基于DSP實現(xiàn)的一種新穎開關逆變電源

摘要：介紹了一種周波逆變器的結構及原理，并以TI的TMS320LF2407型數(shù)字信號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計方案。實驗結果證明此系統(tǒng)的控制獲得了良好的效果。

關鍵詞：周波變換器；數(shù)字信號處理器；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)和科學技術的發(fā)展，用戶對電能質(zhì)量的要求越來越高。包括市電在內(nèi)的所有原始電能可能滿足不了用戶的要求，必須經(jīng)過處理后才能使用，逆變技術在這種處理中起到了重要的作用。傳統(tǒng)的逆變技術多為模擬控制或模擬與數(shù)字相結合的控制系統(tǒng)，其缺點為

1）控制電路的元器件比較多，體積龐大，結構復雜；

2）靈活性不夠，硬件電路一旦設計完成，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漂移，會導致系統(tǒng)參數(shù)的漂移，從而給調(diào)試帶來不便。

因此，傳統(tǒng)的逆變器在許多場合已不適應新的要求。

隨著高速、廉價的數(shù)字信號處理器（DSP——Digital Signal Processor）的問世，于是便出現(xiàn)了數(shù)字電源（DPS——Digital Power Supply）。其優(yōu)點有

1）數(shù)字化更容易實現(xiàn)數(shù)字芯片的處理和控制，避免模擬信號傳遞的畸變、失真，減少雜散信號的干擾；

2）便于系統(tǒng)調(diào)試；

3）如果將網(wǎng)絡通迅和電源軟件調(diào)試技術相結合，可實現(xiàn)遠程遙感、遙測、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。

本文采用TI公司專門為電機及電力電子領域設計的TMS320LF2407型DSP作為控制器，介紹數(shù)字化周波逆變器的硬件設計和軟件設計。

2 TMS320LF2407的結構特點

TMS320LF2407具有高速信號處理和數(shù)字化控制功能所必需的結構特點。將其優(yōu)化的外設單元和高性能的DSP內(nèi)核相結合，可以為各種類型電機提供高速和全變速的先進控制技術。其主要特點為

1）其系統(tǒng)運行主頻達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，提高了控制器的實時能力。

2）2個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括2個16位通用定時器；8個16位的脈寬調(diào)制（PWM）通道。它們能夠實現(xiàn)三相反相器控制；PWM的對稱和非對稱波形；當外部引腳PDPINTx出現(xiàn)低電平時快速關閉PWM通道；可編程的PWM死區(qū)控制以防止上下橋臂同時輸入觸發(fā)脈沖；16通道A/D轉換器等功能。事件管理模塊適用于控制交流感應電機、無刷直流電機、開關磁阻電機、步進電機、多級電機和逆變器。

3）10位A/D轉換器最小轉換時間為500ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發(fā)兩個8通道輸入A/D轉換器或一個16通道輸入的A/D轉換器。

4）高達40個可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳(GPIO)。

3 系統(tǒng)結構

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，與移相技術相結合，可以極大地提高高頻變壓器的工作效率。同時，采用高頻環(huán)進行逆變，因而無須采用工頻變壓器，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實現(xiàn)對環(huán)流的阻斷，可以在很寬的負載范圍內(nèi)實現(xiàn)超前橋臂的ZVS和滯后橋臂的ZCS，減小了開關應力，降低了損耗，提高了工作效率。Lr和Cr的選擇可參考文獻[4]?？刂撇糠?，采用快速、高效的DSP作為核心控制器，通過光耦隔離，并有IGBT自保護的專門驅動芯片EXB841來驅動主電路中的功率開關管。與采樣電路，保護電路配合，可對輸出實行實時控制，具有較快的動態(tài)響應速度和良好的輸出特性。

圖1 系統(tǒng)結構圖

4 工作原理

Q1～Q4構成全橋，Q5、Q6組成周波變換器。開關管的驅動波形如圖2所示。

整個工作過程可分為4個階段，下面分別說明。

第一階段 Q1、Q4導通

當Q1、Q4（有相位差）導通，并讓Q5提前導通，直流側的能量便可傳輸?shù)捷敵龆恕４藭r諧振電感儲能，Q5軟開通，減少了開關損耗。如圖2中ug5所示。

圖2 開關管的驅動波形