基于TMS320F2812的數(shù)字化三相變頻電源的研制

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，正弦波輸出變頻電源已被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中，與此同時(shí)對(duì)變頻電源的輸出電壓波形質(zhì)量也提出了越來(lái)越高的要求。在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)部門(mén)，三相正弦波變頻電源常用于各種測(cè)量和控制電路中，產(chǎn)生單相或三相正弦波信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)，基準(zhǔn)正弦波的波形質(zhì)量直接影響到測(cè)量和控制的精度。對(duì)于一個(gè)良好的正弦信號(hào)源，要求其輸出的基準(zhǔn)正弦波信號(hào)幅值、頻率高度穩(wěn)定、失真度小、帶負(fù)載能力強(qiáng)、幅值可調(diào)，對(duì)于三相正弦波信號(hào)還要求三相對(duì)稱度好。兼顧這些要求往往使電路變得復(fù)雜。因此，研究開(kāi)發(fā)既簡(jiǎn)單又具有優(yōu)良動(dòng)、靜態(tài)性能的逆變器控制策略，已成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

l 工作原理
    系統(tǒng)總體電路結(jié)構(gòu)由主回路、控制電路、采樣電路、反饋電路和各類保護(hù)電路等部分組成，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

1．1 主回路及工作原理
    主回路中有三大部分組成：整流濾波電路、三相全橋逆變電路和三相無(wú)源濾波電路。整流濾波電路將單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，三相交流電經(jīng)過(guò)三相濾波電路后得到標(biāo)準(zhǔn)的三相正弦波電源，主回路原理圖如圖2所示。

1．2 控制回路工作原理
    控制電路的調(diào)制波采用SPWM波，對(duì)正弦波輸出變頻電源進(jìn)行SPWM調(diào)制，數(shù)字化控制，是以TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器為主控芯片，實(shí)現(xiàn)電源的最佳控制?？刂苹芈吩韴D如圖3所示。
1．3 控制策略
    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)經(jīng)三相無(wú)源濾波后得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波?？刂平Y(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

1．4 軟啟動(dòng)功能及故障處理
    電源系統(tǒng)設(shè)置了軟啟動(dòng)功能、開(kāi)路保護(hù)、短路保護(hù)、MOSFET過(guò)流保護(hù)、缺相保護(hù)和負(fù)載不對(duì)稱保護(hù)。
    電源控制系統(tǒng)有三種工作模式：正常工作模式，啟動(dòng)模式及保護(hù)模式。
    當(dāng)電源開(kāi)始工作或者在故障后啟動(dòng)的時(shí)候，為了防止負(fù)載側(cè)電壓上升過(guò)快而導(dǎo)致電路故障，我們采用軟啟動(dòng)的方法，這時(shí)，控制系統(tǒng)處于啟動(dòng)模式下。軟啟動(dòng)包括兩個(gè)部分。首先，在輸入側(cè)通過(guò)對(duì)輸入的三相電壓慢慢升壓的方式，我們可以保證逆變電路不會(huì)因母線電壓直接加上去而導(dǎo)致故障的發(fā)生。另外，在逆變電路的控制過(guò)程中，我們需要采用閉環(huán)控制方法，通過(guò)采樣記錄分析的數(shù)據(jù)調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率，當(dāng)負(fù)載側(cè)電壓上升到一定值的時(shí)候，我們?cè)賹㈦娐忿D(zhuǎn)入正常工作的模式之下，所以在軟啟動(dòng)條件下，負(fù)載側(cè)不會(huì)因瞬間出現(xiàn)的高電壓而發(fā)生故障。
    在電源運(yùn)行的過(guò)程中，由于短路故障，工作電流將急劇升高，若不采取措施，將會(huì)使電路中許多元器件被過(guò)電流破壞。過(guò)電流發(fā)生時(shí)，電路中的過(guò)流保護(hù)裝置會(huì)動(dòng)作，這時(shí)，控制電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)將被閉鎖，驅(qū)動(dòng)信號(hào)停發(fā)，電路由正常工作模式轉(zhuǎn)入保護(hù)控制模式。保護(hù)模式下，控制系統(tǒng)會(huì)在閉鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，自動(dòng)地進(jìn)行重啟動(dòng)，如果再發(fā)生過(guò)電流，電源將停止工作。

2 軟件設(shè)計(jì)
2．1 軟件總體設(shè)計(jì)
    軟件部分主要包括SPWM的產(chǎn)生，A／D轉(zhuǎn)換，PID調(diào)節(jié)，頻率捕獲，軟啟動(dòng)和保護(hù)。主要功能是通過(guò)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，通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換對(duì)輸出的電壓和電流進(jìn)行采樣，對(duì)輸出電壓、電流實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)電流超過(guò)3．6A時(shí)切斷三相逆變橋的輸出，對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)。通過(guò)PID調(diào)節(jié)使輸出電壓變化時(shí)也能及時(shí)的做出反應(yīng)，使輸出電壓穩(wěn)定在36V。在系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程中使用軟啟動(dòng)減少電壓和電流對(duì)系統(tǒng)回路的沖擊。
    主程序流程圖如圖5所示。

