采用DSP的電源控制系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)發(fā)

1 引言

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步和信息技術(shù)的發(fā)展，逆變電源越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于通訊、航海、航空、醫(yī)療、軍事等諸多領(lǐng)域，同時(shí)用戶對(duì)逆變電源的性能也有了越來(lái)越高的要求。作為逆變電源的核心，逆變器的控制系統(tǒng)對(duì)提高電源性能起著極其關(guān)鍵的作用。逆變電源的控制器經(jīng)歷了從模擬控制器到數(shù)字控制器的發(fā)展, 數(shù)字控制器與模擬控制器相比較，具有控制精度高、參數(shù)調(diào)整方便、更改控制策略靈活等優(yōu)點(diǎn)。尤其隨著控制專用DSP的出現(xiàn)，使得逆變電源的控制技術(shù)朝著全數(shù)字化、智能化及網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。本文選用TI公司新推出的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812作為電源的主控制器，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展方便的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了逆變電源的精準(zhǔn)控制。

2 系統(tǒng)組成

本文所設(shè)計(jì)的電源是400Hz逆變中頻電源，電源總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主電路采用交-直-交結(jié)構(gòu)，包括整流器、直流濾波器、逆變器、變壓器及交流濾波等組成部分。交－直部分將50 Hz交流市電經(jīng)橋式整流、平波電抗器、電解電容濾波后變?yōu)槠椒€(wěn)直流，橋式整流電路為半控結(jié)構(gòu)。直－交逆變部分采用全橋結(jié)構(gòu)，逆變器選用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件。利用IGBT開(kāi)關(guān)頻率較高的優(yōu)點(diǎn)，采用正弦脈寬調(diào)制方式（SPWM）對(duì)逆變器進(jìn)行控制，將平穩(wěn)直流變換為脈寬調(diào)制輸出的交流，輸出SPWM波幅值恒定，寬度按正弦規(guī)律變化，逆變器輸出的交流電經(jīng)變壓器及濾波電路濾波后，得到純正的正弦波交流電。

以TMS320F2812為核心的控制部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中TMS320F2812最小系統(tǒng)中主要包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路。時(shí)鐘電路采用外部時(shí)鐘，選用一片30MHz晶振作為外部頻率給定，外部時(shí)鐘經(jīng)過(guò)PLL倍頻后，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘，系統(tǒng)可以通過(guò)鎖相環(huán)控制寄存器來(lái)選擇鎖相環(huán)的工作模式和倍頻的系數(shù)。復(fù)位電路的設(shè)計(jì)，為了操作的方便，主要使用的是系統(tǒng)復(fù)位引腳（RS）。當(dāng)接觸開(kāi)關(guān)S按下時(shí)，使得該引腳產(chǎn)生一個(gè)低電平，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的復(fù)位信號(hào)；當(dāng)接觸開(kāi)關(guān)S未動(dòng)作時(shí)，該引腳為高電平。外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路主要采用的ISSI公司生產(chǎn)的高速SRAM芯片，型號(hào)為IS61LV25616AL，存儲(chǔ)時(shí)間為10ns，容量為256K字節(jié)，16位，工作電壓為3.3V，工作于零等待工作模式。

圖1?電源總體結(jié)構(gòu)框圖

圖2?DSP擴(kuò)展系統(tǒng)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要是圍繞主控制器TMS320F2812進(jìn)行的，TMS320F2812的外圍電路主要有AD采樣電路和SCI通信電路。

3.1 A/D采樣電路

TMS320F2812的ADC模塊是一個(gè)12位帶流水線的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，共有16個(gè)通道。根據(jù)實(shí)際需要，本系統(tǒng)用到了9個(gè)AD轉(zhuǎn)換通道ADCIN00～ADCIN08，需采樣的信號(hào)分別是3個(gè)相電壓、直流電壓、3路線電流、直流電流、溫度。每個(gè)A/D采樣電路包括傳感器、A/D調(diào)理電路和片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器。交流電壓采樣電路如圖3所示，輸出的三相交流電壓進(jìn)行瞬時(shí)值檢測(cè)，從變壓器副邊送來(lái)的正弦波反饋信號(hào)經(jīng)變壓器采樣，經(jīng)過(guò)分壓和偏置處理后，轉(zhuǎn)換成0~3.3 V的信號(hào)送入DSP的A/D轉(zhuǎn)換口。交流的瞬時(shí)值采樣結(jié)果和被檢測(cè)的信號(hào)之間存在同步問(wèn)題，在本系統(tǒng)中采用TMS320F2812的捕獲單元和不可屏蔽中斷NMI（Non-Maskable Interrupt）來(lái)實(shí)現(xiàn)跟蹤頻率變化的交流瞬時(shí)值采樣。

圖3?交流電壓采樣電路

3.2 SCI電路

TMS320F2812器件包括串行通信接口SCI模塊，SCI模塊是一個(gè)可編程的全雙工串行通訊接口。SCI模塊支持CPU與其使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通訊。SCI模塊包括兩個(gè)引腳：SCI發(fā)送數(shù)據(jù)引腳SCITXD、SCI接收數(shù)據(jù)引腳SCIRXD。TMS320F2812的串行通訊接口電路如圖4所示。

