基于TMS320F2812 的逆變電源控制器的設(shè)計(jì)與研究

近年來，現(xiàn)代逆變電源越來越趨向于高頻化，高性能，模塊化，數(shù)字化和智能化。 文中研制的逆變電源控制系統(tǒng)以TMS320F2812 作為控制核心，它是一種支持實(shí)時(shí)仿真的32 位微控制器，內(nèi)部具有UART、SCI 總線、SPI 總線、PWM、定時(shí)器、ADC、CAN 總線控制器等眾多外圍部件，功能強(qiáng)大。主要實(shí)現(xiàn)PWM 產(chǎn)生、AD 轉(zhuǎn)換、DA 轉(zhuǎn)換、SCI、開關(guān)量檢測(cè)、繼電器驅(qū)動(dòng)以及其他信號(hào)控制。

1 基于TMS320F2812 逆變電源的總體設(shè)計(jì)

1.1 DSP 控制器TMS320F2812 性能

TMS320F2812 芯片是TMS320C28x 系列中的一種，它采用先進(jìn)的改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，其程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器具有各自的總線結(jié)構(gòu)，從而它的處理能力達(dá)到最大;它的指令執(zhí)行速度為150 MIPS,這種高性能使復(fù)雜控制算法的實(shí)時(shí)執(zhí)行成為可能。同時(shí)，其CPU 支持基于C/C++編程，很大程度上減輕了開發(fā)者的負(fù)擔(dān)。TMS320F2812 芯片的主要性能如下：

1)高性能靜態(tài)CMOS(Static CMOS)技術(shù) 時(shí)鐘頻率為150 MHz,時(shí)鐘周期為6.67 ns. 低功耗(核心電壓1.8 V,I/O 口電壓和flash 編程電壓均為3.3 V)

2)高性能32 位中央處理器 32 位算術(shù)邏輯單元(ALU)，可得64 位計(jì)算結(jié)果，哈佛總線結(jié)構(gòu)，八級(jí)流水線，獨(dú)立存儲(chǔ)器空間，可達(dá)4 M 字的程序地址和數(shù)據(jù)地址

3)片內(nèi)存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器接口 片內(nèi)存儲(chǔ)器包含：128 k Flash 存儲(chǔ)器，1 k OTP 型只讀存儲(chǔ)器，18 k SARAM外部存儲(chǔ)器接口包括：多達(dá)1M 的存儲(chǔ)器，可編程等待狀態(tài)數(shù)，可編程讀寫選通(Strobe Timing)，3 個(gè)獨(dú)立的片選端

4)最多有56 個(gè)獨(dú)立的可編程、多用途輸入輸出(GPIO)引腳 5)豐富的串口外圍設(shè)備 串行外圍接口SPI, 采用標(biāo)準(zhǔn)的UART 的串行通信接口SCIS, 改進(jìn)的局域網(wǎng)絡(luò)eCAN 以及多通道緩沖串行接口McBSP

1.2 電源總體結(jié)構(gòu)

本文研究的是基于TMS320F2812 的電源系統(tǒng)， 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由主電路和控制電路組成， 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.3 主回路結(jié)構(gòu) 主回路由兩大部分組成： 整流濾波電路和三相全橋逆變電路。整流濾波電路將三相交流電變成直流電，三相全橋逆變電路將直流電變成三相交流電。主回路結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖中U、V、W 為三相交流電源輸入， 采用了三相可控整流電路，通過改變直流母線電壓的方式來改變輸出脈沖的電壓。整流部分采用了2 組晶閘管整流模塊，分別為逆變器輸出的正脈沖和負(fù)脈沖供電。通過控制晶閘管的觸發(fā)角就能控制直流母線電壓。逆變電路是該系統(tǒng)的核心部分，輸出脈沖的頻率、占空比、脈沖個(gè)數(shù)、死區(qū)時(shí)間、加工模式以及加工時(shí)間段都是通過逆變電路進(jìn)行控制。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器的組成

控制器以TMS320F2812 數(shù)字信號(hào)處理器為主控芯片，主要實(shí)現(xiàn)PWM 產(chǎn)生、AD 轉(zhuǎn)換、DA 轉(zhuǎn)換、SCI、開關(guān)量檢測(cè)、繼電器驅(qū)動(dòng)以及其他信號(hào)控制。 A/D 轉(zhuǎn)換部分：信號(hào)前端處理，分別采集正負(fù)脈沖電壓值和電流值D/A 轉(zhuǎn)換部分：將設(shè)置值轉(zhuǎn)換為晶閘管的觸發(fā)角，并把該值送到相應(yīng)的晶閘管模塊輸入輸出部分： 產(chǎn)生一些輸入和輸出信號(hào)， 主要是PWM、開關(guān)量以及繼電器驅(qū)動(dòng)控制器總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

