一款基于DSP的三相SPWM變頻電源電路的設計

　　引言

　　變頻電源作為電源系統的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統的安全和可靠性指標?，F代變頻電源以低功耗、高效率、電路簡(jiǎn)潔等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。變頻電源的整個(gè)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范圍內可調。

　　本文實(shí)現了基于TMS320F28335的變頻電源數字控制系統的設計，通過(guò)有效利用TMS320F28335豐富的片上硬件資源，實(shí)現了SPWM的不規則采樣，并采用PID算法使系統產(chǎn)生高品質(zhì)的正弦波，具有運算速度快、精度高、靈活性好、系統擴展能力強等優(yōu)點(diǎn)。

　　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(lèi)。本文所研究的變頻電源采用間接變頻結構即交-直-交變換過(guò)程。首先通過(guò)單相全橋整流電路完成交-直變換，然后在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。變頻系統控制器采用TI公司推出的業(yè)界首款浮點(diǎn)數字信號控制器TMS320F28335，它具有150MHz高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，單指令周期32位累加運算，可滿(mǎn)足應用對于更快代碼開(kāi)發(fā)與集成高級控制器的浮點(diǎn)處理器性能的要求。與上一代領(lǐng)先的數字信號處理器相比，最新的F2833x浮點(diǎn)控制器不僅可將性能平均提升50%，還具有精度更高、簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)、兼容定點(diǎn)C28x TM控制器軟件的特點(diǎn)。系統總體框圖如圖1所示。

　　圖1系統總體框圖

　　(1)整流濾波模塊：對電網(wǎng)輸入的交流電進(jìn)行整流濾波，為變換器提供波紋較小的直流電壓。

　　(2)三相橋式逆變器模塊：把直流電壓變換成交流電。其中功率級采用智能型IPM功率模塊，具有電路簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)。

　　(3)LC濾波模塊：濾除干擾和無(wú)用信號，使輸出信號為標準正弦波。

　　(4)控制電路模塊：檢測輸出電壓、電流信號后，按照一定的控制算法和控制策略產(chǎn)生SPWM控制信號，去控制IPM開(kāi)關(guān)管的通斷從而保持輸出電壓穩定，同時(shí)通過(guò)SPI接口完成對輸入電壓信號、電流信號的程控調理。捕獲單元完成對輸出信號的測頻。

　　(5)電壓、電流檢測模塊：根據要求，需要實(shí)時(shí)檢測線(xiàn)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。所有的檢測信號都經(jīng)過(guò)電壓跟隨器隔離后由TMS320F28335的A/D通道輸入。

　　(6)輔助電源模塊：為控制電路提供滿(mǎn)足一定技術(shù)要求的直流電源，以保證系統工作穩定可靠。

　　系統硬件設計

　　變頻電源的硬件電路主要包含6個(gè)模塊：整流電路模塊、IPM電路模塊、IPM隔離驅動(dòng)模塊、輸出濾波模塊、電壓檢測模塊和TMS320F28335數字信號處理模塊。

　　整流電路模塊

　　采用二極管不可控整流電路以提高網(wǎng)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只整流二極管和吸收負載感性無(wú)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電路模塊

　　IPM由高速、低功率IGBT、優(yōu)選的門(mén)級驅動(dòng)器及保護電路組成。IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應管)組成的復合全控型電壓驅動(dòng)式電力電子器件。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動(dòng)電流較大;MOSFET驅動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)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(yōu)點(diǎn)，驅動(dòng)功率小而飽和壓降低，非常適合應用于直流電壓。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(kāi)關(guān)頻率和低驅動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)。本文選用的IPM是日本富士公司的型號為6MBP20RH060的智能功率模塊，該智能功率模塊由6只IGBT管子組成，其IGBT的耐壓值為600V，最小死區導通時(shí)間為3μs.

　　IPM隔離驅動(dòng)模塊

　　由于逆變橋的工作電壓較高，因此DSP的弱電信號很難直接控制逆變橋進(jìn)行逆變。美國國際整流器公司生產(chǎn)的三相橋式驅動(dòng)集成電路IR2130，只需一個(gè)供電電源即可驅動(dòng)三相橋式逆變電路的6個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件。

　　圖3 IR2130驅動(dòng)其中1個(gè)橋臂的電路原理圖

　　IR2130驅動(dòng)其中1個(gè)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(dòng)的懸浮電源存儲能量，D1可防止上橋臂導通時(shí)直流電壓母線(xiàn)電壓到IR2130的電源上而使器件損壞。R1和R2是IGBT的門(mén)極驅動(dòng)電阻，一般可采用十到幾十歐姆。R3和R4組成過(guò)流檢測電路，其中R3是過(guò)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(dòng)信號與TMS320F8335的PWM連接，由TMS320F8335控制產(chǎn)生PWM控制信號的輸入，FAULT與TMS320F8335引腳PDPINA連接，一旦出現故障則觸發(fā)功率保護中斷，在中斷程序中封鎖PWM信號。

　　輸出濾波模塊

　　采用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，必須采用輸出濾波器。本文采用LC濾波電路，其中截止頻率取基波頻率的4.5倍，L=12mH，C=10μF.

　　電壓檢測模塊

　　電壓檢測是完成閉環(huán)控制的重要環(huán)節，為了精確的測量線(xiàn)電壓，通過(guò)TMS320F28335的SPI總線(xiàn)及GPIO口控制對輸入的線(xiàn)電壓進(jìn)行衰減/放大的比例以滿(mǎn)足A/D模塊對輸入信號電平(0-3V)的要求。電壓檢測模塊采用256抽頭的數字電位器AD5290和高速運算放大器AD8202組成程控信號放大/衰減器，每個(gè)輸入通道的輸入特性為1MΩ輸入阻抗+30pF.電壓檢測模塊電路原理圖如圖4所示。

　　圖4電壓檢測電路原理圖

　　系統軟件設計

　　系統上電后按照選定的模式自舉加載程序，跳轉到主程序入口，進(jìn)行相關(guān)變量、控制寄存器初始化設置和正弦表初始化等工作。接著(zhù)使能需要的中斷，啟動(dòng)定時(shí)器，然后循環(huán)進(jìn)行故障檢測和保護，并等待中斷。主要包括三部分內容：定時(shí)器周期中斷子程序、A/D采樣子程序和數據處理算法。主程序流程圖如圖5所示。

　　圖5主程序流程圖

　　定時(shí)器周期中斷子程序

　　主要進(jìn)行PI調節，更新占空比，產(chǎn)生SPWM波。定時(shí)器周期中斷流程圖如圖6所示。

　　圖6定時(shí)器周期中斷流程圖