解析基于DSP設(shè)計(jì)變頻電源數(shù)字控制系統(tǒng)程序

變頻技術(shù)是電力電子技術(shù)的主要組成部分，應(yīng)用于包括交流電機(jī)的調(diào)速和供電電源等多個(gè)重要領(lǐng)域。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）已廣泛應(yīng)用在高頻開(kāi)關(guān)電源的控制，采取DSP作為變頻電源的控制核心，可以用最少的軟硬件實(shí)現(xiàn)靈活、準(zhǔn)確的在線控制。本文提出了一種基于DSP（數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407）的SPWM三相間接變頻電源系統(tǒng)。數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407既有一般DSP芯片的特點(diǎn)，還在片內(nèi)集成了許多外設(shè)電路，使其可以很方便地實(shí)現(xiàn)變頻電源控制。本文中，控制系統(tǒng)采用了工程應(yīng)用較多的正弦脈寬凋制技術(shù)，該技術(shù)具有算法簡(jiǎn)單，硬件實(shí)現(xiàn)容易，諧波較小等優(yōu)點(diǎn)，可以充分發(fā)揮DSP的高速性、實(shí)時(shí)性、可靠性等方面的特點(diǎn)，結(jié)合相應(yīng)的軟件，應(yīng)用一些改進(jìn)的算法實(shí)現(xiàn)了SPWM調(diào)制，輸出了質(zhì)量較好、頻率和幅值可任意改變的控制信號(hào)。

首先介紹了變頻電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及原理，設(shè)計(jì)了以三菱IPM模塊為基礎(chǔ)的包括整流電路、逆變電路、輸出濾波器的主回路。在分析了SPWM調(diào)制原理的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)型的規(guī)則采樣法產(chǎn)生SPWM波。另外并對(duì)死區(qū)產(chǎn)生的影響做了分析，并給出了兩種補(bǔ)償方法。 在變頻電源數(shù)字控制器國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的控制器硬件結(jié)構(gòu)，并對(duì)控制器的實(shí)時(shí)性、可靠性和兼容性作了詳細(xì)的分析。為滿足高速和精確的采樣，論文在控制器硬件中設(shè)計(jì)了鎖相環(huán)電路。為滿足智能功率模塊（IPM）對(duì)死區(qū)時(shí)間的要求，在對(duì)電路仿真分析的前提下，論文在控制器硬件中設(shè)計(jì)了獨(dú)立的硬件死區(qū)延時(shí)電路。 控制器的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為人機(jī)接口程序和控制程序。人機(jī)接口程序?qū)崿F(xiàn)了實(shí)時(shí)電壓電流數(shù)據(jù)及其波形顯示，控制參數(shù)顯示及在線修改等功能；控制程序?qū)崿F(xiàn)了信號(hào)采樣分析、PWM脈沖調(diào)制和觸發(fā)、PI控制器等程序。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖l為變頻電源基本控制電路硬件框圖。變頻電源采用高頻SPWM技術(shù)和通用電壓型單相全橋逆變電路，選取ICBT功率模塊作為開(kāi)關(guān)器件，控制電路采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)。

輸出電壓和電感電流通過(guò)采樣網(wǎng)絡(luò)，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為T(mén)MS320LF2407所需要的電平，接至TMS3201F2407的A/D轉(zhuǎn)換口。通過(guò)鍵盤(pán)鍵入所要求的輸出電壓值、頻率值，由SCI模塊與DSP實(shí)現(xiàn)通訊。得到逆變器當(dāng)前工作的基準(zhǔn)電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)電壓電流調(diào)節(jié)器獲得實(shí)際的正弦調(diào)制信號(hào)，與DSP定時(shí)器產(chǎn)生的三角波載波信號(hào)相交截，輸出帶有一定死區(qū)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行隔離放大后送到IGBT。DSP可以把當(dāng)前時(shí)刻的輸出電壓、頻率值送給單片機(jī)并在8位LED上顯示出來(lái)。為了保證過(guò)壓、欠壓、過(guò)流(過(guò)載)的情況下能有效地保護(hù)功率開(kāi)關(guān)和負(fù)載，在本系統(tǒng)中設(shè)置了保護(hù)電路，一旦出現(xiàn)故障，PDPINT引腳為低電平狀態(tài)，封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖控制信號(hào)，切斷變頻電源輸出。

