基于DSP實(shí)現(xiàn)的一種新穎開(kāi)關(guān)逆變電源

摘要：介紹了一種周波逆變器的結(jié)構(gòu)及原理，并以TI的TMS320LF2407型數(shù)字信號(hào)處理器作為控制核心，取代傳統(tǒng)的模擬控制方式，且給出了硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明此系統(tǒng)的控制獲得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：周波變換器；數(shù)字信號(hào)處理器；高頻鏈；數(shù)字電源

A Novel Switching-inverter Power Supply Based on DSP 

YUAN Kai-fa, JIANG Huai-gang, HE Zhi-wei 

Abstract:The configuration and theory for a novel cycle converter are presented,which is based on DSP TMS320LF2407 made in TI corporation as controller. At the same time,the design scheme of this system is given. The experiment shows the system achieves good dynamic and static performance. 

Keywords:Cycle converter; DSP; High-frequency link; DPS  　

1  引言

    隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高。包括市電在內(nèi)的所有原始電能可能滿(mǎn)足不了用戶(hù)的要求，必須經(jīng)過(guò)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(lái)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(wèn)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(zhuān)門(mén)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)。

2  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(lèi)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(chēng)和非對(duì)稱(chēng)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(wú)刷直流電機(jī)、開(kāi)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(lái)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)。

3  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(wú)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(kāi)關(guān)應(yīng)力，降低了損耗，提高了工作效率。Lr和Cr的選擇可參考文獻(xiàn)[4]?？刂撇糠郑捎每焖?、高效的DSP作為核心控制器，通過(guò)光耦隔離，并有IGBT自保護(hù)的專(zhuān)門(mén)驅(qū)動(dòng)芯片EXB841來(lái)驅(qū)動(dòng)主電路中的功率開(kāi)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。

圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4  工作原理

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

    整個(gè)工作過(guò)程可分為4個(gè)階段，下面分別說(shuō)明。

    第一階段  Q1、Q4導(dǎo)通

    當(dāng)Q1、Q4（有相位差）導(dǎo)通，并讓Q5提前導(dǎo)通，直流側(cè)的能量便可傳輸?shù)捷敵龆?。此時(shí)諧振電感儲(chǔ)能，Q5軟開(kāi)通，減少了開(kāi)關(guān)損耗。如圖2中ug5所示。

圖2  開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形 [!--empirenews.page--]

    第二階段  諧振

    由于電路隔直電容和諧振電感（包括變壓器中漏感）諧振，電感在第一階段所保存的能量得以釋放。當(dāng)諧振電流到零時(shí)，關(guān)斷Q1。此階段Q2、Q4導(dǎo)通，Q5延遲一段時(shí)間再關(guān)斷。如圖2中ug5所示。

    第三階段  Q2，Q3導(dǎo)通

    在此階段，使Q6在Q2，Q3導(dǎo)通前提前導(dǎo)通。當(dāng)Q2，Q3（Q1，Q2之間有死區(qū)）導(dǎo)通時(shí)，直流側(cè)的能量便可傳遞到輸出端，此時(shí)Q6為軟開(kāi)通。如圖2中ug6所示。

    第四階段  諧振

    工作原理同第二階段類(lèi)似，此時(shí)電流方向與第二階段相反，當(dāng)電感上的能量釋放完畢，關(guān)斷Q6。此時(shí)一個(gè)周期便結(jié)束，開(kāi)始下一個(gè)周期。

    從圖1可以看出，無(wú)論變壓器副邊電壓極性如何，若Q5導(dǎo)通、Q6關(guān)斷，則輸出端OUT1為正，OUT2為負(fù)；若Q6導(dǎo)通，而Q5關(guān)斷，則OUT2為正，而OUT1為負(fù)。所以，控制Q5，Q6的導(dǎo)通順序，即可控制輸出端的極性，并可獲得多種波形，例如交流、脈沖等波形均可實(shí)現(xiàn)。如要輸出正弦波的正半周時(shí)，PULS1控制Q1，Q4，PULS2控制Q2，Q3，并同時(shí)讓Q5，Q6相應(yīng)地提前導(dǎo)通，便可輸出正弦波的正半周，如圖3所示。

（a）  驅(qū)動(dòng)波形

(b)  輸出波形

圖3  輸出正弦波的正半周

    要輸出正弦波的負(fù)半周，只需讓Q5，Q6的導(dǎo)通順序交換便可，如圖4所示。

（a）

(b)

圖4  輸出正弦波的負(fù)半周

5  軟件實(shí)現(xiàn)

