工程師分享：基于DSP實(shí)現(xiàn)的一種開關(guān)逆變電源

引言

隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高。包括市電在內(nèi)的所有原始電能可能滿足不了用戶的要求，必須經(jīng)過處理后才能使用，逆變技術(shù)在這種處理中起到了重要的作用。傳統(tǒng)的逆變技術(shù)多為模擬控制或模擬與數(shù)字相結(jié)合的控制系統(tǒng)，其缺點(diǎn)為

1)控制電路的元器件比較多，體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜;

2)靈活性不夠，硬件電路一旦設(shè)計(jì)完成，控制策略就不能改變;

3)調(diào)試比較麻煩，由于元器件特性的差異，致使電源一致性差，且模擬器件的工作點(diǎn)漂移，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)的漂移，從而給調(diào)試帶來不便。

因此，傳統(tǒng)的逆變器在許多場(chǎng)合已不適應(yīng)新的要求。

隨著高速、廉價(jià)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP——Digital Signal Processor)的問世，于是便出現(xiàn)了數(shù)字電源(DPS——Digital Power Supply)。其優(yōu)點(diǎn)有

1)數(shù)字化更容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字芯片的處理和控制，避免模擬信號(hào)傳遞的畸變、失真，減少雜散信號(hào)的干擾;

2)便于系統(tǒng)調(diào)試;

3)如果將網(wǎng)絡(luò)通迅和電源軟件調(diào)試技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙感、遙測(cè)、遙調(diào)。

這些使得逆變電源數(shù)字化控制成為今后的發(fā)展趨勢(shì)。

本文采用TI公司專門為電機(jī)及電力電子領(lǐng)域設(shè)計(jì)的TMS320LF2407型DSP作為控制器，介紹數(shù)字化周波逆變器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

TMS320LF2407的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

TMS320LF2407具有高速信號(hào)處理和數(shù)字化控制功能所必需的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。將其優(yōu)化的外設(shè)單元和高性能的DSP內(nèi)核相結(jié)合，可以為各種類型電機(jī)提供高速和全變速的先進(jìn)控制技術(shù)。其主要特點(diǎn)為

1)其系統(tǒng)運(yùn)行主頻達(dá)30MHz，使得指令周期縮短到33ns，絕大部份指令均可在單周期內(nèi)完成，提高了控制器的實(shí)時(shí)能力。

2)2個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)包括2個(gè)16位通用定時(shí)器;8個(gè)16位的脈寬調(diào)制(PWM)通道。它們能夠?qū)崿F(xiàn)三相反相器控制;PWM的對(duì)稱和非對(duì)稱波形;當(dāng)外部引腳PDPINTx出現(xiàn)低電平時(shí)快速關(guān)閉PWM通道;可編程的PWM死區(qū)控制以防止上下橋臂同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖;16 通道A/D轉(zhuǎn)換器等功能。事件管理模塊適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、多級(jí)電機(jī)和逆變器。

3)10位A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns，可選擇由兩個(gè)事件管理器來觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。

4)高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳(GPIO)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分組成，如圖1所示。主電路部分，采用移相式零電壓、零電流(PS-ZVZCS)全橋變換 器和相控周波變換器 PCCYC(Phase ControlLED Cycle Converter)。跟其它變換器相比，相控周波變換器始終都可以工作在第一、三象限，與移相技術(shù)相結(jié)合，可以極大地提高高頻變壓器的工作效率。同時(shí)， 采用高頻環(huán)進(jìn)行逆變，因而無須采用工頻變壓器，使體積減小。全橋變換器部分，利用可飽和電感Lr和隔直電容Cr實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)流的阻斷，可以在很寬的負(fù)載范圍內(nèi) 實(shí)現(xiàn)超前橋臂的ZVS和滯后橋臂的ZCS，減小了開關(guān)應(yīng)力，降低了損耗，提高了工作效率?？刂撇糠?，采用快速、高效的 DSP作為核心控制器，通過光耦隔離，并有IGBT自保護(hù)的專門驅(qū)動(dòng)芯片EXB841來驅(qū)動(dòng)主電路中的功率開關(guān)管。與采樣電路，保護(hù)電路配合，可對(duì)輸出實(shí) 行實(shí)時(shí)控制，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和良好的輸出特性。

工作原理

Q1～Q4構(gòu)成全橋，Q5、Q6組成周波變換器。開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形如圖2所示。