工程师分享：基于DSP实现的一种开关逆变电源

引言

随着工业和科学技术的发展，用户对电能质量的要求越来越高。包括市电在内的所有原始电能可能满足不了用户的要求，必须经过处理后才能使用，逆变技术在这种处理中起到了重要的作用。传统的逆变技术多为模拟控制或模拟与数字相结合的控制系统，其缺点为

1)控制电路的元器件比较多，体积庞大，结构复杂;

2)灵活性不够，硬件电路一旦设计完成，控制策略就不能改变;

3)调试比较麻烦，由于元器件特性的差异，致使电源一致性差，且模拟器件的工作点漂移，会导致系统参数的漂移，从而给调试带来不便。

因此，传统的逆变器在许多场合已不适应新的要求。

随着高速、廉价的数字信号处理器(DSP——Digital Signal Processor)的问世，于是便出现了数字电源(DPS——Digital Power Supply)。其优点有

1)数字化更容易实现数字芯片的处理和控制，避免模拟信号传递的畸变、失真，减少杂散信号的干扰;

2)便于系统调试;

3)如果将网络通迅和电源软件调试技术相结合，可实现远程遥感、遥测、遥调。

这些使得逆变电源数字化控制成为今后的发展趋势。

本文采用TI公司专门为电机及电力电子领域设计的TMS320LF2407型DSP作为控制器，介绍数字化周波逆变器的硬件设计和软件设计。

TMS320LF2407的结构特点

TMS320LF2407具有高速信号处理和数字化控制功能所必需的结构特点。将其优化的外设单元和高性能的DSP内核相结合，可以为各种类型电机提供高速和全变速的先进控制技术。其主要特点为

1)其系统运行主频达30MHz，使得指令周期缩短到33ns，绝大部份指令均可在单周期内完成，提高了控制器的实时能力。

2)2个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括2个16位通用定时器;8个16位的脉宽调制(PWM)通道。它们能够实现三相反相器控制;PWM的对称和非对称波形;当外部引脚PDPINTx出现低电平时快速关闭PWM通道;可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时输入触发脉冲;16 通道A/D转换器等功能。事件管理模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。

3)10位A/D转换器最小转换时间为500ns，可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。

4)高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO)。系统结构

本系统由主电路和控制电路两部分组成，如图1所示。主电路部分，采用移相式零电压、零电流(PS-ZVZCS)全桥变换 器和相控周波变换器 PCCYC(Phase ControlLED Cycle Converter)。跟其它变换器相比，相控周波变换器始终都可以工作在第一、三象限，与移相技术相结合，可以极大地提高高频变压器的工作效率。同时， 采用高频环进行逆变，因而无须采用工频变压器，使体积减小。全桥变换器部分，利用可饱和电感Lr和隔直电容Cr实现对环流的阻断，可以在很宽的负载范围内 实现超前桥臂的ZVS和滞后桥臂的ZCS，减小了开关应力，降低了损耗，提高了工作效率。控制部分，采用快速、高效的 DSP作为核心控制器，通过光耦隔离，并有IGBT自保护的专门驱动芯片EXB841来驱动主电路中的功率开关管。与采样电路，保护电路配合，可对输出实 行实时控制，具有较快的动态响应速度和良好的输出特性。

工作原理

Q1～Q4构成全桥，Q5、Q6组成周波变换器。开关管的驱动波形如图2所示。

图2 开关管的驱动波形

整个工作过程可分为4个阶段，下面分别说明。

第一阶段 Q1、Q4导通

当Q1、Q4(有相位差)导通，并让Q5提前导通，直流侧的能量便可传输到输出端。此时谐振电感储能，Q5软开通，减少了开关损耗。如图2中ug5所示。

第二阶段 谐振

由于电路隔直电容和谐振电感(包括变压器中漏感)谐振，电感在第一阶段所保存的能量得以释放。当谐振电流到零时，关断Q1。此阶段Q2、Q4导通，Q5延迟一段时间再关断。如图2中ug5所示。

第三阶段 Q2，Q3导通

在此阶段，使Q6在Q2，Q3导通前提前导通。当Q2，Q3(Q1，Q2之间有死区)导通时，直流侧的能量便可传递到输出端，此时Q6为软开通。如图2中ug6所示。

第四阶段 谐振

工作原理同第二阶段类似，此时电流方向与第二阶段相反，当电感上的能量释放完毕，关断Q6。此时一个周期便结束，开始下一个周期。从图1可以看出，无论变压器副边电压极性如何，若Q5导通、Q6关断，则输出端OUT1为正，OUT2为负;若Q6导通，而Q5关断，则 OUT2为正，而OUT1为负。所以，控制Q5，Q6的导通顺序，即可控制输出端的极性，并可获得多种波形，例如交流、脉冲等波形均可实现。如要输出正弦波的正半周时，PULS1控制Q1，Q4，PULS2控制Q2，Q3，并同时让Q5，Q6相应地提前导通，便可输出正弦波的正半周，如图3所示。

要输出正弦波的负半周，只需让Q5，Q6的导通顺序交换便可，如图4所示。

软件实现

1 PWM波的输出

本文采用三角波作为载波的规则采样法，来获得等高不等宽的矩形波，即脉冲。每个脉冲的中点都与相应的三角波的中点相对应，在三角波的负峰值时刻tD对正弦调制波采样而得D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A点和B点，如图5所示。则有

δ=Tc(1+sinωrtD)/2

根据这一关系式，如果一个周期内有N个矩形波，则第i个矩形波的占空比为

Dr=0.5+0.5sin(i*2π/N)

用周期和占空比分别去设定TMS320LF2407中PWM电路相应的寄存器，便可在PWMx(x=1，2，3，4，7，8)上获得所需的 PWM脉冲波形，由这些PWM脉冲去控制相应的6个开关管，便可输出正弦波形。要注意的是，输出正弦波质量的高低与用作控制的正弦波的离散数量有关，如果离散数量越多，则输出的正弦波就越平滑，但却增加了DSP的运算量。反之输出会越差。因此，对具体的应用场合，要选择合适的离散值。定时器T1，T3被设定为下溢和周期匹配中断方式，用作PWM输出时基，工作在连续增/减记数模式。

2 实时采样

采用TMS320LF2407中集成的16路ADC转换电路实现电压、电流采样(每一通道的最小转换时间为500ns)。通过采样模块 MAX122，将采样信号转换为LF2407的ADC所需的0～3.3V电平。在一个工频周期中，将采样200次(开关频率为20kHz)。一旦有冲击性负载存在，将导致输出电流，或电压过高，使DSP能及时捕获此突变。DSP将调用相应的子程序来处理过压或过流情况，以保护整个电路的正常运行。定时器 T2被设定为下溢和周期中断方式，用作ADC采样的控制时基，工作在连续增/减记数模式。实验结果

根据以上原理，初步设计了一台实验系统，并获得了比较好的效果。其主要技术参数如表1所列。