    TMS320LF2407的處理速度為30MIPS，幾乎所有的指令都可在50ns的單周期內(nèi)完成，配合其強(qiáng)大的指令運(yùn)算功能，很容易實(shí)現(xiàn)各種控制算法及高速的實(shí)時(shí)采樣，可提高系統(tǒng)的工作效率。為了改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，并減小系統(tǒng)的靜差，采用了閉環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)功率變換環(huán)節(jié)的控制。

5.1  PWM波的輸出

    本文采用三角波作為載波的規(guī)則采樣法，來(lái)獲得等高不等寬的矩形波，即脈沖。每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都與相應(yīng)的三角波的中點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，在三角波的負(fù)峰值時(shí)刻tD對(duì)正弦調(diào)制波采樣而得D點(diǎn)，過(guò)D點(diǎn)作一水平直線(xiàn)和三角波分別交于A點(diǎn)和B點(diǎn)，如圖5所示。則有

           δ=Tc(1＋sinωrtD)/2

圖5  采樣三角波載波的規(guī)則采樣法

根據(jù)這一關(guān)系式，如果一個(gè)周期內(nèi)有N個(gè)矩形波，則第i個(gè)矩形波的占空比為

             Dr=0.5＋0.5sin(i＊2π/N)

    用周期和占空比分別去設(shè)定TMS320LF2407中PWM電路相應(yīng)的寄存器，便可在PWMx(x=1,2,3,4,7,8)上獲得所需的PWM脈沖波形，由這些PWM脈沖去控制相應(yīng)的6個(gè)開(kāi)關(guān)管，便可輸出正弦波形。要注意的是，輸出正弦波質(zhì)量的高低與用作控制的正弦波的離散數(shù)量有關(guān)，如果離散數(shù)量越多，則輸出的正弦波就越平滑，但卻增加了DSP的運(yùn)算量。反之輸出會(huì)越差。因此，對(duì)具體的應(yīng)用場(chǎng)合，要選擇合適的離散值。定時(shí)器T1，T3被設(shè)定為下溢和周期匹配中斷方式，用作PWM輸出時(shí)基，工作在連續(xù)增/減記數(shù)模式。 [!--empirenews.page--]

5.2  實(shí)時(shí)采樣

    采用TMS320LF2407中集成的16路ADC轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)電壓、電流采樣（每一通道的最小轉(zhuǎn)換時(shí)間

為500ns）。通過(guò)采樣模塊MAX122，將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)F2407的ADC所需的0～3.3V電平。在一個(gè)工頻周期中，將采樣200次（開(kāi)關(guān)頻率為20kHz）。一旦有沖擊性負(fù)載存在，將導(dǎo)致輸出電流，或電壓過(guò)高，使DSP能及時(shí)捕獲此突變。DSP將調(diào)用相應(yīng)的子程序來(lái)處理過(guò)壓或過(guò)流情況，以保護(hù)整個(gè)電路的正常運(yùn)行。定時(shí)器T2被設(shè)定為下溢和周期中斷方式，用作ADC采樣的控制時(shí)基，工作在連續(xù)增/減記數(shù)模式。

6  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    根據(jù)以上原理，初步設(shè)計(jì)了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并獲得了比較好的效果。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所列。

表1  主要技術(shù)參數(shù)

    圖6為全橋電路中隔直電容上的電壓，圖7為變壓器一次側(cè)中性點(diǎn)電壓及變壓器一次側(cè)電流波形。

時(shí)間：5μs/div，電壓：2V/div，

圖6  隔直電容電壓

時(shí)間：5μs/div，電壓：150V/div，電流：5A/div

圖7  一次側(cè)中性點(diǎn)電壓及一次側(cè)電流

    可以看出，全橋電路中的開(kāi)關(guān)管在隔直電容和飽和電感諧振作用下，實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)通和軟關(guān)斷。圖8為輸出電壓波形。

圖8  輸出電壓波形

7  結(jié)語(yǔ)

    本文介紹了基于DSP數(shù)字化控制的相控周波變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了其工作原理，并提出了控制信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的正確性，并取得了較好的效果?？梢钥隙?，采用數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的高頻鏈周波變換器比傳統(tǒng)的基于模擬或模擬與數(shù)字相結(jié)合的逆變器具有更強(qiáng)的優(yōu)越性。數(shù)字化使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可編程性，無(wú)論在調(diào)試，還是在產(chǎn)品更新或升級(jí)等方面都具有傳統(tǒng)逆變器所不可以比擬的優(yōu)勢(shì)。