基於dsp的三相spwm變頻電源的設計
變頻電源作為電源系統的重要組成部分，其效能的優劣直接關係到整個系統的安全和可靠性指標。現代變頻電源以低功耗、高效率、電路簡潔等顯著優點而備受青睞。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範圍內可調。
本文實現了基於tms320f28335的變頻電源數字控制系統的設計，通過有效利用tms320f28335豐富的片上硬體資源，實現了spwm的不規則取樣，並採用pid演算法使系統產生高品質的正弦波，具有運算速度快、精度高、靈活性好、系統擴充套件能力強等優點。
系統總體介紹
根據結構不同，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採用間接變頻結構即交-直-交變換過程。首先通過單相全橋整流電路完成交-直變換，然後在dsp控制下把直流電源轉換成三相spwm波形供給后級濾波電路，形成標準的正弦波。
變頻系統控制器採用ti公司推出的業界首款浮點數碼訊號控制器tms320f28335，它具有150mhz高速處理能力，具備32位浮點處理單元，單指令週期32位累加運算，可滿足應用對於更快**開發與整合高階控制器的浮點處理器效能的要求。與上一代領先的數字訊號處理器相比，最新的f2833x浮點控制器不僅可將效能平均提公升50%，還具有精度更高、簡化軟體開發、相容定點c28x tm控制器軟體的特點。系統總體框圖如圖1所示。
圖1 系統總體框圖
（1）整流濾波模組：對電網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）三相橋式逆變器模組：把直流電壓變換成交流電。其中功率級採用智慧型ipm功率模組，具有電路簡單、可靠性高等特點。
（3）lc濾波模組：濾除干擾和無用訊號，使輸出訊號為標準正弦波。
（4）控制電路模組：檢測輸出電壓、電流訊號後，按照一定的控制演算法和控制策略產生spwm控制訊號，去控制ipm開關管的通斷從而保持輸出電壓穩定，同時通過spi介面完成對輸入電壓訊號、電流訊號的程式控制調理。捕獲單元完成對輸出訊號的測頻。
（5）電壓、電流檢測模組：根據要求，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。所有的檢測訊號都經過電壓跟隨器隔離後由tms320f28335的a/d通道輸入。
（6）輔助電源模組：為控制電路提供滿足一定技術要求的直流電源，以保證系統工作穩定可靠。
系統硬體設計
變頻電源的硬體電路主要包含6個模組：整流電路模組、ipm電路模組、ipm隔離驅動模組、輸出濾波模組、電壓檢測模組和tms320f28335數字訊號處理模組。
整流電路模組
採用二極體不可控整流電路以提高網側電壓功率因數，整流所得直流電壓用大電容穩壓為逆變器提供直流電壓，該電路由6只整流二極體和吸收負載感性無功的直流穩壓電容組成。整流電路原理圖如圖2所示。
圖2 整流電路原理圖
ipm電路模組
ipm由高速、低功率igbt、優選的門級驅動器及保護電路組成。igbt（絕緣柵雙極型電晶體）是由bjt（雙極型三極體）和mos（絕緣柵型場效電晶體）組成的復合全控型電壓驅動式電力電子器件。gtr飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；mosfet驅動功率很小，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點，驅動功率小而飽和壓降低，非常適合應用於直流電壓。因而ipm具有高電流密度、低飽和電壓、高耐壓、高輸入阻抗、高開關頻率和低驅動功率的優點。本文選用的ipm是日本富士公司的型號為6mbp20rh060的智慧型功率模組，該智慧型功率模組由6只igbt管子組成，其igbt的耐壓值為600v，最小死區導通時間為3μs。
ipm隔離驅動模組
由於逆變橋的工作電壓較高，因此dsp的弱電訊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的三相橋式驅動積體電路ir2130，只需乙個供電電源即可驅動三相橋式逆變電路的6個功率開關器件。
ir2130驅動其中1個橋臂的電路原理圖如圖3所示。c1是自舉電容，為上橋臂功率管驅動的懸浮電源儲存能量，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的門極驅動電阻，一般可採用十到幾十歐姆。
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電阻。ir2130的hin1~hin3、lin1~lin3作為功率管的輸入驅動訊號與tms320f8335的pwm連線，由tms320f8335控制產生pwm控制訊號的輸入，fault與tms320f8335引腳pdpina連線，一旦出現故障則觸發功率保護中斷，在中斷程式中封鎖pwm訊號。
圖3 ir2130驅動其中1個橋臂的電路原理圖
輸出濾波模組
採用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，必須採用輸出濾波器。本文採用lc濾波電路，其中截止頻率取基波頻率的4.
