基于DSP 56F801的正弦波輸出DC／AC電源

0 引言
目前，小功率DC／AC電源在UPS以及可再生能源領(lǐng)域(如光伏戶(hù)用電源)得到了廣泛的應用。該類(lèi)電源的功能是將低壓直流轉換為市電交流。這類(lèi)電源的一種主電路結構是由高頻DC/DC和DC／AC(逆變)兩個(gè)環(huán)節組成。輸出波形和轉換效率是衡量這類(lèi)產(chǎn)品的重要指標，而保證這些指標的關(guān)鍵之一是其控制器的設計。

本文介紹一個(gè)基于高性?xún)r(jià)比16位數字信號控制器DSP 56F801和脈寬調制芯片UC3846的DC／AC電源設計，該設計實(shí)現了裝置中控制信號的發(fā)生和測量信號的檢測，采用了電壓有效值反饋加前置濾波PID調節器的數字控制和硬件與軟件相結合的抗干擾措施。實(shí)驗結果表明該設計的DC／AC電源的輸出波形、效率和可靠性等指標均有所提高。

1 主電路工作原理
圖1為該設計的主電路結構，其中24V蓄電池的直流電壓經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管S1和S2，高頻變壓器T、橋式整流器、L1和C1升壓為360V的直流高壓，再經(jīng)S1～S6組成的逆變橋得到220V/50Hz的交流輸出。

1.l DC／DC環(huán)節
采用變壓器的升壓DC／DC環(huán)節中的原邊逆變電路拓撲有半橋式、全橋式、椎挽式等。半橋式電路輸出電平只能為蓄電池電壓的一半，全橋式電路由于其導通同路中存在2個(gè)管壓降，因此在低直流電壓回路中采用這兩種電路拓撲將限制裝置的效率，而推挽結構可充分利用蓄電池電壓，同時(shí)在導通回路中只有一個(gè)管壓降，因此本設計采用了推挽式結構。

推挽變換器每周期內S1和S2在各自的半周期內導通一次。為了防止變壓器的偏磁，S1和S2輪流導通的時(shí)間要相等，變壓器原邊的中心抽頭繞組的繞制要注意對稱(chēng)。

變壓器副邊將與原邊耦合產(chǎn)生的交流電壓升壓，然后經(jīng)不控整流得到高壓直流
電壓。DC／DC環(huán)節中的直流電壓關(guān)系由式(1)描述。

式中：VDC1為蓄電池電壓；
VDC2為DC／DC環(huán)節的輸出電壓；
N2為副邊匝數；
N1為原邊匝數：
D為占空比。

1．2 DC／AC環(huán)節
DC／AC變換器的主電路為由4個(gè)MOS管構成的單相橋式逆變電路，將360V的直流電壓轉換成220V／50Hz的交流電壓。

SPWM調制又分為非倍頻和倍頻兩種方式，本文采用倍頻單極性SPWM調制的逆變器，這種方式可以在不改變開(kāi)關(guān)管工作頻率的情況下，通過(guò)對門(mén)極脈沖控制，使得輸出波形中最低次諧波頻率是開(kāi)關(guān)頻率的2倍，從而可以減小濾波器的容量和體積。單相單檄性倍頻調制驅動(dòng)信號的產(chǎn)生可以有兩種方法，一種是用頻率與幅值均相同，但相位卻相反的兩個(gè)正弦波和頻率為fc的三角載波交截，另一種是用頻率與幅值均相同，但相位卻相反的兩個(gè)頻率為fc的三角載波與一個(gè)正弦波交截，其結果均產(chǎn)生兩組PWM驅動(dòng)信號，分別控制單相逆變橋的兩臂，逆變輸出波形的等效載波頻率為2fc，本文采用的是前一方案。

