)單，硬件實(shí)現(xiàn)容易，諧波較小等優(yōu)點(diǎn)，可以充分發(fā)揮DSP的高速性、實(shí)時(shí)性、可靠性等方面的特點(diǎn)，結(jié)合相應(yīng)的軟件，應(yīng)用一些改進(jìn)的算法實(shí)現(xiàn)了SPWM調(diào)制，輸出了質(zhì)量較好、頻率和幅值可任意改變的控制信號(hào)。

首先介紹了變頻電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及原理，設(shè)計(jì)了以三菱IPM模塊為基礎(chǔ)的包括整流電路、逆變電路、輸出濾波器的主回路。在分析了SPWM調(diào)制原理的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)型的規(guī)則采樣法產(chǎn)生SPWM波。另外并對(duì)死區(qū)產(chǎn)生的影響做了分析，并給出了兩種補(bǔ)償方法。 在變頻電源數(shù)字控制器國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的控制器硬件結(jié)構(gòu)，并對(duì)控制器的實(shí)時(shí)性、可靠性和兼容性作了詳細(xì)的分析。為滿足高速和精確的采樣，論文在控制器硬件中設(shè)計(jì)了鎖相環(huán)電路。為滿足智能功率模塊(IPM)對(duì)死區(qū)時(shí)間的要求，在對(duì)電路仿真分析的前提下，論文在控制器硬件中設(shè)計(jì)了獨(dú)立的硬件死區(qū)延時(shí)電路。 控制器的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為人機(jī)接口程序和控制程序。人機(jī)接口程序?qū)崿F(xiàn)了實(shí)時(shí)電壓電流數(shù)據(jù)及其波形顯示，控制參數(shù)顯示及在線修改等功能;控制程序?qū)崿F(xiàn)了信號(hào)采樣分析、PWM脈沖調(diào)制和觸發(fā)、PI控制器等程序。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

變頻電源采用高頻SPWM技術(shù)和通用電壓型單相全橋逆變電路，選取ICBT功率模塊作為開關(guān)器件，控制電路采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)。

輸出電壓和電感電流通過采樣網(wǎng)絡(luò)，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為TMS320LF2407所需要的電平，接至TMS3201F2407的A/D轉(zhuǎn)換口。通過鍵盤鍵入所要求的輸出電壓值、頻率值，由SCI模塊與DSP實(shí)現(xiàn)通訊。得到逆變器當(dāng)前工作的基準(zhǔn)電壓信號(hào)，經(jīng)過電壓電流調(diào)節(jié)器獲得實(shí)際的正弦調(diào)制信號(hào)，與DSP定時(shí)器產(chǎn)生的三角波載波信號(hào)相交截，輸出帶有一定死區(qū)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行隔離放大后送到IGBT。DSP可以把當(dāng)前時(shí)刻的輸出電壓、頻率值送給單片機(jī)并在8位LED上顯示出來。為了保證過壓、欠壓、過流(過載)的情況下能有效地保護(hù)功率開關(guān)和負(fù)載，在本系統(tǒng)中設(shè)置了保護(hù)電路，一旦出現(xiàn)故障，PDPINT引腳為低電平狀態(tài)，封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖控制信號(hào)，切斷變頻電源輸出。

2 SPWM原理

在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當(dāng)正弦值較小時(shí)，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調(diào)制。

DSP實(shí)時(shí)地從單片機(jī)讀取所需要的電壓的頻率和幅值作為當(dāng)前輸出電壓的基準(zhǔn)(給定)。獲取當(dāng)前時(shí)刻的正弦值，基準(zhǔn)正弦信號(hào)是通過查表法產(chǎn)生的。在數(shù)字控制系統(tǒng)中正弦基準(zhǔn)信號(hào)就是一個(gè)正弦數(shù)據(jù)表格，故應(yīng)將正弦波按其表達(dá)式制成0°～360°的表格供查用，在本設(shè)計(jì)中，正弦數(shù)據(jù)表格中數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)選為1024，可將其數(shù)值放在片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。有如卜關(guān)系式：

式中：fs為當(dāng)前時(shí)刻調(diào)制頻率;

t為采樣時(shí)刻;

N為當(dāng)前時(shí)刻處在整個(gè)調(diào)制周期的第N個(gè)脈沖。

由于本系統(tǒng)系變頻電源，即fS是在變化的，且系統(tǒng)采用的是異步調(diào)制，所以N也是隨fS變化而變化的。由此必須實(shí)時(shí)變化定時(shí)時(shí)間T以確保整個(gè)周期的脈沖數(shù)最大限度地接近整數(shù)，以避免或減少輸出波形含有基波的子諧波;此外，還須實(shí)時(shí)地改變脈沖序列，以保證輸出電壓值不發(fā)生較大的跳變。

3.1.1 實(shí)時(shí)改變定時(shí)時(shí)間

假設(shè)fS=400 Hz，則頻率凋制比Mf為

由于整個(gè)周期的脈沖數(shù)NE超過1，所以NE只能選用定標(biāo)為Q0，即NE只能為整數(shù)，所以NE=62，從而在脈沖數(shù)上出現(xiàn)了相差了O.5個(gè)，反映在橋臂輸出電壓上，有正負(fù)輸出所含的脈沖數(shù)不相同。由此會(huì)產(chǎn)生基頻的子諧波。

如果我們以當(dāng)前的脈沖數(shù)NE回推出開關(guān)頻率，則有fc=62x400=24.8kHz，這樣確定的開關(guān)頻率，就最大限度地保汪了正負(fù)調(diào)制周期的脈沖數(shù)近似相同。設(shè)計(jì)中，定時(shí)器1的工作方式設(shè)定為連續(xù)增減計(jì)數(shù)方式，故