2 SPWM原理

在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來(lái)安排。當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當(dāng)正弦值較小時(shí)，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調(diào)制。

PWM的全稱是Pulse Width Modulation（脈沖寬度調(diào)制），它是通過(guò)改變輸出方波的占空比來(lái)改變等效的輸出電壓。廣泛的用于電動(dòng)機(jī)調(diào)速和閥門(mén)控制，比如我們現(xiàn)在的電動(dòng)車電機(jī)調(diào)速就是使用這種方式。所謂SPWM，就是在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)率排列，這樣輸出波形經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。它廣泛的用于支流交流逆變器等，比如高級(jí)一些的UPS就是一個(gè)例子。三相SPWM是使用SPWM模擬市電的三相輸出，在變頻器領(lǐng)域被廣泛的采用。

（1）必須實(shí)時(shí)地計(jì)算調(diào)制波（正弦波）和載波（三角波）的所有交點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，有序地向逆變橋中各逆變器件發(fā)出“通”和“斷”的動(dòng)作指令。

（2）調(diào)節(jié)頻率時(shí)，一方面，調(diào)制波與載波的周期要同時(shí)改變（改變的規(guī)律本文不作介紹）；另一方面，調(diào)制波的振幅要隨頻率而變，而載波的振幅則不變，所以，每次調(diào)節(jié)后，所膠點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)都 必須重新計(jì)算。

要滿足上述要求，只有在計(jì)算機(jī)技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步的20世紀(jì)80年代才有可能，同時(shí)，又由于大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，迄今，已經(jīng)有能夠產(chǎn)生滿足要求的SPWM波形的專用集成電路了。

3 SPWM波的軟件設(shè)計(jì)

變頻電源研制的核心是SPWM波的生成，可利用DSP通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)采用了雙閉環(huán)反饋的控制策略，其外環(huán)為輸出電壓反饋，電壓調(diào)節(jié)器一般采用PI形式，電感電流反饋構(gòu)成內(nèi)環(huán)，電流環(huán)設(shè)計(jì)為比例環(huán)節(jié)。由圖l可以看出，輸出電壓的信號(hào)經(jīng)調(diào)理采樣生成Vf后直接反饋，與參考正弦電壓Vref比較后，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)的給定信號(hào)Ig。其與電感電流反饋值If比較得到的誤差經(jīng)P調(diào)節(jié)，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)。為了便丁變頻器在線調(diào)試，所生成的SPWM波調(diào)制比必須可在一定范圍任意改變，且誤差較小。由上所述，可知SPWM波的生成涉及3個(gè)方面：獲得參考止弦電壓Vref、實(shí)現(xiàn)電壓電流雙閉環(huán)控制、產(chǎn)生三角載波。其中，三角載波的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，可由DSP中的通用定時(shí)器產(chǎn)生，本設(shè)計(jì)中，使用了通用定時(shí)器l，可根據(jù)載波頻率確定定時(shí)器l中的周期寄存器TIPR的值。下面著重介紹前兩個(gè)方面所涉及的沒(méi)計(jì)和算法。

3.1基準(zhǔn)正弦電壓信號(hào)的生成

正弦信號(hào)源在實(shí)驗(yàn)室和電子工程設(shè)計(jì)中有著十分重要的作用，而傳統(tǒng)的正弦信號(hào)源根據(jù)實(shí)際需要一般價(jià)格昂貴，低頻輸出時(shí)性能不好且不便于自動(dòng)調(diào)節(jié)，工程實(shí)用性較差。綜合分析各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)頻率變化范圍大，信號(hào)穩(wěn)定度高，失真度好，達(dá)到了性能良好的設(shè)計(jì)要求。

