基于DSP的三相SPWM變頻電源的設(shè)計(jì)

引言
變頻電源作為電源系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全和可靠性指標(biāo)?，F(xiàn)代變頻電源以低功耗、高效率、電路簡(jiǎn)潔等顯著優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。變頻電源的整個(gè)電路由交流-直流-交流-濾波等部分構(gòu)成，輸出電壓和電流波形均為純正的正弦波，且頻率和幅度在一定范圍內(nèi)可調(diào)。

本文實(shí)現(xiàn)了基于TMS320F28335的變頻電源數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)有效利用TMS320F28335豐富的片上硬件資源，實(shí)現(xiàn)了SPWM的不規(guī)則采樣，并采用PID算法使系統(tǒng)產(chǎn)生高品質(zhì)的正弦波，具有運(yùn)算速度快、精度高、靈活性好、系統(tǒng)擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)總體介紹

根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，變頻電源可分為直接變頻電源與間接變頻電源兩大類。本文所研究的變頻電源采用間接變頻結(jié)構(gòu)即交-直-交變換過(guò)程。首先通過(guò)單相全橋整流電路完成交-直變換，然后在DSP控制下把直流電源轉(zhuǎn)換成三相SPWM波形供給后級(jí)濾波電路，形成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。變頻系統(tǒng)控制器采用TI公司推出的業(yè)界首款浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)控制器TMS320F28335，它具有150MHz高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，單指令周期32位累加運(yùn)算，可滿足應(yīng)用對(duì)于更快代碼開發(fā)與集成高級(jí)控制器的浮點(diǎn)處理器性能的要求。與上一代領(lǐng)先的數(shù)字信號(hào)處理器相比，最新的F2833x浮點(diǎn)控制器不僅可將性能平均提升50%，還具有精度更高、簡(jiǎn)化軟件開發(fā)、兼容定點(diǎn)C28x TM控制器軟件的特點(diǎn)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

（1）整流濾波模塊：對(duì)電網(wǎng)輸入的交流電進(jìn)行整流濾波，為變換器提供波紋較小的直流電壓。

（2）三相橋式逆變器模塊：把直流電壓變換成交流電。其中功率級(jí)采用智能型IPM功率模塊，具有電路簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)。

（3）LC濾波模塊：濾除干擾和無(wú)用信號(hào)，使輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。

（4）控制電路模塊：檢測(cè)輸出電壓、電流信號(hào)后，按照一定的控制算法和控制策略產(chǎn)生SPWM控制信號(hào)，去控制IPM開關(guān)管的通斷從而保持輸出電壓穩(wěn)定，同時(shí)通過(guò)SPI接口完成對(duì)輸入電壓信號(hào)、電流信號(hào)的程控調(diào)理。捕獲單元完成對(duì)輸出信號(hào)的測(cè)頻。

（5）電壓、電流檢測(cè)模塊：根據(jù)要求，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)線電壓及相電流的變化，所以需要三路電壓檢測(cè)和三路電流檢測(cè)電路。所有的檢測(cè)信號(hào)都經(jīng)過(guò)電壓跟隨器隔離后由TMS320F28335的A/D通道輸入。

（6）輔助電源模塊：為控制電路提供滿足一定技術(shù)要求的直流電源，以保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

變頻電源的硬件電路主要包含6個(gè)模塊：整流電路模塊、IPM電路模塊、IPM隔離驅(qū)動(dòng)模塊、輸出濾波模塊、電壓檢測(cè)模塊和TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理模塊。

整流電路模塊

采用二極管不可控整流電路以提高網(wǎng)側(cè)電壓功率因數(shù)，整流所得直流電壓用大電容穩(wěn)壓為逆變器提供直流電壓，該電路由6只整流二極管和吸收負(fù)載感性無(wú)功的直流穩(wěn)壓電容組成。整流電路原理圖如圖2所示。

圖2 整流電路原理圖

IPM電路模塊

IPM由高速、低功率IGBT、優(yōu)選的門級(jí)驅(qū)動(dòng)器及保護(hù)電路組成。IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低，非常適合應(yīng)用于直流電壓。因而IPM具有高電流密度、低飽和電壓、高耐壓、高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)。本文選用的IPM是日本富士公司的型號(hào)為6MBP20RH060的智能功率模塊，該智能功率模塊由6只IGBT管子組成，其IGBT的耐壓值為600V，最小死區(qū)導(dǎo)通時(shí)間為3μs。

IPM隔離驅(qū)動(dòng)模塊

由于逆變橋的工作電壓較高，因此DSP的弱電信號(hào)很難直接控制逆變橋進(jìn)行逆變。美國(guó)國(guó)際整流器公司生產(chǎn)的三相橋式驅(qū)動(dòng)集成電路IR2130，只需一個(gè)供電電源即可驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變電路的6個(gè)功率開關(guān)器件。