基于DSP的三相SPWM变频电源的设计

1、基于 DSP 的三相 SPWM 变频电源的设计变频电源作为电源系统的重要组成部分， 其性能的优劣直接关系到整 个系统的安全和可靠性指标。现代变频电源以低功耗、高效率、电路 简洁等显著优点而备受青睐。变频电源的整个电路由交流 -直流 -交流 -滤波等部分构成，输出电压和电流波形均为纯正的正弦波，且频率 和幅度在一定范围内可调。本文实现了基于 TMS320F28335 的变频电源数字控制系统的设 计，通过有效利用 TMS320F28335 丰富的片上硬件资源，实现了 SP WM 的不规则采样，并采用 PID 算法使系统产生高品质的正弦波， 具有运算速度快、精度高、灵活性好、系统扩展能力强等优点。系

2、统总体介绍根据结构不同，变频电源可分为直接变频电源与间接变频电源两 大类。本文所研究的变频电源采用间接变频结构即交 -直-交变换过 程。首先通过单相全桥整流电路完成交 -直变换，然后在 DSP 控制下 把直流电源转换成三相 SPWM 波形供给后级滤波电路，形成标准的 正弦波。变频系统控制器采用 TI 公司推出的业界首款浮点数字信号 控制器TMS320F28335 ,它具有150MHZ高速处理能力，具备32位 浮点处理单元，单指令周期 32位累加运算，可满足应用对于更快代 码开发与集成高级控制器的浮点处理器性能的要求。 与上一代领先的 数字信号处理器相比，最新的 F2833x 浮点控制器不仅可将

3、性能平均提升50% ,还具有精度更高、简化软件开发、兼容定点 C28x TM控制器软件的特点。系统总体框图如图1所示-4ff(q r.4DnnAS IPM IIIF出胡 Lb,-MTI1Sl32O2335AnC1CAFn1.H图1系统总体框图（1）整流滤波模块：对电网输入的交流电进行整流滤波，为变换器提供波纹较小的直流电压。（2）三相桥式逆变器模块：把直流电压变换成交流电。其中功 率级采用智能型IPM功率模块，具有电路简单、可靠性高等特点。（3）LC滤波模块：滤除干扰和无用信号，使输出信号为标准正弦波。（4）控制电路模块：检测输出电压、电流信号后，按照一定的 控制算法和控制策略产生 SPWM控

4、制信号，去控制IPM开关管的通 断从而保持输出电压稳定，同时通过 SPI接口完成对输入电压信号、 电流信号的程控调理。捕获单元完成对输出信号的测频。(5) 电压、电流检测模块：根据要求，需要实时检测线电压及相电流的变化，所以需要三路电压检测和三路电流检测电路。所有的检测信号都经过电压跟随器隔离后由 TMS320F28335的AlD通道输入。(6) 辅助电源模块：为控制电路提供满足一定技术要求的直流电源，以保证系统工作稳定可靠。系统硬件设计变频电源的硬件电路主要包含 6个模块：整流电路模块、IPM电路模块、IPM隔离驱动模块、输出滤波模块、电压检测模块和TMS320F28335数字信号处理模块。

5、整流电路模块采用二极管不可控整流电路以提高网侧电压功率因数，整流所得直流电压用大电容稳压为逆变器提供直流电压，该电路由6只整流二极管和吸收负载感性无功的直流稳压电容组成。整流电路原理图如图2所示。图 2 整流电路原理图IPM 电路模块IPM 由高速、低功率 IGBT 、优选的门级驱动器及保护电路组成。IGBT （绝缘栅双极型晶体管）是由BJT （双极型三极管）和MoS （绝 缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件。 GT R 饱和压降低， 载流密度大， 但驱动电流较大； MoSFET 驱动功率很 小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。 IGBT 综合了以上两 种器件的优点，

6、驱动功率小而饱和压降低， 非常适合应用于直流电压。 因而 IPM 具有高电流密度、低饱和电压、高耐压、高输入阻抗、高 开关频率和低驱动功率的优点。本文选用的 IPM 是日本富士公司的 型号为 6MBP20RH060 的智能功率模块，该智能功率模块由 6只 IGB T管子组成，其IGBT的耐压值为600V,最小死区导通时间为3sIPM 隔离驱动模块由于逆变桥的工作电压较高，因此 DSP的弱电信号很难直接控 制逆变桥进行逆变。 美国国际整流器公司生产的三相桥式驱动集成电 路IR2130,只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件。IR2130驱动其中1个桥臂的电路原理图如图3所示。

7、C1是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量， D1 可防止上桥臂导通时直流电压母线电压到IR2130的电源上而使器件损坏。R1和R2是IGBT的门极驱动电阻，一般可采用十到几十欧姆。R3和R4组成过流检测电路，其中R3是过流取样电阻，R4是作为分压用的可调 电阻。IR2130的HIN1HIN3、LIN1LIN3作为功率管的输入驱动信 号与TMS320F8335的PWM连接，由TMS320F8335控制产生 PWM控制信号的输入，FAULT与TMS320F8335引脚PDPINA连接,旦出现故障则触发功率保护中断，在中断程序中封锁PWM信号&!图3 IR2130驱动其中1个桥臂的电路原

8、理图输出滤波模块采用SPWM控制的逆变电路，输出的SPWM波中含有大量的高 频谐波。为了保证输出电压为纯正的正弦波，必须采用输出滤波器。 本文采用LC滤波电路，其中截止频率取基波频率的 4.5倍，L=12mH， C=IoaFO电压检测模块电压检测是完成闭环控制的重要环节，为了精确的测量线电压，通过TMS320F28335的SPl总线及GPIo 口控制对输入的线电压进行衰减/放大的比例以满足A/D模块对输入信号电平（0-3V）的要求。电压检测模块采用256抽头的数字电位器AD5290和高速运算放大器AD8202组成程控信号放大/衰减器，每个输入通道的输入特性为 1M输入阻抗+30PFO电压检测模