DSP實(shí)時(shí)地從單片機(jī)讀取所需要的電壓的頻率和幅值作為當(dāng)前輸出電壓的基準(zhǔn)(給定)。獲取當(dāng)前時(shí)刻的正弦值，基準(zhǔn)正弦信號(hào)是通過(guò)查表法產(chǎn)生的。在數(shù)字控制系統(tǒng)中正弦基準(zhǔn)信號(hào)就是一個(gè)正弦數(shù)據(jù)表格，故應(yīng)將正弦波按其表達(dá)式制成0°～360°的表格供查用，在本設(shè)計(jì)中，正弦數(shù)據(jù)表格中數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)選為1024，可將其數(shù)值放在片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。有如卜關(guān)系式：

式中：fs為當(dāng)前時(shí)刻調(diào)制頻率；

t為采樣時(shí)刻；

N為當(dāng)前時(shí)刻處在整個(gè)調(diào)制周期的第N個(gè)脈沖。

由于本系統(tǒng)系變頻電源，即fS是在變化的，且系統(tǒng)采用的是異步調(diào)制，所以N也是隨fS變化而變化的。由此必須實(shí)時(shí)變化定時(shí)時(shí)間T以確保整個(gè)周期的脈沖數(shù)最大限度地接近整數(shù)，以避免或減少輸出波形含有基波的子諧波；此外，還須實(shí)時(shí)地改變脈沖序列，以保證輸出電壓值不發(fā)生較大的跳變。

3．1．1 實(shí)時(shí)改變定時(shí)時(shí)間

假設(shè)fS=400 Hz，則頻率凋制比Mf為

由于整個(gè)周期的脈沖數(shù)NE超過(guò)1，所以NE只能選用定標(biāo)為Q0，即NE只能為整數(shù)，所以NE=62，從而在脈沖數(shù)上出現(xiàn)了相差了O.5個(gè)，反映在橋臂輸出電壓上，有正負(fù)輸出所含的脈沖數(shù)不相同。由此會(huì)產(chǎn)生基頻的子諧波。

如果我們以當(dāng)前的脈沖數(shù)NE回推出開(kāi)關(guān)頻率，則有fc=62x400=24．8kHz，這樣確定的開(kāi)關(guān)頻率，就最大限度地保汪了正負(fù)調(diào)制周期的脈沖數(shù)近似相同。設(shè)計(jì)中，定時(shí)器1的工作方式設(shè)定為連續(xù)增減計(jì)數(shù)方式，故其中fcpu=20 MHz為時(shí)鐘頻率，開(kāi)關(guān)頻率25 kHz時(shí)可得定時(shí)時(shí)間T為40μs，T1PR為400；而開(kāi)關(guān)頻率為24．8 kHz時(shí)可得定時(shí)時(shí)間T為40.65μs，T1PR為403．225，T1PR定標(biāo)為Q0，所以只能為整數(shù)403，故求得頻率調(diào)制比,所以正負(fù)調(diào)制周期的脈沖數(shù)相差極少，為0．035，這樣就最大限度的消除了基頻的子諧波。

3．1．2 實(shí)時(shí)改變脈沖序列

脈沖序列是一種連續(xù)有序輸出的具有二進(jìn)制數(shù)特點(diǎn)的脈沖隊(duì)列，它可通過(guò)一路或多路同步輸出。

當(dāng)頻率不發(fā)生改變時(shí)，DSP按原來(lái)的輸出序列(N=1，2，…NE)循環(huán)輸出脈沖，設(shè)在第N個(gè)周期時(shí)，頻率發(fā)生改變，則DSP應(yīng)按新的脈沖序列(N′=l，2，…NE′)輸出脈沖。

圖2中，在N=25時(shí)刻頻率從500Hz變化到250Hz，由于N=25對(duì)應(yīng)輸出頻率500Hz為零點(diǎn)處，對(duì)應(yīng)于輸出頻率250Hz為正峰值處，所以如果不改變輸出脈沖序列，則會(huì)導(dǎo)致輸出電壓相位和電壓值都出現(xiàn)跳變，如圖2(a)所示；圖2(b)中按一定的規(guī)律改變輸出脈沖序列，輸出電壓相位和電壓值就不會(huì)出現(xiàn)跳變。為了保證在頻率切換過(guò)程中電壓的相位變化最小，輸出電壓值不發(fā)生較大的跳變，應(yīng)按下式來(lái)確定新的脈沖序列中起始的脈沖序號(hào)N′，即令：