基于DSP和SPWM控制的全数字单相变频器设计

常见的AC/DC/AC变频器，是对输出部分进行变频、变压调节，而且在多种逆变控制技术中，应用最广泛的一种逆变控制技术是正弦脉宽调制(SPWM)技术。在变频调速系统中，应用DSP作为控制芯片以实现数字化控制，它既提高了系统可靠性，又使系统的控制精度高、实时性强、硬件简单、软件编程容易，是变频调速系统中最有发展前景的研究方向之一。

TMS320LF2407A芯片简介

TMS320LF2407A是TI公司专为电机控制而设计的单片DSP控制器。它具有高性能的C2XLP内核，采用改进的哈佛结构，四级流水线操作，它不仅具备强大高速的运算能力，而且内部集成了丰富的电机控制外围部件，如事件管理器EVA、EVB各包括3个独立的双向定时器;支持产生可编程的死区控制PWM输出;4个捕获口中的2个可直接连接来自光电编码器的正交编码脉冲;2个独立的10位8路A/D转换器可同时并行完成两个模拟输入的转换;片内的串行通信接口可用于与上位机通信;片内串行外设口用于与外设之间通信;40个可独立编程的复用I/O口可以选配成键盘输入和示波器显示的输入/输出口。这些为实现交流电机变频调速控制提供了极大的便利。

系统总体方案及硬件电路

图1为系统硬件框图。在本系统中，以TMS320LF2407A为主要控制芯片，逆变器采用SPWM调制控制方式实现变频控制算法，系统硬件由主电路、显示电路、键盘输入电路以及检测与保护电路等组成。DSP首先从键盘采集需要的频率信号，接着通过运算产生相应的SPWM信号，通过光耦传给驱动电路再控制逆变桥中的功率管导通与关断，同时采集主电路中的有关信号并判断有无故障输出。若有故障则关断DSP的SPWM输出，从而关断主电路。

1、主电路组成

图2为系统的主电路，由整流电路、滤波电路和逆变电路3部分组成。整流电路为三相不可控整流桥，由它将380 V、50 Hz交流电整流变换成脉动直流电。电路中采用滤波电容进行滤波，滤去电压纹波，同时滤波电容还在整流电路与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰。整流后的直流电压平均值为UO=1.35U2≈1.4U2=540 V.U2为交流侧电压有效值。考虑到输入三相电有10%的波动，所以UO=500～560 V.主电路图中的功率器件G1、G2、G3、G4表示是IGBT器件，其型号是MG50Q2YS40，耐压值为1 200 V，控制电压为土20 V，电流为50 A.R1为限流电阻，防止冲击电流对IGBT的损害。L1、L3为共模滤波器，HL1、HL2为电流霍尔元件，其作用为检测主电路的电流值，作为保护电路的输入信号;另外还用到电压霍尔元件，检测电压值，作为保护电路的输入信号和电压反馈信号，组成电压负反馈。采用SPWM技术控制的4个IGBT进行逆变，输出的交流电经过变压器变压后，再用LC滤波器进行滤波，输出220 V频率可变的交流电。

2、驱动与保护电路

图3为驱动电路原理。本系统逆变电路功率器件采用IGBT芯片，因此驱动电路选用4片三菱公司生产的驱动模块M57962L.该驱动模块为混合集成电路，将IGBT的驱动和过流保护集于一体。图3中M57962L的13脚接DSP的PWMl(其他3片M57962L分别接PWM2、PWM3、PWM4)，14脚接地，1、6脚分别接电源。另外，M57962L采用的是低电压驱动，即只有13脚输入负电位时才能驱动M57962L.这样做的优点在于防止出现干扰，当出现干扰波形时，采用低电平驱动的M57962L不能驱动。另外在关断过程中，如果电压变化过大，则会产生擎住现象，使IGBT失控，引起上下桥臂直通，因此，采用RC缓冲电路来抑制过电压和电压变化率du/dt.

系统的数字实现

系统逆变器部分采用SPWM规则采样算法，其基本思想是使输出的脉冲按正弦规律变化，这样降低输出电压中的谐波分量，使输出电压更接近于正弦波。为了便于数字实现，用规则采样法生成SPWM脉冲序列，其原理如图4所示。因为三角载波频率比正弦波频率高很多，所以将三角载波uc的一个周期内的正弦调制波ut看作不变，这样在一个三角波周期，只需在B点取样一次，便可使生成的SPWM脉冲中点与对应三角波的中点(A点)重合，从而使SPWM脉冲的计算大为简化。设uc的幅值为1，正弦调制信号ut=Msinωtt，其中O≤M<1(M为调制度)。由于△ABC～△EDA，故有：

正弦函数值采用查表的方式求出。另外在每段的同步调制中取N为3的倍数。

软件程序设计是逆变控制电路设计的核心。本系统软件主要包括：主程序、中断服务程序、PI调节程序、显示程序等。图5为主程序流程，图6为中断程序流程。在主程序中，完成DSP系统及外部设备初始化，I/O控制信号管理及正弦波信号产生和处理等。在中断程序中，完成电流、电压检测，PI调节计算，计算恒压频比下的调制度M和频率值，正弦波处理并给比较器CMPRl赋值等。

图7为同一桥臂上下管PWMl与PWM2波形。由图可见，上下桥臂设置了2μs的死区时间，以保证逆变电路的安全工作。图8为DSP发出的PWM波形， (1)、(2)为两个互补的等幅不等宽的脉冲信号。其中高电平为+5 V，低电位为O V，脉冲宽度是按照正弦规律变化的。由于M57962L芯片采用的是负电位驱动，所以要采用电平转换电路。图9为最终驱动IGBT的SPWM波形(转换后的SPWM波形)，从图中可以看出，波形的宽度是按照正弦规律变化的。图10(a)、(b)分别为f=200 Hz和f=300 Hz时的输出电压波形。实验结果表明，输出电压波形质量好，总谐波畸变率低。

结论

基于DSP的数字控制技术能大大改善产品的一致性，克服模拟控制带来的产品性能分散性，同时增强了控制的柔性，简化了系统结构，提高了整个系统的稳定性和可靠性，有较好的应用前景。本设计应用TMS320LF2407A芯片采用SPWM控制技术，完成了将380 V、50 Hz的交流电源变换成输出220 V、频率为100～400 Hz可调的交流电源。通过对样机的实际测量表明，输出波形质量良好，克服了过去这类电源采用体积大的中频变压器时出现的噪声大、响应慢、波形畸变严重等缺点，是有较好应用前景的产品。