2.2 IGBT 的選型

逆變電路承擔(dān)功率輸出的任務(wù)。每一個(gè)橋臂上采用多個(gè)較小開關(guān)容量的IGBT 進(jìn)行并聯(lián)，用多組IGBT 實(shí)現(xiàn)脈沖功率信號(hào)的輸出。 2.2.1 IGBT 額定電壓UCEP的確定 IGBT 位于逆變橋上，其輸入端與電力電容并聯(lián)，起到了緩沖波動(dòng)和干擾的作用，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)?shù)慕档桶踩?。最大集射間電壓為：

式中的1.1 為電壓的波動(dòng)系數(shù)。 關(guān)斷時(shí)峰值電壓按式(2)計(jì)算。

式中，1.1 為過電壓保護(hù)系數(shù);α 為安全系數(shù)，一般取1.1;100 為di /dt引起的尖峰電壓。 選取時(shí)必須使額定電壓UCEP≥UCESP,考慮到IGBT 的實(shí)際電壓等級(jí)，這里取UCEP=1 700 V. 2.2.2 IGBT 額定電流IC的確定 流過IGBT 的最大峰值電流為：

式中，Id(max)為最大平均電流;α 為輸出脈沖的占空比，α=0.1 時(shí)為最小占空比，ICM為最大峰值電流。最大峰值電流持續(xù)的時(shí)間為10 ms.考慮到電源輸出的平均電流較小，而峰值電流持續(xù)的時(shí)間短的特點(diǎn)， 本設(shè)計(jì)選用德國(guó)英飛凌公司的IGBT 模塊，型號(hào)：FF1200R17KE3 (其耐壓值為1 700 V,額定電流1 200 A)。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件的總體結(jié)構(gòu)

軟件部分主要包括SPWM 的產(chǎn)生、A/D 轉(zhuǎn)換、PID 調(diào)節(jié)、軟啟動(dòng)和保護(hù)?；赥MS320F2812 的控制電路是電源系統(tǒng)的核心，電源輸出的正負(fù)脈沖個(gè)數(shù)、占空比、頻率、加工時(shí)間、工作方式、加工時(shí)間段等參數(shù)都是由該控制電路的軟件實(shí)現(xiàn)。通過正弦脈寬調(diào)制技術(shù)控制三相橋式逆變器，使其輸出頻率可調(diào)、幅值穩(wěn)定的三相正弦電壓。下面主要介紹主程序模塊和SPWM 產(chǎn)生模塊。 在主程序中，需檢測(cè)系統(tǒng)是否出現(xiàn)過壓、欠壓、過流故障，如果出現(xiàn)則把相應(yīng)的標(biāo)志寄存器置位，當(dāng)查詢到故障標(biāo)志置位后，切除故障源。主程序流程圖如圖4 所示。

3.2 PWM 生成原理

為了產(chǎn)生PWM 信號(hào)，使用一個(gè)定時(shí)器來重復(fù)PWM 的周期，用一個(gè)比較寄存器來存放調(diào)制值。定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值不斷地與比較寄存器進(jìn)行比較，當(dāng)兩值匹配時(shí)，相關(guān)輸出產(chǎn)生從低到高(或從高到低)的變化。當(dāng)?shù)诙纹ヅ洚a(chǎn)生或周期結(jié)束時(shí)，相關(guān)引腳會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)變化(從高到低或從低到高)。 輸出信號(hào)的變化時(shí)間由比較寄存器的值決定。這個(gè)過程在每個(gè)定時(shí)器周期按照比較寄存器不同的值重復(fù)，這樣便產(chǎn)生了PWM 信號(hào)。

3.3 仿真設(shè)計(jì)

在DSP 開發(fā)環(huán)境中測(cè)試三相全控整流電路輸出電壓波形，負(fù)載兩端電壓波形。輸出5 個(gè)正脈沖、占空比50%,5 個(gè)負(fù)脈沖、占空比90%時(shí)的DSP 輸出的波形和逆變器帶負(fù)載時(shí)的波形如圖5、6 所示。

從圖中可以看出電源利用TMS320F2812 中的事件管理器，采用SPWM 調(diào)制的方式，逆變器輸出信號(hào)接近于標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。加上負(fù)載后電壓波形出現(xiàn)了畸變，這是由于整流后濾波電容充放電的結(jié)果。

4 結(jié)束語

本文概述了逆變電源的數(shù)字控制策略，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并詳細(xì)介紹了基于TMS320F2812 的主回路和控制回路的硬件和軟件設(shè)計(jì)。結(jié)合TMS320F2812 事件管理器EV 單元，采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)，通過對(duì)SPWM 程序進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)算法，可以有效的調(diào)節(jié)逆變電源輸出的頻率和有效值。通過對(duì)系統(tǒng)的逐漸完善，可進(jìn)一步提高電源的可靠性和穩(wěn)定性。