采用DSP的電源控制系統的軟硬件開(kāi)發(fā)

1 引言

隨著(zhù)現代電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步和信息技術(shù)的發(fā)展，逆變電源越來(lái)越廣泛的應用于通訊、航海、航空、醫療、軍事等諸多領(lǐng)域，同時(shí)用戶(hù)對逆變電源的性能也有了越來(lái)越高的要求。作為逆變電源的核心，逆變器的控制系統對提高電源性能起著(zhù)極其關(guān)鍵的作用。逆變電源的控制器經(jīng)歷了從模擬控制器到數字控制器的發(fā)展, 數字控制器與模擬控制器相比較，具有控制精度高、參數調整方便、更改控制策略靈活等優(yōu)點(diǎn)。尤其隨著(zhù)控制專(zhuān)用DSP的出現，使得逆變電源的控制技術(shù)朝著(zhù)全數字化、智能化及網(wǎng)絡(luò )化的方向發(fā)展。本文選用TI公司新推出的數字信號處理器TMS320F2812作為電源的主控制器，設計了一種結構簡(jiǎn)單、擴展方便的控制系統，實(shí)現了逆變電源的精準控制。

2 系統組成

本文所設計的電源是400Hz逆變中頻電源，電源總體結構如圖1所示，主電路采用交-直-交結構，包括整流器、直流濾波器、逆變器、變壓器及交流濾波等組成部分。交－直部分將50 Hz交流市電經(jīng)橋式整流、平波電抗器、電解電容濾波后變?yōu)槠椒€直流，橋式整流電路為半控結構。直－交逆變部分采用全橋結構，逆變器選用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件。利用IGBT開(kāi)關(guān)頻率較高的優(yōu)點(diǎn)，采用正弦脈寬調制方式（SPWM）對逆變器進(jìn)行控制，將平穩直流變換為脈寬調制輸出的交流，輸出SPWM波幅值恒定，寬度按正弦規律變化，逆變器輸出的交流電經(jīng)變壓器及濾波電路濾波后，得到純正的正弦波交流電。

以TMS320F2812為核心的控制部分結構如圖2所示。其中TMS320F2812最小系統中主要包括時(shí)鐘電路、復位電路和外部存儲器擴展電路。時(shí)鐘電路采用外部時(shí)鐘，選用一片30MHz晶振作為外部頻率給定，外部時(shí)鐘經(jīng)過(guò)PLL倍頻后，為系統提供時(shí)鐘，系統可以通過(guò)鎖相環(huán)控制寄存器來(lái)選擇鎖相環(huán)的工作模式和倍頻的系數。復位電路的設計，為了操作的方便，主要使用的是系統復位引腳（RS）。當接觸開(kāi)關(guān)S按下時(shí)，使得該引腳產(chǎn)生一個(gè)低電平，就會(huì )產(chǎn)生相應的復位信號；當接觸開(kāi)關(guān)S未動(dòng)作時(shí)，該引腳為高電平。外部存儲器擴展電路主要采用的ISSI公司生產(chǎn)的高速SRAM芯片，型號為IS61LV25616AL，存儲時(shí)間為10ns，容量為256K字節，16位，工作電壓為3.3V，工作于零等待工作模式。

圖1?電源總體結構框圖

圖2?DSP擴展系統框圖

3 硬件設計

控制系統的硬件設計主要是圍繞主控制器TMS320F2812進(jìn)行的，TMS320F2812的外圍電路主要有AD采樣電路和SCI通信電路。

3.1 A/D采樣電路

TMS320F2812的ADC模塊是一個(gè)12位帶流水線(xiàn)的模數轉換器，共有16個(gè)通道。根據實(shí)際需要，本系統用到了9個(gè)AD轉換通道ADCIN00～ADCIN08，需采樣的信號分別是3個(gè)相電壓、直流電壓、3路線(xiàn)電流、直流電流、溫度。每個(gè)A/D采樣電路包括傳感器、A/D調理電路和片內A/D轉換器。交流電壓采樣電路如圖3所示，輸出的三相交流電壓進(jìn)行瞬時(shí)值檢測，從變壓器副邊送來(lái)的正弦波反饋信號經(jīng)變壓器采樣，經(jīng)過(guò)分壓和偏置處理后，轉換成0~3.3 V的信號送入DSP的A/D轉換口。交流的瞬時(shí)值采樣結果和被檢測的信號之間存在同步問(wèn)題，在本系統中采用TMS320F2812的捕獲單元和不可屏蔽中斷NMI（Non-Maskable Interrupt）來(lái)實(shí)現跟蹤頻率變化的交流瞬時(shí)值采樣。