9、块电路原理图如图 4所示。图4电压检测电路原理图系统软件设计系统上电后按照选定的模式自举加载程序，跳转到主程序入口，进行相关变量、控制寄存器初始化设置和正弦表初始化等工作。接着使能需要的中断，启动定时器，然后循环进行故障检测和保护，并等待中断。主要包括三部分内容：定时器周期中断子程序、A/D采样子程序和数据处理算法。主程序流程图如图 5所示。WWFMUr WIUrWMitiJST图5主程序流程图定时器周期中断子程序主要进行Pl调节，更新占空比，产生SPWM波。定时器周期中断流程图如图6所示。A13-t,i!图6定时器周期中断流程图A/D采样子程序主要完成线电流采样和线电压采样。为确保电压与电流

10、信号间没 有相对相移，本部分利用TMS320F28335片上ADC的同步采样方式。为提高采样精度，在A/D中断子程序中采用均值滤波的方法。对A相电压和电流A/D的同步采样部分代码如下：Intiprriiiifel Ulni drt t CI）If（CoUirteri=aj电r-PF; 棒耳杜L4CCU 1） 材错社取7F体*平滑滦tCTFGL i1 r_1 &_RFS T 二旷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 買谭推序再Hd7Hpg .mci .nitx hi -SIqJF_ei.H - 1J / flpi.EiiPirGt I lHrgn TrlEACH-4l亍 * t*7c*CH RRDU 1；/ 训-中畅应誓数据处理算法本系统主要用到以下算法：（1）SVPWM算法（2）PID调节算法（3）频率检测算法SVPWM算法变频电源的核心就是SVPWM波的产生，SPWM波是以正弦波 作为基准波（调制波），用一列等幅的三角波（载波）与基准正弦波 相比较产生PWM波的控制方式。当基准正弦波高于三角波时，使相 应的开关器件导通；当基准正弦波低于三角波时，使相应的开关器件 截止。由此，逆变器的输

12、出电压波形为脉冲列，其特点是：半个周期中各脉冲等距等幅不等宽，总是中间宽，两边窄，各脉冲面积与该区 间正弦波下的面积成比例。这种脉冲波经过低通滤波后可得到与调制 波同频率的正弦波，正弦波幅值和频率由调制波的幅值和频率决定。本文采用不对称规则采样法，即在三角波的顶点位置与低点位置 对正弦波进行采样，它形成的阶梯波更接近正弦波。 不规则采样法生 成SPWM波原理如图7所示。图中，TC是载波周期，M是调制度，N为载波比，Ton为导通时间。由图7得：Tat = t +0 = C1? J -2N - 2)尬2 =学卩丄“小零 = L- R当k为偶数时代表顶点米样，k为奇数时代表底点米样。SVPWM算法实

13、现过程：利用F28335内部的事件管理器模块的3个全比较单元、通用定 时器1、死区发生单元及输出逻辑可以很方便地生成三相六路SPWM波形。实际应用时在程序的初始化部分建立一个正弦表，设置通用定时器的计数方式为连续增计数方式，在中断程序中调用表中的值即可 产生相应的按正弦规律变化的 SPWM波。SPWM波的频率由定时时间与正弦表的点数决定。SVPWM算法的部分代码如下:LInI rt InI ti uuEALL L1W：OPliarMMH*g. jdwnukfr ；EDES；Fu血尸”，刖刖IFMjIll - HICFFItF ; 缚陳申斷标JEUaRtgi BIIPiR- 齐皿建町愛同明值定对

14、 2W2%则amEUaHelS-TICMFn - KPUM; rre UHrj3 . TMhir 0 EUHry%.T IN-1 I SuF 弘城；声曾填武 T f S Z ,5 M , T I EWM町的HLdH lOW; PwM1EuReS .D0TCC N-all -触眄加：使噩城拭 7tT QOM/證硏I.外区&EuR9jS,COHCH B311 - 触“机叭 t 來茬刑哥有爺ESetroint*10 HeXtPoInt; / 偏差 pp-SunError+= ErrOr; / 积分 dErr=p-LagtErrr-p)-PreuError ； / 当前微分 pp-PreuError

15、= PP-JLaStError;p-LastError = ErrOr J return(pp-Proportion * Error H 比例项 (pp-ntegral3 * (pp-SuCrror) /7 (pp-leriatiue dErrcr); H 撤分频率检测算法频率检测算法用来检测系统输出电压的频率。用TMS320F28335 片上事件管理器模块的捕获单元捕捉被测信号的有效电平跳变沿，并通过内部的计数器记录一个周波内标频脉冲个数，最终进行相应的运算后得到被测信号频率。实验结果 测量波形在完成上述硬件设计的基础上，本文采用特定的PWM控制策略， 使逆变器拖动感应电机运行，并进行了短路

16、、电机堵转等实验，证明 采用逆变器性能稳定，能可靠地实现过流和短路保护。图8是电机在 空载条件下，用数字示波器记录的稳态电压波形。幅度为 35V ,频率为 60Hz。图7不规则采样法生成SPWM波原理图图8输出线电压波形1所示。测试数据在不同频率及不同线电压情况下的测试数据如表表1不同输出频率及不同线电压情况下实验结果UlZ)ihr 门)码、IJfi0.5认OlT站冲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&爭酥QfOT 73 0.011前毗墨,MIW3L. 70Xl