2 電源的控制結構
DC／DC環(huán)節由電流控制型脈寬調制器芯片UC3846控制。該芯片支持一個(gè)雙環(huán)控制結構，可以實(shí)現輸出電壓調節、逐脈沖的電流限幅、對稱(chēng)性校正和多電源模塊的并聯(lián)等功能。DC／DC環(huán)節由UC3846外部RC元件設置工作頻率為50kHz。本設計中測量DC／DC環(huán)節的輸出電壓VDC2以形成電壓外環(huán)，同時(shí)還將電流互感器套在變壓器T的輸入母線(xiàn)上測量流過(guò)主開(kāi)關(guān)管的電流以形成電流內環(huán)，通過(guò)UC3846形成雙閉環(huán)結構調節tout，以維持VDC2的穩定。UC3846通過(guò)其外接元件可方便地設定DC／DC環(huán)節高壓側輸出電壓和低壓側的電流限幅值。

MOTOROLA公司的56F801為一種16位數字信號控制器(DSC)芯片，它將數字信號處理器(DSP)和微控制器豐富而靈活的外設集成在一個(gè)芯片中，可并行操作的3個(gè)執行單元在一個(gè)指令周期中執行6個(gè)操作，為多種應用提供廉價(jià)的解決方案。它的一個(gè)突出特點(diǎn)是提供PWM和ADC模塊，支持多電機或多相控制。56F801的PWM模塊生成SPWM信號方便簡(jiǎn)潔，無(wú)需占用定時(shí)器資源。本設計中該芯片產(chǎn)生DC／AC環(huán)節巾S3~S6的PWM驅動(dòng)信號，同時(shí)對整個(gè)裝置進(jìn)行監測，履行測量和控制的任務(wù)。

3 SPWM脈寬調制波的產(chǎn)生
倍頻SPWM的實(shí)現是通過(guò)56F801的PWM模塊來(lái)完成的。該模塊具有6個(gè)PWM引腳，可支持3對具有插入死區的互補PWM信號輸出。單相DC/AC環(huán)節的設計中利用了3對互補PWM信號中的兩對來(lái)驅動(dòng)S3～S6。其設計要點(diǎn)可簡(jiǎn)述知下。

設置控制寄存器PMCTL和配置寄存器PMCFG，設置預分頻因子為l和脈寬發(fā)生為中心對齊方式。
若設置三角載波信號頻率為9.6kHz，則在IPBus時(shí)鐘為40MHz且預分頻因子為l的情況下，PWM模塊中寄存器PWMCM存儲的模數(modulus)值為
[PWMCM]=40M／9．6k／2=2084。
為防止一個(gè)橋臂上的兩個(gè)管子直通，通過(guò)設置脈沖死區寄存器PMDFADTM設置2μs的死區時(shí)間。
PWMCM的賦值決定了脈沖的周期，而PWMVAL中的值則代表了脈寬，它們共同控制15位計數器PWMCNT形成PWM波形。為了產(chǎn)生SPWM驅動(dòng)信號，必須在每個(gè)周期產(chǎn)生中斷并在中斷服務(wù)中對PWMVAL中的值加以刷新。

通過(guò)對一個(gè)存儲于隨機存取存儲器中的脈寬表的檢索獲取本周期的脈寬并對PWMVAL賦值。對PWMVAL逐周期查表賦值的過(guò)程稱(chēng)為周期參數重載。參數重載的頻率由PWM模塊的頻率和預分頻因子，以及載波的頻率來(lái)共同決定。圖3是輸出倍頻SPWM脈沖的流程圖。圖3中中性點(diǎn)的值為F=1042，即載波三角波周期的一半。正弦表指針為PWMPTR。

4 56F801的軟件設計
5617801軟件主要由主程序、PWM模塊的參數加載中斷、輸出電壓濾波和閉環(huán)調節的定時(shí)中斷和有關(guān)的保護中斷等。
主程序主要完成相關(guān)寄存器和變量的初始化，并形成各個(gè)基于中斷的功能模塊的運行環(huán)境。
PWM模塊的參數重載中斷完成PWM波的輸出。

