基于DSP實(shí)現的一種新穎開(kāi)關(guān)逆變電源

摘要：介紹了一種周波逆變器的結構及原理，并以TI的TMS320LF2407型數字信號處理器作為控制核心，取代傳統的模擬控制方式，且給出了硬件和軟件的設計方案。實(shí)驗結果證明此系統的控制獲得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：周波變換器；數字信號處理器；高頻鏈；數字電源

A Novel Switching-inverter Power Supply Based on DSP

YUAN Kai-fa, JIANG Huai-gang, HE Zhi-wei

Abstract:The configuration and theory for a novel cycle converter are presented,which is based on DSP TMS320LF2407 made in TI corporation as controller. At the same time,the design scheme of this system is given. The experiment shows the system achieves good dynamic and static performance.

Keywords:Cycle converter; DSP; High-frequency link; DPS 　

1 引言

隨著(zhù)工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用戶(hù)對電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高。包括市電在內的所有原始電能可能滿(mǎn)足不了用戶(hù)的要求，必須經(jīng)過(guò)處理后才能使用，逆變技術(shù)在這種處理中起到了重要的作用。傳統的逆變技術(shù)多為模擬控制或模擬與數字相結合的控制系統，其缺點(diǎn)為

1）控制電路的元器件比較多，體積龐大，結構復雜；

2）靈活性不夠，硬件電路一旦設計完成，控制策略就不能改變；

3）調試比較麻煩，由于元器件特性的差異，致使電源一致性差，且模擬器件的工作點(diǎn)漂移，會(huì )導致系統參數的漂移，從而給調試帶來(lái)不便。

因此，傳統的逆變器在許多場(chǎng)合已不適應新的要求。

隨著(zhù)高速、廉價(jià)的數字信號處理器（DSP——Digital Signal Processor）的問(wèn)世，于是便出現了數字電源（DPS——Digital Power Supply）。其優(yōu)點(diǎn)有

1）數字化更容易實(shí)現數字芯片的處理和控制，避免模擬信號傳遞的畸變、失真，減少雜散信號的干擾；

2）便于系統調試；

3）如果將網(wǎng)絡(luò )通迅和電源軟件調試技術(shù)相結合，可實(shí)現遠程遙感、遙測、遙調。

這些使得逆變電源數字化控制成為今后的發(fā)展趨勢。

本文采用TI公司專(zhuān)門(mén)為電機及電力電子領(lǐng)域設計的TMS320LF2407型DSP作為控制器，介紹數字化周波逆變器的硬件設計和軟件設計。

2 TMS320LF2407的結構特點(diǎn)

TMS320LF2407具有高速信號處理和數字化控制功能所必需的結構特點(diǎn)。將其優(yōu)化的外設單元和高性能的DSP內核相結合，可以為各種類(lèi)型電機提供高速和全變速的先進(jìn)控制技術(shù)。其主要特點(diǎn)為

1）其系統運行主頻達30MHz，使得指令周期縮短到33ns，絕大部份指令均可在單周期內完成，提高了控制器的實(shí)時(shí)能力。

2）2個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)包括2個(gè)16位通用定時(shí)器；8個(gè)16位的脈寬調制（PWM）通道。它們能夠實(shí)現三相反相器控制；PWM的對稱(chēng)和非對稱(chēng)波形；當外部引腳PDPINTx出現低電平時(shí)快速關(guān)閉PWM通道；可編程的PWM死區控制以防止上下橋臂同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖；16通道A/D轉換器等功能。事件管理模塊適用于控制交流感應電機、無(wú)刷直流電機、開(kāi)關(guān)磁阻電機、步進(jìn)電機、多級電機和逆變器。

3）10位A/D轉換器最小轉換時(shí)間為500ns，可選擇由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入A/D轉換器或一個(gè)16通道輸入的A/D轉換器。

4）高達40個(gè)可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳(GPIO)。

3 系統結構

本系統由主電路和控制電路兩部分組成，如圖1所示。主電路部分，采用移相式零電壓、零電流（PS－ZVZCS）全橋變換器和相控周波變換器PCCYC（Phase Controlled Cycle Converter）。跟其它變換器相比，相控周波變換器始終都可以工作在第一、三象限，與移相技術(shù)相結合，可以極大地提高高頻變壓器的工作效率。同時(shí)，采用高頻環(huán)進(jìn)行逆變，因而無(wú)須采用工頻變壓器，使體積減小。全橋變換器部分，利用可飽和電感Lr和隔直電容Cr實(shí)現對環(huán)流的阻斷，可以在很寬的負載范圍內實(shí)現超前橋臂的ZVS和滯后橋臂的ZCS，減小了開(kāi)關(guān)應力，降低了損耗，提高了工作效率。Lr和Cr的選擇可參考文獻[4]?？刂撇糠?，采用快速、高效的DSP作為核心控制器，通過(guò)光耦隔離，并有IGBT自保護的專(zhuān)門(mén)驅動(dòng)芯片EXB841來(lái)驅動(dòng)主電路中的功率開(kāi)關(guān)管。與采樣電路，保護電路配合，可對輸出實(shí)行實(shí)時(shí)控制，具有較快的動(dòng)態(tài)響應速度和良好的輸出特性。

圖1 系統結構圖

4 工作原理

Q1～Q4構成全橋，Q5、Q6組成周波變換器。開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)波形如圖2所示。

整個(gè)工作過(guò)程可分為4個(gè)階段，下面分別說(shuō)明。

第一階段 Q1、Q4導通

當Q1、Q4（有相位差）導通，并讓Q5提前導通，直流側的能量便可傳輸到輸出端。此時(shí)諧振電感儲能，Q5軟開(kāi)通，減少了開(kāi)關(guān)損耗。如圖2中ug5所示。

圖2 開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)波形