5倍，l=12mh，c=10μf。
電壓檢測模組
電壓檢測是完成閉環控制的重要環節，為了精確的測量線電壓，通過tms320f28335的spi匯流排及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模組對輸入訊號電平(0-3v)的要求。電壓檢測模組採用256抽頭的數字電位器ad5290和高速運算放大器ad8202組成程式控制訊號放大/衰減器，每個輸入通道的輸入特性為1mω輸入阻抗+30pf。電壓檢測模組電路原理圖如圖4所示。
圖4 電壓檢測電路原理圖
系統軟體設計
系統上電後按照選定的模式自舉引導程式，跳轉到主程式入口，進行相關變數、控制暫存器初始化設定和正弦表初始化等工作。接著使能需要的中斷，啟動定時器，然後迴圈進行故障檢測和保護，並等待中斷。主要包括三部分內容：
定時器週期中斷子程式、a/d採樣子程式和資料處理演算法。主程式流程圖如圖5所示。
圖5 主程式流程圖
定時器週期中斷子程式
主要進行pi調節，更新占空比，產生spwm波。定時器週期中斷流程圖如圖6所示。
圖6 定時器週期中斷流程圖
a/d採樣子程式
主要完成線電流取樣和線電壓取樣。為確保電壓與電流訊號間沒有相對相移，本部分利用tms320f28335片上adc的同步取樣方式。為提高取樣精度，在a/d中斷子程式中採用均值濾波的方法。
對a相電壓和電流a/d的同步取樣部分**如下：
資料處理演算法
本系統主要用到以下演算法：（1）svpwm演算法（2）pid調節演算法（3）頻率檢測演算法
svpwm演算法
變頻電源的核心就是svpwm波的產生，spwm波是以正弦波作為基準波（調製波），用一列等幅的三角波（載波）與基準正弦波相比較產生pwm波的控制方式。當基準正弦波高於三角波時，使相應的開關器件導通；當基準正弦波低於三角波時，使相應的開關器件截止。由此，逆變器的輸出電壓波形為脈衝列，其特點是：
半個週期中各脈衝等距等幅不等寬，總是中間寬，兩邊窄，各脈衝面積與該區間正弦波下的面積成比例。這種脈衝波經過低通濾波後可得到與調製波同頻率的正弦波，正弦波幅值和頻率由調製波的幅值和頻率決定。
本文採用不對稱規則取樣法，即在三角波的頂點位置與低點位置對正弦波進行取樣，它形成的階梯波更接近正弦波。不規則取樣法生成spwm波原理如圖7所示。圖中，tc是載波週期，m是調制度，n為載波比，ton為導通時間。
由圖7得：
當k為偶數時代表頂點取樣，k為奇數時代表底點取樣。
svpwm演算法實現過程：
利用f28335內部的事件管理器模組的3個全比較單元、通用定時器1、死區發生單元及輸出邏輯可以很方便地生成三相六路spwm波形。實際應用時在程式的初始化部分建立乙個正弦表，設定通用定時器的計數方式為連續增計數方式，在中斷程式中呼叫表中的值即可產生相應的按正弦規律變化的spwm波。spwm波的頻率由定時時間與正弦表的點數決定。
svpwm演算法的部分**如下：
pid調節演算法
在實際控制中很多不穩定因素易造成增量較大，進而造成輸出波形的不穩定性，因此必須採用增量式pid演算法對系統進行優化。pid演算法數學表示式為
upresat(t)= up(t)+ ui(t)+ ud(t)
其中，up(t)是比例調節部分，ui(t)是積分調節部分，ud(t)是微分調節部分。
本文通過對a/d轉換採集來的電壓或電流訊號進行處理，並對輸出的spwm波進行脈衝寬度的調整，使系統輸出的電壓保持穩定。
pid調節演算法的部分**如下：
頻率檢測演算法
頻率檢測演算法用來檢測系統輸出電壓的頻率。用tms320f28335片上事件管理器模組的捕獲單元捕捉被測訊號的有效電平跳變沿，並通過內部的計數器記錄乙個周波內標頻脈衝個數，最終進行相應的運算後得到被測訊號頻率。
實驗結果
測量波形
在完成上述硬體設計的基礎上，本文採用特定的pwm控制策略，使逆變器拖動感應電機執行，並進行了短路、電機堵轉等實驗，證明採用逆變器效能穩定，能可靠地實現過流和短路保護。圖8是電機在空載條件下，用數字示波器記錄的穩態電壓波形。幅度為35v，頻率為60hz。
圖7 不規則取樣法生成spwm波原理圖
圖8 輸出線電壓波形
測試資料
在不同頻率及不同線電壓情況下的測試資料如表1所示。
表1 不同輸出頻率及不同線電壓情況下實驗結果
結果分析
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；由表中資料可以看出，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%。
結束語本文設計的三相正弦波變頻電源，由於採用了不對稱規則取樣演算法和pid演算法使輸出的線電壓波形基本為正弦波，其絕對誤差小於1.7%；同時具有故障保護功能，可以自動切斷輸入交流電源。因此本系統具有電路簡單、抗干擾性能好、控制效果佳等優點，便於工程應用，具有較大的實際應用價值。
第06章控制電路工作原理
一 控制模組功能作用 1 給逆變器的電子開關提供控制訊號 2 對電流反饋訊號進行放大處理，並根據反饋 給定訊號調節電子 開關控制訊號的脈寬。3 對保護訊號作出反應，關閉控制訊號 二 控制模組原理圖 第一節整合脈寬調變器 一 脈寬調節器的的基本工作原理 脈寬調節器的的基本工作原理是用乙個電壓比較器，在...
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作者 wangbbs，2005 8 14 15 25 00發表於 變頻器與調速論壇 共有128人回覆，7466次點選加為好友傳送留言 關鍵詞 變頻器控制電路干擾 摘要 主要介紹了變頻器控制電路結構及其抗干擾，同時分析了變頻器幾種常見故障。1引言 隨著變頻器在工業生產中日益廣泛的應用，了解變頻器的結構...