采用DSP TMS320F28335的三相SPWM变频电源的.docx

采用DSPTMS320F28335的三相SPWM变频电源的变频型邀作为电源系统的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。现代变频电源以低功耗、高效率、电路简洁等显著优点而备受吉昧.变频电源的整个电路由交流-直流-交流-混波等部分构成，输出电压和生逋波形均为纯正的正弦波，I1.频率和幅度在一定范国内可调。本文实现了基于TMS320F28335的变频电源数字域医统的设计，通过有效利用TMS320F28335丰富的片上蝇资源，实现了SPwM的不规则采样，并采用P1.D笄法使系统产生高品质的正弦波,具有运算速度快、精度高、灵活性好、系统扩展能力强等优点。系统总体介绍根据结构不同，变嫉电源可分为直接变频电源与间接变顽电源两大类。本文所研究的变频电源采用间接变频结构即交一直-交变换过程,首先通过单相全桥整流电路完成交一直变换，然后在幽控制下把直流电源转换成三相SPWM波形供给后级漉波电路，形成标准的正弦波。变频系统控制器采用T1.公司推出的业界首款浮点数字信号控制TMS320F28335,它具有150MHZ高速处理能力，具备32位浮点处理单元，单指令周期32位累加运算，可满足应用对于更快代科开发与集成高级控制器的浮点空罂性能的要求.与上一代领先的数字信号处理器相比，逊i的F2833X浮点控制器不仅可将性能平均提升50%,还具有精度更高、简化软件开发、兼容定点C28x口!控制器软件的特点。系统总体框图如图1所示。图1系统总体框图（1）整流流波模块：对电网输入的交流电进行整流谑波，为变换器提供波纹较小的直流电压.（2）三相桥式逆变器模块：把直流电压变换成交流电。其中功率级采用变能型IPM功率模块,具有电路简单、可靠性高等特点。（3）1.C波波模块：滤除干扰和无用比殳，使输出信号为标准正弦波。（4）控制电路模块:一测输出电压、电流信号后，按照一定的控制算法和控制策略产生SPwM控制信号，去控制IPM开关管的通断从而保持输出电压稳定，同时通过SP1.接旦完成对输入电压信号、电流信号的程控调理。捕获单元完成时输出信号的测频.（5）电压、电流检测模块:根据要求，需要实时检测线电压及相电流的变化，所以需要三夜电压检测和：路电潦检测电路。所有的检测信号都经过电压跟随器隔离后由TMS320F28335的D通道输入.（6）辅助电源模块:为控制电路提供满足一定技术要求的直流电源，以保证系统工作稳定可兼。系统硬件设计变频电源的硬件电路上要包含6个模块：整流电路模块、IPM电路模块、IPM隔离驱动模块、输出港波模块、电压检测模块和TMS320F28335数字信号处理模块。整流电路模块采用工做宜不可控整流电路以提高网恻电压功率因数，整流所得直流电压用大电容稳压为逆变器提供直流电压，该电路由6只整流二极管和吸收负裁感性无功的直流稳压电容组成，整流电路原理图如图2所示。图2整流电路原理图IPM电路模块IPM由高速、低功率咽、优选的门级驱动器及保护电路组成。IGBT（绝缘棚双极型晶体管）是由BJT（双极型三极管）和MoS（绝绥棚型场效应管）组成的电合全控型电压驱动式电力电子器件.GTR饱和压降低，截流密度大，但驱动电流较大：VOSFET驱动功率很小,开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低，非常适合应用于直流电压。因而IPM具有高电流密度、低饱和电压、高耐压、高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。本文选用的IPM是日本富士公司的型号为6MBP20RH060的智能功率模块，该智能功率模块由6只IGBT管子组成，其IGBT的耐压值为600V,最小死区导通时间为3s。IPM隔离驱动模块由下逆变桥的工作电压较离，因此DSP的弱电信号很难直接控制逆变桥进行逆变。美国国际整流器公司生产的三和桥式驱动朱成电路1R2130,只需一个供生电源即可聊动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件。IR2130驱动其中1个桥臂的电路原理图如图3所示。C1.是自举生窗，为上桥惜功率管驱动的悬浮电源存储能量，D1.可防止上桥蟒导通时直流电压母线电压到IR2130的电源上而使沿件损坏。R1.和R2是IGBT的门极驱动蛔，般可采用十到几十欧姆.R3和R4组成过流检测电路，其中R3是过流取样电阻，R4是作为分压用的可调电阻.IR2130的IIINHIN3,1.IN1.IN3作为功率管的输入驱动信号与TMS3201.8335的PWM连接，由TMS320网335控制产生PWM控制信号的输入，FAU1.T与BIS320F8335引脚PDP1.N连接，一旦出现故障则触发功率保护中断，在中断程序中封锁PwM信号。