圖3?交流電壓采樣電路

3.2 SCI電路

TMS320F2812器件包括串行通信接口SCI模塊，SCI模塊是一個(gè)可編程的全雙工串行通訊接口。SCI模塊支持CPU與其使用標準格式的異步外設之間的數字通訊。SCI模塊包括兩個(gè)引腳：SCI發(fā)送數據引腳SCITXD、SCI接收數據引腳SCIRXD。TMS320F2812的串行通訊接口電路如圖4所示。

圖4?串行通訊接口電路

4 軟件設計

4.1 控制策略

本系統采用輸出電壓瞬時(shí)值和電感電流反饋的電流雙環(huán)SPWM控制調制方案。其中，電壓外環(huán)反饋采用模糊比例積分調節，電流內環(huán)的反饋信號為電感電流IL，采用模糊比例調節[3]。輸出電壓的瞬時(shí)信號U０經(jīng)調理采樣生成Uf后直接反饋，與參考正弦電壓Uref比較后，經(jīng)電壓調節器綜合，作為電流內環(huán)的給定信號Ig。給定信號Ig與電感電流反饋值If比較得到的誤差ei送到電流調節器中，經(jīng)過(guò)P調節生成信號Us，其作為調制波與三角載波進(jìn)行交截產(chǎn)生SPWM開(kāi)關(guān)信號，控制各橋臂IGBT管的導通與關(guān)斷。

4.2 軟件實(shí)現

圖5?系統軟件的總體結構流程圖

逆變橋的SPWM信號由TMS320F2812片內事件管理器EVA模塊實(shí)現，波形的控制和調節都需要在SPWM調節周期中完成，屬于定時(shí)器管理事件。在進(jìn)行電壓調節器、電流調節器計算時(shí)還需要實(shí)時(shí)獲得、處理采樣值，這里主要利用片內A/D模塊。另外，在和單片機進(jìn)行通信時(shí)可以利用SCI模塊實(shí)現，各類(lèi)保護則是需要不斷查詢(xún)各個(gè)狀態(tài)量，根據其具體數值采取相應的動(dòng)作。系統軟件總的流程框圖如圖5所示。

本系統對軟件的實(shí)時(shí)處理能力要求很高，絕大多數功能模塊是在中斷子程序中完成的。而且由于系統的功能模塊繁多，所以各模塊應根據系統的要求嚴格按照先后順序執行，以保證各模塊互不干擾，協(xié)調工作。用到的主要的中斷有三個(gè)：INI2.6級中斷為EVA模塊的定時(shí)器1的下溢中斷，對應的中斷子程序是最重要的一個(gè)子程序，在該子程序中主要完成對逆變器的控制，一旦出錯那么整個(gè)系統的輸出就會(huì )發(fā)生畸變，因此其中斷優(yōu)先級最高；INT1.6級中斷是ADC模塊的中斷，在該子程序中讀取輸出電壓和輸出電感電流的轉換結果；INT9.1級中斷是SCI-A模塊的接收中斷，在該中斷子程序中主要接收經(jīng)過(guò)A/D轉換后的實(shí)時(shí)數據。

5 實(shí)驗結果

通過(guò)搭建小容量的試驗機，控制系統每個(gè)環(huán)節的設計都得到了近似工作現場(chǎng)的考驗，經(jīng)過(guò)在試驗過(guò)程中不斷的調整，軟硬件設計都基本趨于完善。最終大容量30kVA的樣機設定的各控制參數如下：輸入電壓220V/50Hz，輸出電壓115V/400Hz，載波頻率為18kHz，輸出功率為30kVA，輸出濾波電容C = 300 F，輸出濾波電感L = 70 H。圖6、圖7分別為阻性負載和感性負載時(shí)的電源輸出電壓波形，經(jīng)過(guò)對輸出電壓的諧波分析，輸出電壓的THD值達到了要求的性能指標THD≤3％，結果證明了控制系統的可行性。

圖6?阻性負載時(shí)的電源輸出電壓波形

圖7?感性負載時(shí)的電源輸出電壓波形

6 結束語(yǔ)

本系統利用控制領(lǐng)域最先進(jìn)的TMS320F2812型號的DSP作控制器，與以往單片機相比，TMS320F2812的集成外設功能更多、速度更快。而且，它的價(jià)格在近幾年也有了大幅度的下降。因此，本文設計的逆變電源控制系統具有操作簡(jiǎn)單、無(wú)污染、噪聲低、效率高、節約成本、易擴展等多種優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應用前景。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：針對用戶(hù)對中頻逆變電源的性能要求，采用控制領(lǐng)域最新的數字信號處理器TMS320F2812作為控制器，從軟件和硬件兩方面系統全面地介紹了設計逆變電源控制系統的方法。該系統的硬件電路非常簡(jiǎn)單，實(shí)現了對逆變電源的全數字控制，使逆變電源的模塊化成為可能，同時(shí)也為電源的大容量擴展打下了很好的基礎。