圖4?串行通訊接口電路

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制策略

本系統(tǒng)采用輸出電壓瞬時(shí)值和電感電流反饋的電流雙環(huán)SPWM控制調(diào)制方案。其中，電壓外環(huán)反饋采用模糊比例積分調(diào)節(jié)，電流內(nèi)環(huán)的反饋信號(hào)為電感電流IL，采用模糊比例調(diào)節(jié)[3]。輸出電壓的瞬時(shí)信號(hào)U０經(jīng)調(diào)理采樣生成Uf后直接反饋，與參考正弦電壓Uref比較后，經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器綜合，作為電流內(nèi)環(huán)的給定信號(hào)Ig。給定信號(hào)Ig與電感電流反饋值If比較得到的誤差ei送到電流調(diào)節(jié)器中，經(jīng)過(guò)P調(diào)節(jié)生成信號(hào)Us，其作為調(diào)制波與三角載波進(jìn)行交截產(chǎn)生SPWM開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制各橋臂IGBT管的導(dǎo)通與關(guān)斷。

4.2 軟件實(shí)現(xiàn)

圖5?系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)流程圖

逆變橋的SPWM信號(hào)由TMS320F2812片內(nèi)事件管理器EVA模塊實(shí)現(xiàn)，波形的控制和調(diào)節(jié)都需要在SPWM調(diào)節(jié)周期中完成，屬于定時(shí)器管理事件。在進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器計(jì)算時(shí)還需要實(shí)時(shí)獲得、處理采樣值，這里主要利用片內(nèi)A/D模塊。另外，在和單片機(jī)進(jìn)行通信時(shí)可以利用SCI模塊實(shí)現(xiàn)，各類保護(hù)則是需要不斷查詢各個(gè)狀態(tài)量，根據(jù)其具體數(shù)值采取相應(yīng)的動(dòng)作。系統(tǒng)軟件總的流程框圖如圖5所示。

本系統(tǒng)對(duì)軟件的實(shí)時(shí)處理能力要求很高，絕大多數(shù)功能模塊是在中斷子程序中完成的。而且由于系統(tǒng)的功能模塊繁多，所以各模塊應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求嚴(yán)格按照先后順序執(zhí)行，以保證各模塊互不干擾，協(xié)調(diào)工作。用到的主要的中斷有三個(gè)：INI2.6級(jí)中斷為EVA模塊的定時(shí)器1的下溢中斷，對(duì)應(yīng)的中斷子程序是最重要的一個(gè)子程序，在該子程序中主要完成對(duì)逆變器的控制，一旦出錯(cuò)那么整個(gè)系統(tǒng)的輸出就會(huì)發(fā)生畸變，因此其中斷優(yōu)先級(jí)最高；INT1.6級(jí)中斷是ADC模塊的中斷，在該子程序中讀取輸出電壓和輸出電感電流的轉(zhuǎn)換結(jié)果；INT9.1級(jí)中斷是SCI-A模塊的接收中斷，在該中斷子程序中主要接收經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)搭建小容量的試驗(yàn)機(jī)，控制系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)都得到了近似工作現(xiàn)場(chǎng)的考驗(yàn)，經(jīng)過(guò)在試驗(yàn)過(guò)程中不斷的調(diào)整，軟硬件設(shè)計(jì)都基本趨于完善。最終大容量30kVA的樣機(jī)設(shè)定的各控制參數(shù)如下：輸入電壓220V/50Hz，輸出電壓115V/400Hz，載波頻率為18kHz，輸出功率為30kVA，輸出濾波電容C = 300 F，輸出濾波電感L = 70 H。圖6、圖7分別為阻性負(fù)載和感性負(fù)載時(shí)的電源輸出電壓波形，經(jīng)過(guò)對(duì)輸出電壓的諧波分析，輸出電壓的THD值達(dá)到了要求的性能指標(biāo)THD≤3％，結(jié)果證明了控制系統(tǒng)的可行性。

圖6?阻性負(fù)載時(shí)的電源輸出電壓波形

圖7?感性負(fù)載時(shí)的電源輸出電壓波形

6 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)利用控制領(lǐng)域最先進(jìn)的TMS320F2812型號(hào)的DSP作控制器，與以往單片機(jī)相比，TMS320F2812的集成外設(shè)功能更多、速度更快。而且，它的價(jià)格在近幾年也有了大幅度的下降。因此，本文設(shè)計(jì)的逆變電源控制系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、無(wú)污染、噪聲低、效率高、節(jié)約成本、易擴(kuò)展等多種優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：針對(duì)用戶對(duì)中頻逆變電源的性能要求，采用控制領(lǐng)域最新的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812作為控制器，從軟件和硬件兩方面系統(tǒng)全面地介紹了設(shè)計(jì)逆變電源控制系統(tǒng)的方法。該系統(tǒng)的硬件電路非常簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了對(duì)逆變電源的全數(shù)字控制，使逆變電源的模塊化成為可能，同時(shí)也為電源的大容量擴(kuò)展打下了很好的基礎(chǔ)。