《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于DSP的三相SPWM變頻電源的設(shè)計
摘要: 本文實現(xiàn)了基于TMS320F28335的變頻電源數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計,通過有效利用TMS320F28335豐富的片上硬件資源,實現(xiàn)了SPWM的不規(guī)則采樣,并采用PID算法使系統(tǒng)產(chǎn)生高品質(zhì)的正弦波,具有運算速度快、精度高、靈活性好、系統(tǒng)擴展能力強等優(yōu)點。
Abstract:
Key words :

        引言

  變頻電源作為電源系統(tǒng)的重要組成部分,其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全和可靠性指標(biāo)?,F(xiàn)代變頻電源以低功耗、高效率、電路簡潔等顯著優(yōu)點而備受青睞。變頻電源的整個電路由交流-直流-交流-濾波等部分構(gòu)成,輸出電壓和電流波形均為純正的正弦波,且頻率和幅度在一定范圍內(nèi)可調(diào)。

  本文實現(xiàn)了基于TMS320F28335的變頻電源數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計,通過有效利用TMS320F28335豐富的片上硬件資源,實現(xiàn)了SPWM的不規(guī)則采樣,并采用PID算法使系統(tǒng)產(chǎn)生高品質(zhì)的正弦波,具有運算速度快、精度高、靈活性好、系統(tǒng)擴展能力強等優(yōu)點。

  系統(tǒng)總體介紹

  根據(jù)結(jié)構(gòu)不同,變頻電源可分為直接變頻電源與間接變頻電源兩大類。本文所研究的變頻電源采用間接變頻結(jié)構(gòu)即交-直-交變換過程。首先通過單相全橋整流電路完成交-直變換,然后在DSP控制下把直流電源轉(zhuǎn)換成三相SPWM波形供給后級濾波電路,形成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。變頻系統(tǒng)控制器采用TI公司推出的業(yè)界首款浮點數(shù)字信號控制器TMS320F28335,它具有150MHz高速處理能力,具備32位浮點處理單元,單指令周期32位累加運算,可滿足應(yīng)用對于更快代碼開發(fā)與集成高級控制器的浮點處理器性能的要求。與上一代領(lǐng)先的數(shù)字信號處理器相比,最新的F2833x浮點控制器不僅可將性能平均提升50%,還具有精度更高、簡化軟件開發(fā)、兼容定點C28x TM控制器軟件的特點。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
 

圖1 系統(tǒng)總體框圖


 ?。?)整流濾波模塊:對電網(wǎng)輸入的交流電進行整流濾波,為變換器提供波紋較小的直流電壓。

 ?。?)三相橋式逆變器模塊:把直流電壓變換成交流電。其中功率級采用智能型IPM功率模塊,具有電路簡單、可靠性高等特點。

 ?。?)LC濾波模塊:濾除干擾和無用信號,使輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。

 ?。?)控制電路模塊:檢測輸出電壓、電流信號后,按照一定的控制算法和控制策略產(chǎn)生SPWM控制信號,去控制IPM開關(guān)管的通斷從而保持輸出電壓穩(wěn)定,同時通過SPI接口完成對輸入電壓信號、電流信號的程控調(diào)理。捕獲單元完成對輸出信號的測頻。

 ?。?)電壓、電流檢測模塊:根據(jù)要求,需要實時檢測線電壓及相電流的變化,所以需要三路電壓檢測和三路電流檢測電路。所有的檢測信號都經(jīng)過電壓跟隨器隔離后由TMS320F28335的A/D通道輸入。

 ?。?)輔助電源模塊:為控制電路提供滿足一定技術(shù)要求的直流電源,以保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

  系統(tǒng)硬件設(shè)計

  變頻電源的硬件電路主要包含6個模塊:整流電路模塊、IPM電路模塊、IPM隔離驅(qū)動模塊、輸出濾波模塊、電壓檢測模塊和TMS320F28335數(shù)字信號處理模塊。

  整流電路模塊

  采用二極管不可控整流電路以提高網(wǎng)側(cè)電壓功率因數(shù),整流所得直流電壓用大電容穩(wěn)壓為逆變器提供直流電壓,該電路由6只整流二極管和吸收負(fù)載感性無功的直流穩(wěn)壓電容組成。整流電路原理圖如圖2所示。
 

圖2 整流電路原理圖

  IPM電路模塊

  IPM由高速、低功率IGBT、優(yōu)選的門級驅(qū)動器及保護電路組成。IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式電力電子器件。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小,開關(guān)速度快,但導(dǎo)通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點,驅(qū)動功率小而飽和壓降低,非常適合應(yīng)用于直流電壓。因而IPM具有高電流密度、低飽和電壓、高耐壓、高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動功率的優(yōu)點。本文選用的IPM是日本富士公司的型號為6MBP20RH060的智能功率模塊,該智能功率模塊由6只IGBT管子組成,其IGBT的耐壓值為600V,最小死區(qū)導(dǎo)通時間為3μs。

  IPM隔離驅(qū)動模塊

  由于逆變橋的工作電壓較高,因此DSP的弱電信號很難直接控制逆變橋進行逆變。美國國際整流器公司生產(chǎn)的三相橋式驅(qū)動集成電路IR2130,只需一個供電電源即可驅(qū)動三相橋式逆變電路的6個功率開關(guān)器件。

  IR2130驅(qū)動其中1個橋臂的電路原理圖如圖3所示。C1是自舉電容,為上橋臂功率管驅(qū)動的懸浮電源存儲能量,D1可防止上橋臂導(dǎo)通時直流電壓母線電壓到IR2130的電源上而使器件損壞。R1和R2是IGBT的門極驅(qū)動電阻,一般可采用十到幾十歐姆。R3和R4組成過流檢測電路,其中R3是過流取樣電阻,R4是作為分壓用的可調(diào)電阻。IR2130的HIN1~HIN3、LIN1~LIN3作為功率管的輸入驅(qū)動信號與TMS320F8335的PWM連接,由TMS320F8335控制產(chǎn)生PWM控制信號的輸入,F(xiàn)AULT與TMS320F8335引腳PDPINA連接,一旦出現(xiàn)故障則觸發(fā)功率保護中斷,在中斷程序中封鎖PWM信號。
 

圖3 IR2130驅(qū)動其中1個橋臂的電路原理圖


  輸出濾波模塊

  采用SPWM控制的逆變電路,輸出的SPWM波中含有大量的高頻諧波。為了保證輸出電壓為純正的正弦波,必須采用輸出濾波器。本文采用LC濾波電路,其中截止頻率取基波頻率的4.5倍,L=12mH,C=10μF。

  電壓檢測模塊

  電壓檢測是完成閉環(huán)控制的重要環(huán)節(jié),為了精確的測量線電壓,通過TMS320F28335的SPI總線及GPIO口控制對輸入的線電壓進行衰減/放大的比例以滿足A/D模塊對輸入信號電平(0-3V)的要求。電壓檢測模塊采用256抽頭的數(shù)字電位器AD5290和高速運算放大器AD8202組成程控信號放大/衰減器,每個輸入通道的輸入特性為1MΩ輸入阻抗+30pF。電壓檢測模塊電路原理圖如圖4所示。
 

圖4 電壓檢測電路原理圖


 


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