其中fcpu=20 MHz為時(shí)鐘頻率，開關(guān)頻率25 kHz時(shí)可得定時(shí)時(shí)間T為40μs，T1PR為400;而開關(guān)頻率為24.8 kHz時(shí)可得定時(shí)時(shí)間T為40.65μs，T1PR為403.225，T1PR定標(biāo)為Q0，所以只能為整數(shù)403，故求得頻率調(diào)制比

,所以正負(fù)調(diào)制周期的脈沖數(shù)相差極少，為0.035，這樣就最大限度的消除了基頻的子諧波。

3.1.2 實(shí)時(shí)改變脈沖序列

脈沖序列是一種連續(xù)有序輸出的具有二進(jìn)制數(shù)特點(diǎn)的脈沖隊(duì)列，它可通過一路或多路同步輸出。

當(dāng)頻率不發(fā)生改變時(shí)，DSP按原來的輸出序列(N=1，2，…NE)循環(huán)輸出脈沖，設(shè)在第N個(gè)周期時(shí)，頻率發(fā)生改變，則DSP應(yīng)按新的脈沖序列(N′=l，2，…NE′)輸出脈沖。

圖2中，在N=25時(shí)刻頻率從500Hz變化到250Hz，由于N=25對(duì)應(yīng)輸出頻率500Hz為零點(diǎn)處，對(duì)應(yīng)于輸出頻率250Hz為正峰值處，所以如果不改變輸出脈沖序列，則會(huì)導(dǎo)致輸出電壓相位和電壓值都出現(xiàn)跳變，如圖2(a)所示;圖2(b)中按一定的規(guī)律改變輸出脈沖序列，輸出電壓相位和電壓值就不會(huì)出現(xiàn)跳變。為了保證在頻率切換過程中電壓的相位變化最小，輸出電壓值不發(fā)生較大的跳變，應(yīng)按下式來確定新的脈沖序列中起始的脈沖序號(hào)N′，即令：

具體流程如圖3所示。

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3.2 雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)

圖4為電壓、電流雙閉環(huán)數(shù)寧控制流程圖。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到一些具體情況，還需對(duì)電壓調(diào)節(jié)器的數(shù)字PI調(diào)節(jié)及電流調(diào)節(jié)器的數(shù)字P調(diào)節(jié)加以一定的限制，針對(duì)不同的情況采取最佳控制方法。故在圖4中(1)、(1’)、(2)、(3)、(3’)處采用了一些改進(jìn)算法及策略，下面分別加以簡(jiǎn)單介紹。

在圖4中(1)和(1’)處設(shè)置了死區(qū)，岡為在輸出變化較小時(shí)，通過計(jì)算得到的PWM控制寄存器的值可能也會(huì)有小幅度的振動(dòng)，這樣會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定。若設(shè)置適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)范圍，則可以消除由此引起的振蕩，又不會(huì)太大影響輸出精度。根據(jù)實(shí)際情況分別設(shè)定最小輸入偏差量e1(e1’)，即當(dāng)|ev(k)|e0，取消積分作用，用P控制，當(dāng)|ev(k)|≤e0，引入積分作用，這樣既保持了積分作用，又減小超調(diào)量。使系統(tǒng)的控制性能有很大改善。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述基本編程思路，編制了一個(gè)凋制比N可任意改變的通用SPWM產(chǎn)生軟件，只要通過按鍵輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，就可以根據(jù)負(fù)載的需要產(chǎn)生任意輸出頻率和電壓幅值的SPWM波。研制了一臺(tái)容量為5000VA的變頻器樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輸出電壓波形光滑，波形失真度低，輸出電壓的THD≤2%。圖5中，通過實(shí)時(shí)改變給定頻率以調(diào)節(jié)輸出電壓頻率，頻率由低逐漸增高，圖6中，通過實(shí)時(shí)改變給定電壓幅值以調(diào)節(jié)輸出電壓，電壓由低逐漸增高。從頻率、電壓的動(dòng)態(tài)過程可以看出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)變頻和變壓。

5 結(jié)語

數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)做某些模擬工作比模擬電路要出色，因此得以生存。在某些情況下，由于成本或復(fù)雜性的原因，任務(wù)甚至不能考慮用模擬電路，DSP仍然是一種可行的選擇，在很多情況下可以輕松地完成那些任務(wù)。這是因?yàn)镈SP進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算既好又快，如加法和乘法。聰明的數(shù)學(xué)家和工程師利用了這一實(shí)際，通過創(chuàng)造算法來解決主要采用兩種數(shù)、運(yùn)算的復(fù)雜的信號(hào)處理任務(wù)。本文以DSP作為主控芯片，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了SPWM變頻電源數(shù)字化控制，該方式控制靈活、調(diào)試方便、可靠性高。在使用雙閉環(huán)控制策略的變頻電源中，應(yīng)用適合于DSP特點(diǎn)的一些算法，編程產(chǎn)生了可以變頻變壓的SPWM波信號(hào)，設(shè)計(jì)的方法是可行的。數(shù)字化使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可編程性，這樣系統(tǒng)更易于更新和升級(jí)，并獲得了比較好的實(shí)驗(yàn)效果。為了更好地理解各種DSP芯片的可用選項(xiàng)以及器件各部分是如何配合作為一個(gè)整體，分析當(dāng)今市場(chǎng)上幾種有代表性的DSP是有幫助的。我們將仔細(xì)研究單核、單核加微控制器以及多核DSP芯片的例子。