基于DSP技術的三相逆變電源之SPWM原理簡析

DSP技術芯片的出現(xiàn)極大的改善了開關電源的研發(fā)和設計思路，也為工程師的研發(fā)工作提供了諸多便利。在今明兩天的方案分享中，我們將會為大家分享一種基于DSP技術的三相逆變電源設計方案。在今天的分享中，我們首先就這一三相逆變電源的SPWM調(diào)制原理進行簡要介紹和分析。

在本方案所設計的這一基于DSP技術而研制的逆變器電路中，核心部分主要采用的是美國TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A DSP芯片。在確定了DSP技術芯片的核心控制理念后，接下來我們就能夠根據(jù)數(shù)字控制思想構(gòu)建通用的變換器系統(tǒng)平臺。此變換器平臺硬件上具有通用性，不僅適用于500W的三相逆變電源，對于輸出性能有不同要求的逆變器，只需對軟件進行修改即可滿足要求。本方案的設計指標為輸入電壓220V(AC)，輸出電壓110V(AC)，頻率50Hz，輸出功率500W，輸出電流4.5A，輸出總諧波因數(shù)(THD)2%。系統(tǒng)原理圖如下圖圖1所示。

圖1 基于DSP技術的三相逆變電源系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)構(gòu)成

從圖1所給出的系統(tǒng)原理圖可知，整個基于DSP技術芯片所研發(fā)的三相逆變電源系統(tǒng)由輸入整流濾波、全橋逆變、輸出濾波、驅(qū)動隔離、數(shù)字控制器、輔助電源等部分構(gòu)成。其中，基于DSP技術的數(shù)字控制器主要為功率電路中給開關管提供門極驅(qū)動數(shù)字信號。

在整個三相逆變電源系統(tǒng)中，特定的驅(qū)動信號是根據(jù)控制指令的比較綜合，通過某種調(diào)節(jié)規(guī)律及調(diào)節(jié)方式獲得的。在數(shù)字控制器DSP中，還包括時序控制等。而驅(qū)動隔離部分主要是給功率主電路的開關管提供驅(qū)動模擬信號，即通過電位隔離和功率放大，在數(shù)字信號與模擬信號之間架起一座橋梁。輔助電源主要是向控制、驅(qū)動電路提供驅(qū)動電源和控制電源。輸入整流部分完成ACDC的轉(zhuǎn)換，逆變橋部分完成DC-AC的轉(zhuǎn)換。

SPWM調(diào)制原理

在了解了這一基于DSP技術所設計的三相逆變電源系統(tǒng)構(gòu)成情況后，接下來我們再來看一下SPWM調(diào)制原理。在采樣控制理論中有一個重要結(jié)論，相信很多工程師都非常清楚，那就是沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其基本效果相同。這個結(jié)論是PWM控制的重要理論基礎。

在本方案中，我們所設計的這一三相逆變電源，其主系統(tǒng)產(chǎn)生脈寬調(diào)制波的基本方法也正是基于上文中所提及的采樣控制理論而設計的。我們選擇把一個正弦波的每半個周期分成等分，然后把每等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積用一個與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，則各脈沖的寬度將按正弦規(guī)律變化。通常選正弦波為調(diào)制波，以高頻率的等腰三角形作為載波，由之相交構(gòu)成正弦波脈沖調(diào)制(SPWM)。在這一三相逆變電源系統(tǒng)中，產(chǎn)生SPWM波的步驟如下：

首先，采用載波頻率為20kHz，即載波周期為50s。然后利用通用定時器T1的周期中斷T1PINT作為載波周期中斷，此時T1的計時器周期相當于載波周期。此時T1的計數(shù)模式應設為連續(xù)增減模式，而CPU的時鐘頻率則應當設定為40MHz，同時設置T1CON中的定標系數(shù)為4，即T1的輸出頻率為10MHz，計數(shù)周期為100ns。

在完成了T1技術模式和CPU時鐘頻率的設計后，接下來我們就需要根據(jù)占空比表達式計算出每個矩形脈沖的占空比，用占空比乘以周期寄存器的值，從而計算出比較寄存器的值，并使脈沖個數(shù)指針加1。在完成了上述操作后，接下來我們需要從周期中斷子程序中將計算所得的比較寄存器的值，送到比較寄存器中，并置相應的標志位。主程序根據(jù)標志位來判斷是否已完成一個周期的操作，如果標志位已置1，則清標志位，調(diào)計算占空比子程序，然后進入等待狀態(tài);如果標志位未置1，則直接進入等待狀態(tài)。

在這一基于DSP技術的三相逆變電源設計過程中，為了實現(xiàn)實時控制，我們特別采用了查表法來進行占空比的計算，即事先離線計算出每個開關角對應的占空比。這一步驟可由高級語言(如C或C++等)來完成，其等分數(shù)可由一變量DIVIDE來控制，列成表格(400個點)，然后將其存放在數(shù)據(jù)區(qū)，等候隨時調(diào)用進行比較寄存器值的計算。實驗中如要調(diào)整載波頻率，即保持T1PR得值不變，只需相應地改變T1的定標系數(shù)就可以改變載波頻率，因此保證了算法的適應性。