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2．2 SPWM生成原理
    SPWM流程圖如圖6所示。在程序的初始化部分建立一個(gè)正弦表，在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候可以通過(guò)查表的方式得到想要的數(shù)據(jù)。假設(shè)在一個(gè)正弦波周期內(nèi)采樣的次數(shù)為NX，則在第i個(gè)點(diǎn)的采樣值為

   

    在實(shí)際使用中由于正弦表中的值要能被比較寄存器使用，所以不能出現(xiàn)負(fù)值，從上式可以看出當(dāng)此時(shí)就不能正常使用了，因此可以把上面的公式改寫(xiě)為下面的形式：

    其中PR為周期寄存器中的計(jì)數(shù)周期值。
    對(duì)yi取整，從i=1到i=NX，得到NX個(gè)正弦采樣值的表格，設(shè)置通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)方式為連續(xù)增減計(jì)數(shù)方式，在中斷程序中調(diào)用表中的值即可產(chǎn)生相應(yīng)的按正弦規(guī)律變化的方波信號(hào)。
    這里NX取180，載波比為3的整數(shù)倍(載波比=調(diào)制波頻率／載波頻率)，這樣可以使三相輸出波形嚴(yán)格對(duì)稱，減少諧波對(duì)輸出電壓波形的影響。
2．3 顯示電路
    為了提高產(chǎn)品的人機(jī)交互性，系統(tǒng)中加了顯示電路，經(jīng)過(guò)比較，我們采用SPLC50lA液晶顯示屏完成顯示工作，顯示電路與DSP2812連接框圖如圖7所示：

    TMS320F2812對(duì)任何一個(gè)映射在XINTF區(qū)的外部器件進(jìn)行讀／寫(xiě)訪問(wèn)都可劃分為三個(gè)階段：建立階段、激活階段和跟蹤階段。這次設(shè)計(jì)中LCD映射到了XINTF0，默認(rèn)情況下三個(gè)階段的周期分別為6個(gè)XTIMCLK周期，14個(gè)XTIMCLK周期和6個(gè)XTIMCLK周期，如果將XTIMCLK的頻率設(shè)置為SYSCLKOUT的l／2，則讀／寫(xiě)周期的最大值為1 80ns。三個(gè)階段的讀寫(xiě)時(shí)序圖如圖8所示：

    凌陽(yáng)SPLC501液晶模塊的使能信號(hào)CS的周期最小為166ns，時(shí)序圖如圖9所示。由前面分析可得，DSP的讀寫(xiě)周期最大值為180ns，液晶模塊的讀寫(xiě)周期最小為166ns，DSP的讀／寫(xiě)時(shí)序能滿足該液晶模塊的要求。

3 創(chuàng)新點(diǎn)設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用交一直一交變頻方式，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)，將變頻電源的各部分很好的結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)變頻輸出；高精度顯示電壓、電流、頻率、有功功率，所測(cè)信號(hào)數(shù)值為真有效值，電壓輸出精度高，誤差小于5％，輸出三相正弦波失真度小，并且具有過(guò)壓、過(guò)流、缺相保護(hù)等功能，性能穩(wěn)定，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于：

    1)結(jié)合TMS320LF2812芯片的AD單元，對(duì)三相變頻電源的輸出線電壓、線電流進(jìn)行采樣，外擴(kuò)隨即存儲(chǔ)器，通過(guò)SPLC50l液晶顯示器顯示電壓、電流以及頻率的值，可以實(shí)現(xiàn)自主采樣和數(shù)據(jù)傳輸，大大提高數(shù)據(jù)采集效率，實(shí)時(shí)的顯示變頻電源的電壓、電流的有效值，顯示精度高，實(shí)時(shí)性好。
    2)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(guò)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)三相變頻電源輸出的頻率和有效值，實(shí)時(shí)陛好，精度高。
    3)變頻電源系統(tǒng)控制部分完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，控制精度更高，抗干擾能力強(qiáng)。

4 測(cè)試結(jié)果
    根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們?cè)囍屏藰悠罚墒静ㄆ饔^察到的相電壓和線電壓波形(見(jiàn)圖10～圖13)可以看出，波形基本上沒(méi)有失真，并且通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)制度和正弦波的頻率可以改變輸出電壓的大小，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論
    研制的數(shù)字化三相變頻電源，經(jīng)過(guò)兩次試制，其間經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，并且對(duì)控制原理、電路結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行改進(jìn)，現(xiàn)已逐步完善并經(jīng)過(guò)考驗(yàn)，證明了本電源的有效性及可靠性。