基于DSP技術(shù)的寬頻逆變實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)及算法的研究

引言

逆變技術(shù)作為現(xiàn)代電子電力核心技術(shù)，集現(xiàn)代電子、信息和智能技術(shù)于一體。大部分的用電設(shè)備工作在工頻，但在一些特殊場合，斷路器、熔斷器、熱繼電器、磁力啟動器等保護(hù)性開關(guān)在線檢測以及蓄電池、燃料電池內(nèi)阻的在線測試等等，就需要一種能在一個較寬的頻率范圍變化的電能形式。本文介紹了一種在TMS320F2812 上實現(xiàn)的輸出波形能在一個較寬的頻率范圍調(diào)節(jié)的逆變算法。

2 逆變技術(shù)研究

逆變控制技術(shù)經(jīng)歷了一個不斷創(chuàng)新和完善的發(fā)展過程，逆變控制技術(shù)有許多種，如等脈寬PWM 調(diào)制、正弦波PWM（SPWM）調(diào)制以及空間矢量PWM（SVPWM）調(diào)制。SPWM法的基本思想是使輸出脈沖寬度按照正弦規(guī)律變化，因此能有效的抑制輸出電壓中的低次諧波分量，得到近乎正弦的交流電壓。SPWM 波形的產(chǎn)生有以下幾種方法：自然采樣法、規(guī)則采樣法以及直接面積等效法等。其中直接面積等效法兼顧計算精度和速度，特別是隨著具有強大運算能力的DSP 的出現(xiàn)，這種方法將被廣泛應(yīng)用。

圖 1 直接面積等效法算法原理圖

3 寬頻逆變算法的研究與實現(xiàn)

3.1 SPWM 產(chǎn)生的設(shè)計思想

利用 TMS320F2812 生成SPWM 波的基本設(shè)計思想是利用事件管理器中的3 個全比較單元、通用定時器、死區(qū)發(fā)生單元以及輸出邏輯來生成單相4 路SPWM 波，經(jīng)用4 個復(fù)用的I/O 引腳輸出。TMS320F2812 的定時器有4 種工作方式，用如圖2（a）所示的連續(xù)增減記數(shù)方式工作的時候，將會產(chǎn)生對稱的PWM 波形輸出。在這種記數(shù)方式下，計數(shù)器的值開始連續(xù)遞增，當(dāng)達(dá)到周期寄存器值時開始連續(xù)遞減直到計數(shù)器值為0，計數(shù)器值為0 后又重新連續(xù)遞增，如此循環(huán)反復(fù)。在遞增和遞減的過程中，當(dāng)計數(shù)器的值和比較寄存器的值相等時，即產(chǎn)生比較匹配時，輸出方波會發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)。通過不斷改變比較寄存器中的值的大小，就會產(chǎn)生寬度不斷改變的方波序列，當(dāng)方波序列寬度按照正弦規(guī)律變化就產(chǎn)生了與圖2(b)所示SPWM 波形。

圖2 數(shù)字SPWM 波形產(chǎn)生原理圖

3.2 寬頻調(diào)制算法研究與實現(xiàn)

特定頻率輸出的逆變算法其輸出波形在特定頻率附近小范圍變化，便于濾波電路的設(shè)計。逆變器濾波電路一經(jīng)設(shè)計便不能更改，其只對某一小段頻率的波形有良好的濾波效果。

DSP 的寄存器中方便計算。以制作一張1024 個點的余弦表，輸出波形頻率f 在50Hz～3KHz變化為例。逆變算法開關(guān)頻率為1024 倍的輸出波形頻率，即開關(guān)頻率fc 在50KHz～3MKHz變化。由于每一個開關(guān)周期即1/fc 的時間內(nèi)都要進(jìn)行一次逆變算法，對于主頻為150MHzTMS320F2812 而言要求算法須在150/3=50 個指令周期內(nèi)完成，同時低通濾波器設(shè)計時要求基波頻率3KHz,諧波頻率50KHz。進(jìn)行較為復(fù)雜的運算50 個周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，如果增加指令周期數(shù)比如提高到500 個周期，低通濾波器設(shè)計時要求基波頻率3KHz,諧波頻率5KHz。，顯然無法設(shè)計出滿足要求的濾波器。為了解決上述問題，采取分段方式設(shè)置開關(guān)頻率，如表 1 所示。

