TMS320F2812在數字化三相變頻電源中的應用 - 全文

　　變頻電源作為電源系統的重要組成部分，其性能的優劣直接關系到整個系統的安全和可靠性指標。現代變頻電源以低功耗、高效率、電路簡潔等顯著優點而備受青睞。三相變頻電源以MPWM方式制作，用主動元件IGBT模塊設計使本機容量可達200KVA,以隔離變壓器輸入及輸出，來增加整機穩定性，特別適應感性，容性及特殊負載，負載測試和壽命試驗可靠性高。

　　l 工作原理

　　系統總體電路結構由主回路、控制電路、采樣電路、反饋電路和各類保護電路等部分組成，系統原理圖如圖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，三相交流電經過三相濾波電路后得到標準的三相正弦波電源，主回路原理圖如圖2所示。

　　1.2 控制回路工作原理

　　控制電路的調制波采用SPWM波，對正弦波輸出變頻電源進行SPWM調制，數字化控制，是以TMS320F2812數字信號處理器為主控芯片，實現電源的最佳控制。控制回路原理圖如圖3所示。

　　1.3 控制策略

　　電源利用TMS320F2812中的事件管理器，采用SPWM調制的方式，逆變器輸出信號經三相無源濾波后得到標準的正弦波。控制結構圖如圖4所示。

　　1.4 軟啟動功能及故障處理

　　電源系統設置了軟啟動功能、開路保護、短路保護、MOSFET過流保護、缺相保護和負載不對稱保護。

　　電源控制系統有三種工作模式：正常工作模式，啟動模式及保護模式。

　　當電源開始工作或者在故障后啟動的時候，為了防止負載側電壓上升過快而導致電路故障，我們采用軟啟動的方法，這時，控制系統處于啟動模式下。軟啟動包括兩個部分。首先，在輸入側通過對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因母線電壓直接加上去而導致故障的發生。另外，在逆變電路的控制過程中，我們需要采用閉環控制方法，通過采樣記錄分析的數據調整驅動信號頻率，當負載側電壓上升到一定值的時候，我們再將電路轉入正常工作的模式之下，所以在軟啟動條件下，負載側不會因瞬間出現的高電壓而發生故障。

　　在電源運行的過程中，由于短路故障，工作電流將急劇升高，若不采取措施，將會使電路中許多元器件被過電流破壞。過電流發生時，電路中的過流保護裝置會動作，這時，控制電路的驅動信號將被閉鎖，驅動信號停發，電路由正常工作模式轉入保護控制模式。保護模式下，控制系統會在閉鎖驅動信號后，經過一定的時間，自動地進行重啟動，如果再發生過電流，電源將停止工作。

　　2 軟件設計

　　2.1 軟件總體設計

　　軟件部分主要包括SPWM的產生，A/D轉換，PID調節，頻率捕獲，軟啟動和保護。主要功能是通過正弦脈寬調制技術控制三相橋式逆變器，使其輸出頻率可調、幅值穩定的三相正弦電壓，通過A/D轉換對輸出的電壓和電流進行采樣，對輸出電壓、電流實時監控，當電流超過3.6A時切斷三相逆變橋的輸出，對電路進行保護。通過PID調節使輸出電壓變化時也能及時的做出反應，使輸出電壓穩定在36V。在系統的啟動過程中使用軟啟動減少電壓和電流對系統回路的沖擊。

　　主程序流程圖如圖5所示。

　　2.2 SPWM生成原理

　　SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。SPWM法就是以該結論為理論基礎，用脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內的面積相等，通過改變調制波的頻率和幅值則可調節逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。所謂SPWM,就是在PWM的基礎上改變了調制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規率排列，這樣輸出波形經過適當的濾波可以做到正弦波輸出。它廣泛地用于直流交流逆變器等，比如高級一些的UPS就是一個例子。三相SPWM是使用SPWM模擬市電的三相輸出，在變頻器領域被廣泛的采用。

　　SPWM流程圖如圖6所示。在程序的初始化部分建立一個正弦表，在系統運行的時候可以通過查表的方式得到想要的數據。假設在一個正弦波周期內采樣的次數為NX，則在第i個點的采樣值為

　　在實際使用中由于正弦表中的值要能被比較寄存器使用，所以不能出現負值，從上式可以看出當此

　　時就不能正常使用了，因此可以把上面的公式改寫為下面的形式：

　　其中PR為周期寄存器中的計數周期值。

　　對yi取整，從i=1到i=NX，得到NX個正弦采樣值的表格，設置通用定時器的計數方式為連續增減計數方式，在中斷程序中調用表中的值即可產生相應的按正弦規律變化的方波信號。

　　這里NX取180，載波比為3的整數倍(載波比=調制波頻率/載波頻率)，這樣可以使三相輸出波形嚴格對稱，減少諧波對輸出電壓波形的影響。

　　2.3 顯示電路

　　為了提高產品的人機交互性，系統中加了顯示電路，經過比較，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對任何一個映射在XIN TF區的外部器件進行讀/寫訪問都可劃分為三個階段：建立階段、激活階段和跟蹤階段。這次設計中LCD映射到了XINTF0，默認情況下三個階段的周期分別為6個XTIMCLK周期，14個XTIMCLK周期和6個XTIMCLK周期，如果將XTIMCLK的頻率設置為SYSCLKOUT的l/2，則讀/寫周期的最大值為1 80ns。三個階段的讀寫時序圖如圖8所示：

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

　　3 創新點設計

　　本系統設計采用交一直一交變頻方式，系統整體結構運用模塊化設計，將變頻電源的各部分很好的結合在一起，實現變頻輸出;高精度顯示電壓、電流、頻率、有功功率，所測信號數值為真有效值，電壓輸出精度高，誤差小于5%，輸出三相正弦波失真度小，并且具有過壓、過流、缺相保護等功能，性能穩定，本系統設計的創新點在于：

　　1)結合TMS320LF2812芯片的AD單元，對三相變頻電源的輸出線電壓、線電流進行采樣，外擴隨即存儲器，通過SPLC50l液晶顯示器顯示電壓、電流以及頻率的值，可以實現自主采樣和數據傳輸，大大提高數據采集效率，實時的顯示變頻電源的電壓、電流的有效值，顯示精度高，實時性好。

　　2)結合TMS320F2812事件管理器EV單元，采用正弦脈寬調制(SPWM)技術，通過對SPWM程序進行設計和改進算法，可以有效的調節三相變頻電源輸出的頻率和有效值，實時陛好，精度高。

　　3)變頻電源系統控制部分完全實現了數字化，控制精度更高，抗干擾能力強。

　　4 測試結果