基于SPWM控制全數字單相變頻器的設計及實現

　　本文介紹了基于DSPTMS320LF2407A并使用SPWM控制技術的全數字單相變頻器的設計及實現方法，最后給出了實驗波形。

　　常見的AC/DC/AC變頻器，是對輸出部分進行變頻、變壓調節(jié)，而且在多種逆變控制技術中，應用最廣泛的一種逆變控制技術是正弦脈寬調制(SPWM)技術。在變頻調速系統中，應用DSP作為控制芯片以實現數字化控制，它既提高了系統可靠性，又使系統的控制精度高、實時性強、硬件簡單、軟件編程容易，是變頻調速系統中最有發(fā)展前景的研究方向之一。

　　TMS320LF2407A芯片簡介

　　TMS320LF2407A是TI公司專為電機控制而設計的單片DSP控制器。它具有高性能的C2XLP內核，采用改進的哈佛結構，四級流水線操作，它不僅具備強大高速的運算能力，而且內部集成了豐富的電機控制外圍部件，如事件管理器EVA、EVB各包括3個獨立的雙向定時器;支持產生可編程的死區(qū)控制PWM輸出;4個捕獲口中的2個可直接連接來自光電編碼器的正交編碼脈沖;2個獨立的10位8路A/D轉換器可同時并行完成兩個模擬輸入的轉換;片內的串行通信接口可用于與上位機通信;片內串行外設口用于與外設之間通信;40個可獨立編程的復用I/O口可以選配成鍵盤輸入和示波器顯示的輸入/輸出口。這些為實現交流電機變頻調速控制提供了極大的便利。

　　系統總體方案及硬件電路

　　圖1為系統硬件框圖。在本系統中，以TMS320LF2407A為主要控制芯片，逆變器采用SPWM調制控制方式實現變頻控制算法，系統硬件由主電路、顯示電路、鍵盤輸入電路以及檢測與保護電路等組成。DSP首先從鍵盤采集需要的頻率信號，接著通過運算產生相應的SPWM信號，通過光耦傳給驅動電路再控制逆變橋中的功率管導通與關斷，同時采集主電路中的有關信號并判斷有無故障輸出。若有故障則關斷DSP的SPWM輸出，從而關斷主電路。

　　1、主電路組成

　　圖2為系統的主電路，由整流電路、濾波電路和逆變電路3部分組成。整流電路為三相不可控整流橋，由它將380 V、50 Hz交流電整流變換成脈動直流電。電路中采用濾波電容進行濾波，濾去電壓紋波，同時濾波電容還在整流電路與逆變器之間起去耦作用，以消除相互干擾。整流后的直流電壓平均值為UO=1.35U2≈1.4U2=540 V.U2為交流側電壓有效值。考慮到輸入三相電有10%的波動，所以UO=500～560 V.主電路圖中的功率器件G1、G2、G3、G4表示是IGBT器件，其型號是MG50Q2YS40，耐壓值為1 200 V，控制電壓為土20 V，電流為50 A.R1為限流電阻，防止沖擊電流對IGBT的損害。L1、L3為共模濾波器，HL1、HL2為電流霍爾元件，其作用為檢測主電路的電流值，作為保護電路的輸入信號;另外還用到電壓霍爾元件，檢測電壓值，作為保護電路的輸入信號和電壓反饋信號，組成電壓負反饋。采用SPWM技術控制的4個IGBT進行逆變，輸出的交流電經過變壓器變壓后，再用LC濾波器進行濾波，輸出220 V頻率可變的交流電。

　　2、驅動與保護電路

　　圖3為驅動電路原理。本系統逆變電路功率器件采用IGBT芯片，因此驅動電路選用4片三菱公司生產的驅動模塊M57962L.該驅動模塊為混合集成電路，將IGBT的驅動和過流保護集于一體。圖3中M57962L的13腳接DSP的PWMl(其他3片M57962L分別接PWM2、PWM3、PWM4)，14腳接地，1、6腳分別接電源。另外，M57962L采用的是低電壓驅動，即只有13腳輸入負電位時才能驅動M57962L.這樣做的優(yōu)點在于防止出現干擾，當出現干擾波形時，采用低電平驅動的M57962L不能驅動。另外在關斷過程中，如果電壓變化過大，則會產生擎住現象，使IGBT失控，引起上下橋臂直通，因此，采用RC緩沖電路來抑制過電壓和電壓變化率du/dt.

　　系統的數字實現

　　系統逆變器部分采用SPWM規(guī)則采樣算法，其基本思想是使輸出的脈沖按正弦規(guī)律變化，這樣降低輸出電壓中的諧波分量，使輸出電壓更接近于正弦波。為了便于數字實現，用規(guī)則采樣法生成SPWM脈沖序列，其原理如圖4所示。因為三角載波頻率比正弦波頻率高很多，所以將三角載波uc的一個周期內的正弦調制波ut看作不變，這樣在一個三角波周期，只需在B點取樣一次，便可使生成的SPWM脈沖中點與對應三角波的中點(A點)重合，從而使SPWM脈沖的計算大為簡化。設uc的幅值為1，正弦調制信號ut=Msinωtt，其中O≤M<1(M為調制度)。由于△ABC～△EDA，故有：

　　正弦函數值采用查表的方式求出。另外在每段的同步調制中取N為3的倍數。

　　軟件程序設計是逆變控制電路設計的核心。本系統軟件主要包括：主程序、中斷服務程序、PI調節(jié)程序、顯示程序等。圖5為主程序流程，圖6為中斷程序流程。在主程序中，完成DSP系統及外部設備初始化，I/O控制信號管理及正弦波信號產生和處理等。在中斷程序中，完成電流、電壓檢測，PI調節(jié)計算，計算恒壓頻比下的調制度M和頻率值，正弦波處理并給比較器CMPRl賦值等。

　　圖7為同一橋臂上下管PWMl與PWM2波形。由圖可見，上下橋臂設置了2μs的死區(qū)時間，以保證逆變電路的安全工作。圖8為DSP發(fā)出的PWM波形， (1)、(2)為兩個互補的等幅不等寬的脈沖信號。其中高電平為+5 V，低電位為O V，脈沖寬度是按照正弦規(guī)律變化的。由于M57962L芯片采用的是負電位驅動，所以要采用電平轉換電路。圖9為最終驅動IGBT的SPWM波形(轉換后的SPWM波形)，從圖中可以看出，波形的寬度是按照正弦規(guī)律變化的。圖10(a)、(b)分別為f=200 Hz和f=300 Hz時的輸出電壓波形。實驗結果表明，輸出電壓波形質量好，總諧波畸變率低。

　　結論

　　基于DSP的數字控制技術能大大改善產品的一致性，克服模擬控制帶來的產品性能分散性，同時增強了控制的柔性，簡化了系統結構，提高了整個系統的穩(wěn)定性和可靠性，有較好的應用前景。本設計應用TMS320LF2407A芯片采用SPWM控制技術，完成了將380 V、50 Hz的交流電源變換成輸出220 V、頻率為100～400 Hz可調的交流電源。通過對樣機的實際測量表明，輸出波形質量良好，克服了過去這類電源采用體積大的中頻變壓器時出現的噪聲大、響應慢、波形畸變嚴重等缺點，是有較好應用前景的產品。