SPWM控制全數(shù)字單相變頻器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文介紹了基于DSP TMS320LF2407A并使用SPWM控制技術(shù)的全數(shù)字單相變頻器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。

常見的AC/DC/AC變頻器，是對輸出部分進(jìn)行變頻、變壓調(diào)節(jié)，而且在多種逆變控制技術(shù)中，應(yīng)用最廣泛的一種逆變控制技術(shù)是正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，應(yīng)用DSP作為控制芯片以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，它既提高了系統(tǒng)可靠性，又使系統(tǒng)的控制精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、硬件簡單、軟件編程容易，是變頻調(diào)速系統(tǒng)中最有發(fā)展前景的研究方向之一。

TMS320LF2407A芯片簡介

TMS320LF2407A是TI公司專為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的單片DSP控制器。它具有高性能的C2XLP內(nèi)核，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，四級流水線操作，它不僅具備強(qiáng)大高速的運(yùn)算能力，而且內(nèi)部集成了豐富的電機(jī)控制外圍部件，如事件管理器EVA、EVB各包括3個(gè)獨(dú)立的雙向定時(shí)器;支持產(chǎn)生可編程的死區(qū)控制PWM輸出;4個(gè)捕獲口中的2個(gè)可直接連接來自光電編碼器的正交編碼脈沖;2個(gè)獨(dú)立的10位8路A/D轉(zhuǎn)換器可同時(shí)并行完成兩個(gè)模擬輸入的轉(zhuǎn)換;片內(nèi)的串行通信接口可用于與上位機(jī)通信;片內(nèi)串行外設(shè)口用于與外設(shè)之間通信;40個(gè)可獨(dú)立編程的復(fù)用I/O口可以選配成鍵盤輸入和示波器顯示的輸入/輸出口。這些為實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)變頻調(diào)速控制提供了極大的便利。

系統(tǒng)總體方案

在本系統(tǒng)中，以TMS320LF2407A為主要控制芯片，逆變器采用SPWM調(diào)制控制方式實(shí)現(xiàn)變頻控制算法，系統(tǒng)硬件由主電路、顯示電路、鍵盤輸入電路以及檢測與保護(hù)電路等組成。DSP首先從鍵盤采集需要的頻率信號，接著通過運(yùn)算產(chǎn)生相應(yīng)的SPWM信號，通過光耦傳給驅(qū)動電路再控制逆變橋中的功率管導(dǎo)通與關(guān)斷，同時(shí)采集主電路中的有關(guān)信號并判斷有無故障輸出。若有故障則關(guān)斷DSP的SPWM輸出，從而關(guān)斷主電路。

1、主電路組成

主電路由整流電路、濾波電路和逆變電路3部分組成。整流電路為三相不可控整流橋，由它將380V、50Hz交流電整流變換成脈動直流電。電路中采用濾波電容進(jìn)行濾波，濾去電壓紋波，同時(shí)濾波電容還在整流電路與逆變器之間起去耦作用，以消除相互干擾。整流后的直流電壓平均值為UO=1.35U2≈1.4U2=540V。U2為交流側(cè)電壓有效值?？紤]到輸入三相電有10%的波動，所以UO=500~560V。主電路圖中的功率器件G1、G2、G3、G4表示是IGBT器件，其型號是MG50Q2YS40，耐壓值為1200V，控制電壓為土20V，電流為50A。R1為限流電阻，防止沖擊電流對IGBT的損害。L1、L3為共模濾波器，HL1、HL2為電流霍爾元件，其作用為檢測主電路的電流值，作為保護(hù)電路的輸入信號;另外還用到電壓霍爾元件，檢測電壓值，作為保護(hù)電路的輸入信號和電壓反饋信號，組成電壓負(fù)反饋。采用SPWM技術(shù)控制的4個(gè)IGBT進(jìn)行逆變，輸出的交流電經(jīng)過變壓器變壓后，再用LC濾波器進(jìn)行濾波，輸出220V頻率可變的交流電。

2、驅(qū)動與保護(hù)電路

驅(qū)動電路原理。本系統(tǒng)逆變電路功率器件采用IGBT芯片，因此驅(qū)動電路選用4片三菱公司生產(chǎn)的驅(qū)動模塊M57962L。該驅(qū)動模塊為混合集成電路，將IGBT的驅(qū)動和過流保護(hù)集于一體。另外，M57962L采用的是低電壓驅(qū)動，即只有13腳輸入負(fù)電位時(shí)才能驅(qū)動M57962L。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于防止出現(xiàn)干擾，當(dāng)出現(xiàn)干擾波形時(shí)，采用低電平驅(qū)動的M57962L不能驅(qū)動。另外在關(guān)斷過程中，如果電壓變化過大，則會產(chǎn)生擎住現(xiàn)象，使IGBT失控，引起上下橋臂直通，因此，采用RC緩沖電路來抑制過電壓和電壓變化率du/dt。

系統(tǒng)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)逆變器部分采用SPWM規(guī)則采樣算法，其基本思想是使輸出的脈沖按正弦規(guī)律變化，這樣降低輸出電壓中的諧波分量，使輸出電壓更接近于正弦波。為了便于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，用規(guī)則采樣法生成SPWM脈沖序列。因?yàn)槿禽d波頻率比正弦波頻率高很多，所以將三角載波uc的一個(gè)周期內(nèi)的正弦調(diào)制波ut看作不變，這樣在一個(gè)三角波周期，只需在B點(diǎn)取樣一次，便可使生成的SPWM脈沖中點(diǎn)與對應(yīng)三角波的中點(diǎn)(A點(diǎn))重合，從而使SPWM脈沖的計(jì)算大為簡化。設(shè)uc的幅值為1，正弦調(diào)制信號ut=Msinωtt，其中O≤M，同一橋臂上下管PWMl與PWM2波形上下橋臂設(shè)置了2μs的死區(qū)時(shí)間，以保證逆變電路的安全工作。

結(jié)論

基于DSP的數(shù)字控制技術(shù)能大大改善產(chǎn)品的一致性，克服模擬控制帶來的產(chǎn)品性能分散性，同時(shí)增強(qiáng)了控制的柔性，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，有較好的應(yīng)用前景。本設(shè)計(jì)應(yīng)用TMS320LF2407A芯片采用SPWM控制技術(shù)，完成了將380V、50Hz的交流電源變換成輸出220V、頻率為100~400Hz可調(diào)的交流電源。通過對樣機(jī)的實(shí)際測量表明，輸出波形質(zhì)量良好，克服了過去這類電源采用體積大的中頻變壓器時(shí)出現(xiàn)的噪聲大、響應(yīng)慢、波形畸變嚴(yán)重等缺點(diǎn)，是有較好應(yīng)用前景的產(chǎn)品。