图3IR2130驱动其中1个桥臂的电路原理图，出源波模块采用SPWM控制的逆变电路，输出的51那M波中含有大量的高频谐波。为了保证输出电压为纯正的正弦波，必须采用输出邈盘。本文采用1.C滤波电路，其中截止频率取基波频率的4.5倍，1.=12aH,C=IOuFe电压检测模块电压检测是完成闭环控制的盎要环节，为了精确的测量线电压，通过T¾tS320F28335的SP1.总线及GPIO口控制对输入的线电压进行衰减,放大的比例以满足A/D模块对输入信号电平（0-3D的要求.电压检测模块采用256抽头的数字电位AD5290和高速运算放大器AD8202组成程控信号放大/衰减器,每个输通道的输入特性为IMa输入阻抗+30p3电压检测模块电路除理图如图4所示。图4电压检测电路原理图系统软件设计系统上电后按照选定的模式自举加载程序，跳转到主程序入口，进行相关变量、控制寄存器初始化设置和正弦表初始化等工作。接着使能需要的中断，启动定时器,然后循环进行故障检测和保护，并等待中断。主要包括三部分内容：定时器周期中断/程序、A/D采样子程序和数据处理算法。主程序流程图如图5所示。图5主程序流程图定时器周期中断子程序主要进行P1.调节，更新占空比，产生SP册（波。定时器周期中断流程图如图6所示。图6定时器周期中断流程图A/D采样子程序主要完成线电流采样和线电压采样。为确保电压与电流信号间没有相对相移，本部分利用TMS320F28335片上维的同步采样方式。为提高采样精度，在A/D中断了程序中采用均值滤波的方法。对A相电压和电流A/D的同步采样部分代码如下：数据处理算法本系统主要用到以下算法：（1）SvP皿算法（2）PID调节算法（3）频率检测算法SvPwM算法变频电源的核心就是SWNM波的产生，SP淤!波是以正弦波作为基准波（调制波），用一列等幅的三角波（我波）与基准正弦波相比较产生PwM波的控制方式。当基准正弦波高于三角波时，使相应的开关器件导通：当基准正弦波低于三角波时，使相应的开关器件截止。由此，逆变罂的输出电压波形为脉冲列，其特点是：半个周期中各脉冲等距等幅不等宽，总是中间宽，两边帘，各脉冲面枳与该区间正弦波下的面积成比例。这种脉冲波经过低通波波后可得到与调制波同频率的正弦波，正弦波幅值和频率由调制波的幅值和频率决定。本文采用不对称规则采样法，即在三角波的顶点位置与低点位.巴对正弦波进行采样，它形成的阶梯波更接近正弦波。不规则采样法生成SPWM波原理如图7所示。图中，Tc是载波周期，M是调制度，N为载波比，Ton为导通时间.由图7得：当k为偶数时代表顶点采样，k为奇数时代表底点采样。SVPWM算法实现过程：利用F28335内部的事件管理器模块的3个全比较单元、通用定时器I、死区发生单元及输出逻辑可以很方便地生成三相六路SPWM波形。实际应用时在程序的初始化部分建立一个正弦表，设置通用定时器的计数方式为连续增计数方式，在中断程序中调用表中的值即可产生相应的按正弦规律变化的SPWM波.SPWM波的频率由定时时间与正弦表的点数决定。SVPWM算法的部分代码如卜丁PID调节算法在实际控制中很多不稳定因素易造成增量较大，进而造成输出波形的不稳定性，因此必须采用增量式PID算法对系统进行优化。PID算法数学表达式为Upresat(O=Up()+Ui(IHUd(0其中，Up(t)是比例调节部分，Ui(t)是积分调节部分，Ud(t)是微分调节是分。本文通过对A/D转换采集来的电压或电流信号进行处理，并时辘出的SPWM波进行脉冲宽度的调整，使系统输出的电压保持稳定。PID调节算法的部分代码如下:频率检测算法频率检测算法用来检测系统输出电压的频率。用TMS320F28335片上事件管理器模块的捕获单元捕捉被测信号的有效电平跳变沿，并通过内部的计数器记录一个周波内标频脉冲个数，最终进行相应的运算后得到被测信号频率。实检结果能量波形在完成上述硬件设计的基础上，本文采用特定的P附!控制策略，使逆变器拖动感应蝇运行，并进行了短路、电机堵转等实验，证明采用逆变器性能稔定，能可亮地实现过流和短路保护.图8是电机在空载条件下，用数字示波器记录的稔态电压波形.幅度为35Y,频率为60Hz。图7不规则采样法生成SPWM波原理图图8输出线电压波形流试数据在不同频率及不同线电压情况卜的测忒数据如表1所示。表1不同输出频率及不同线电压情况下实验结果结果分析由正螂观察到的线电压波形可以看出，波形接近正弦波，基本无失直：由表中数据可以看出，不同频率下，输出线电压最大的绝对误差只有0.6V,相对误差为1.7K本文设计的三相正弦波变频电源，由于采用了不对称规则采样算法和P1.D算法使输出的线电压波形基本为正弦波，其绝对误差小于1.7%：同时具有故障保护功能，可以自动切断输入交潦电源。因此本系统具有电路简单、抗干扰性能好、控制效果佳等优点，使丁工程应用，具有较大的实际应用价值.