由圖2可見(jiàn)56F801對蓄電池和DC／AC環(huán)節進(jìn)行檢測并執行相應的保護，其中包括PWM模塊的出錯保護引腳所引起的中斷。此中斷完成短路保護的功能。

本電源裝置還設置了由UC3846執行的直流輸入側的欠過(guò)壓滯環(huán)保護，由56F801執行的交流輸出側的過(guò)載和短路保護和過(guò)熱保護。當直流輸入側出現過(guò)欠壓的時(shí)候，通過(guò)連鎖信號關(guān)閉PWM波形發(fā)生器，同時(shí)封鎖DC／DC變換器。在過(guò)載的時(shí)候，先延時(shí)一段時(shí)間，再關(guān)閉PWM發(fā)生器和封鎖DC/DC，但如果在延時(shí)的這段時(shí)間內，負載恢復正常，則整個(gè)系統自動(dòng)復位開(kāi)始工作。

上述的脈寬表對于SPWM發(fā)生模塊來(lái)說(shuō)是離線(xiàn)的，而對于電壓閉環(huán)控制模塊來(lái)說(shuō)則是在線(xiàn)的。由電壓閉環(huán)控制模塊計算出控制量，控制量的變化改變正弦調制波與三角波的交點(diǎn)，進(jìn)而導致對脈寬表的刷新。為此需要按照調制波與三角載波的對稱(chēng)規則采樣法，汁算出一個(gè)正弦波周期的每個(gè)SPWM波的脈寬寬度，在內存中安排一個(gè)表格存儲各個(gè)脈沖的脈寬值。

本系統采用有效值的單閉環(huán)反饋控制方案，其控制結構如圖4所示。

在56F80l中運行的調節器采用前置濾波PID算法。由于采樣電路中的高頻干擾可能導致控制失誤，因此在PID的前端采用了一階滯后濾波器作為前置濾波。這種方法是先把所采集的誤差信號用一階滯后數字濾波器進(jìn)行濾波后得到較為準確的誤差采樣值Ek，送到PID控制器求出控制量輸出△Uk。

一階滯后濾波器的傳遞函數為

式中：e(s)為實(shí)際的包含高頻干擾的誤差采樣值；
E(s)為濾波后的消除了高頻干擾的誤差。
用差分反演法離散化后的差分方程為

式中：ek為本次偏差采樣值；
Ek和Ek-1為本次和上次濾波值。
式(3)中

式中：T為濾波時(shí)間常數；
T為采樣周期
數字PID采用增量式算法為

而采用式(6)則可簡(jiǎn)化計算機的運算：

依據△Uk便可得到Uk，進(jìn)而得到新的脈寬表，并對有關(guān)的存儲區進(jìn)行刷新。

5 實(shí)驗結果與結論
基于以上方案制造了一臺樣機并進(jìn)行了相關(guān)試驗?？紤]到此類(lèi)電源供電的負載一般為開(kāi)關(guān)電源類(lèi)容性負載，因此分別做了純阻性負載和開(kāi)關(guān)電源類(lèi)容性負載試驗。

試驗參數：蓄電池直流電壓24V；DC／DC變換器輸出的直流360V；DC/AC環(huán)節三角載波頻率9．6kHz，正弦調制波頻率為50Hz，凋制比M=O．9；直流側電容C1=l000μF；輸出濾波電感L2=2mH，濾波電容C2=5μF。

試驗波形結果可看出，DC／DC變換器輸出的直流電壓波動(dòng)小。由于采用DSP56F801控制芯片，輸出波形即使在容性負載時(shí)，波形畸變也很小，波形質(zhì)量高。經(jīng)測試輸出波形的諧波畸變(THD)在空載時(shí)為O．9％，阻性負載時(shí)為1．8％，開(kāi)關(guān)電源類(lèi)負載時(shí)為2．6％。

樣機的體積很小。由于采取了軟硬件抗干擾的措施，使整個(gè)系統的可靠性得到增強。