由上表可以知，當(dāng)一個1024 個點的余弦表制作好后，在50Hz～100Hz 段，若前一個開關(guān)周期取第N 個數(shù)，則緊接著的這個周期取第N+1 個數(shù)；在100Hz～200Hz 段，若前一個開關(guān)周期取第N 個數(shù)，則緊接著的這個周期取第N+2；依此類推。

輸出波形的頻率在 50Hz～3KHz 變化，開關(guān)頻率范圍始終保持在51.2K～102.4K 之間變化。在LC 低通濾波器中取L=1m H，C=0.47ｕF,則其截止頻率約為7.3KHz 對整個頻率范圍都能達(dá)到較好的濾波效果。同時指令周期數(shù)為150M/100K=1500 個，可以很好的滿足較為復(fù)雜的算法的需求。

主程序流程如圖3（a）所示。主程序先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，主要包括清零所有的CPU 級中斷標(biāo)志寄存器同時設(shè)置CPU 級中斷屏蔽寄存器，設(shè)置事件管理器中的一些控制寄存器外,給部分變量賦初值并需將四個復(fù)用的I/ O 引腳設(shè)置為PWM 波輸出引腳。完成所有的初始化工作后,再進(jìn)行頻率幅值的設(shè)置，本文為每次預(yù)先設(shè)置好輸出波形的頻率與幅值再將整個程序編譯燒進(jìn)DSP片中進(jìn)行實驗，而在實際應(yīng)用中一般采用外部擴展鍵盤或者外部擴展通訊接口進(jìn)行實時設(shè)置。開相應(yīng)中斷，本文為開計數(shù)器連續(xù)增減模式下的下溢中斷，啟動計數(shù)器同時主程序進(jìn)入一個循環(huán)程序等待，當(dāng)不滿足循環(huán)條件時整個程序結(jié)束。

中斷服務(wù)子程序如圖3(b)所示。當(dāng)程序進(jìn)入中斷服務(wù)子程序后,進(jìn)行中斷現(xiàn)場的保護(hù)，采集輸入電壓，輸出電壓與電流值，判斷系統(tǒng)是否過載。如果系統(tǒng)處于過載的狀態(tài)下立即將四個復(fù)用的I/ O 引腳設(shè)置為高阻態(tài)從而關(guān)斷整個逆變橋起到保護(hù)作用。如果系統(tǒng)處于正常狀態(tài)則取給定的頻率對照分段表選取相應(yīng)的讀余弦表的方法結(jié)合輸入電壓，采用直接面積等效法計算出開關(guān)管的開關(guān)時間，計算出的時間為理論時間結(jié)合實際采樣值進(jìn)行PID控制算法計算出開關(guān)管實際開關(guān)時間，將實際開關(guān)時間換算成比較寄存器相應(yīng)的值，設(shè)置比較寄存器來改變下一個中斷周期里各相脈沖的占空比，從而產(chǎn)生單相四路SPWM波形輸出，最后開中斷并返回等待下一個中斷產(chǎn)生。

圖3 程序流程圖

4 硬件系統(tǒng)構(gòu)建及實驗結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計，使用TMS320F2812 控制芯片以及相應(yīng)的全橋逆變電路，濾波電路，采樣電路，驅(qū)動電路搭建了變頻實驗系統(tǒng)。其硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖 4 硬件結(jié)構(gòu)圖

如圖所示整個系統(tǒng)以 TMS320F2812 為核心控制器，Vdc 為一外接的穩(wěn)定直流電壓通過全橋逆變生成SPWM 波形，再通過LC 低通濾波器生成正弦波Uo。采集輸入電壓，輸出電流及電壓做算法用，同時作為過載時的軟保護(hù)用。I/O 口輸出的四路SPWM 信號通過功率放大隔離電路驅(qū)動逆變?nèi)珮颉?/p>

在此硬件系統(tǒng)上采用上述寬頻逆變算法實現(xiàn)了頻率在 50Hz～3KHz 變化的正弦波的輸出。輸出波形如圖6 所示，（a）和（b）分別為幅值5V 頻率為50Hz 和1000Hz 的輸出波形圖，雖然頻率相差20 倍，但在相同的硬件系統(tǒng)下輸出波形的正弦度都非常好，同時幅值和頻率的精度都滿足要求。

圖5 實驗輸出波形圖

5 結(jié)論

研究表明 DSP 本身的PWM 模塊極大的方便了控制系統(tǒng)的開發(fā)，同時DSP 的高速運算能力，能夠支持更為復(fù)雜的算法使輸出波形更佳。