基于DSP技術(shù)的三相逆變電源之SPWM原理簡析

DSP技術(shù)芯片的出現(xiàn)極大的改善了開關(guān)電源的研發(fā)和設(shè)計(jì)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(huì)為大家分享一種基于DSP技術(shù)的三相逆變電源設(shè)計(jì)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(jìn)行簡要介紹和分析。

在本方案所設(shè)計(jì)的這一基于DSP技術(shù)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(shù)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(tái)。此變換器平臺(tái)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(jìn)行修改即可滿足要求。本方案的設(shè)計(jì)指標(biāo)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(shù)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(gè)基于DSP技術(shù)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(dòng)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(shù)的數(shù)字控制器主要為功率電路中給開關(guān)管提供門極驅(qū)動(dòng)數(shù)字信號。

在整個(gè)三相逆變電源系統(tǒng)中，特定的驅(qū)動(dòng)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(shí)序控制等。而驅(qū)動(dòng)隔離部分主要是給功率主電路的開關(guān)管提供驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路提供驅(qū)動(dòng)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(shù)所設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)結(jié)論是PWM控制的重要理論基礎(chǔ)。

在本方案中，我們所設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的。我們選擇把一個(gè)正弦波的每半個(gè)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(gè)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(shí)器T1的周期中斷T1PINT作為載波周期中斷，此時(shí)T1的計(jì)時(shí)器周期相當(dāng)于載波周期。此時(shí)T1的計(jì)數(shù)模式應(yīng)設(shè)為連續(xù)增減模式，而CPU的時(shí)鐘頻率則應(yīng)當(dāng)設(shè)定為40MHz，同時(shí)設(shè)置T1CON中的定標(biāo)系數(shù)為4，即T1的輸出頻率為10MHz，計(jì)數(shù)周期為100ns。

在完成了T1技術(shù)模式和CPU時(shí)鐘頻率的設(shè)計(jì)后，接下來我們就需要根據(jù)占空比表達(dá)式計(jì)算出每個(gè)矩形脈沖的占空比，用占空比乘以周期寄存器的值，從而計(jì)算出比較寄存器的值，并使脈沖個(gè)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(jì)算所得的比較寄存器的值，送到比較寄存器中，并置相應(yīng)的標(biāo)志位。主程序根據(jù)標(biāo)志位來判斷是否已完成一個(gè)周期的操作，如果標(biāo)志位已置1，則清標(biāo)志位，調(diào)計(jì)算占空比子程序，然后進(jìn)入等待狀態(tài);如果標(biāo)志位未置1，則直接進(jìn)入等待狀態(tài)。

在這一基于DSP技術(shù)的三相逆變電源設(shè)計(jì)過程中，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，我們特別采用了查表法來進(jìn)行占空比的計(jì)算，即事先離線計(jì)算出每個(gè)開關(guān)角對應(yīng)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?jǐn)?shù)可由一變量DIVIDE來控制，列成表格(400個(gè)點(diǎn))，然后將其存放在數(shù)據(jù)區(qū)，等候隨時(shí)調(diào)用進(jìn)行比較寄存器值的計(jì)算。實(shí)驗(yàn)中如要調(diào)整載波頻率，即保持T1PR得值不變，只需相應(yīng)地改變T1的定標(biāo)系數(shù)就可以改變載波頻率，因此保證了算法的適應(yīng)性。