引言

　　變頻技術(shù)是電力電子技術(shù)的主要組成部分，應(yīng)用于包括交流電機的調(diào)速和供電電源等多個重要領(lǐng)域。數(shù)字信號處理器（DSP）已廣泛應(yīng)用在高頻開關(guān)電源的控制，采取DSP作為變頻電源的控制，可以用少的軟硬件實現(xiàn)靈活、準(zhǔn)確的在線控制。本文提出了一種基于DSP（數(shù)字信號處理器TMS320LF2407）的SPWM三相間接變頻電源系統(tǒng)。數(shù)字信號處理器TMS320LF2407既有一般DSP芯片的特點，還在片內(nèi)集成了許多外設(shè)電路，使其可以很方便地實現(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)具有算法簡單，硬件實現(xiàn)容易，諧波較小等優(yōu)點，可以充分發(fā)揮DSP的高速性、實時性、可靠性等方面的特點，結(jié)合相應(yīng)的軟件，應(yīng)用一些改進(jìn)的算法實現(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。

　　首先介紹了變頻電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及原理，設(shè)計了以三菱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。另外并對死區(qū)產(chǎn)生的影響做了分析，并給出了兩種補償方法。 在變頻電源數(shù)字控制器國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)字信號處理器（DSP）的控制器硬件結(jié)構(gòu)，并對控制器的實時性、可靠性和兼容性作了詳細(xì)的分析。為滿足高速和的采樣，論文在控制器硬件中設(shè)計了鎖相環(huán)電路。為滿足智能功率模塊（IPM）對死區(qū)時間的要求，在對電路仿真分析的前提下，論文在控制器硬件中設(shè)計了獨立的硬件死區(qū)延時電路。 控制器的系統(tǒng)軟件設(shè)計分為人機接口程序和控制程序。人機接口程序?qū)崿F(xiàn)了實時電壓電流數(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功率模塊作為開關(guān)器件，控制電路采用全數(shù)字化設(shè)計。

　　輸出電壓和電感電流通過采樣網(wǎng)絡(luò)，將輸入信號轉(zhuǎn)換為TMS320LF2407所需要的電平，接至TMS3201F2407的A/D轉(zhuǎn)換口。通過鍵盤鍵入所要求的輸出電壓值、頻率值，由SCI模塊與DSP實現(xiàn)通訊。得到逆變器當(dāng)前工作的基準(zhǔn)電壓信號，經(jīng)過電壓電流調(diào)節(jié)器獲得實際的正弦調(diào)制信號，與DSP定時器產(chǎn)生的三角波載波信號相交截，輸出帶有一定死區(qū)的驅(qū)動控制信號，經(jīng)驅(qū)動單元進(jìn)行隔離放大后送到IGBT。DSP可以把當(dāng)前時刻的輸出電壓、頻率值送給單片機并在8位LED上顯示出來。為了保證過壓、欠壓、過流(過載)的情況下能有效地保護功率開關(guān)和負(fù)載，在本系統(tǒng)中設(shè)置了保護電路，一旦出現(xiàn)故障，PDPINT引腳為低電平狀態(tài)，封鎖驅(qū)動脈沖控制信號，切斷變頻電源輸出。

　　2 SPWM原理

　　在進(jìn)行脈寬調(diào)制時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當(dāng)正弦值為值時，脈沖的寬度也，而脈沖間的間隔則，反之，當(dāng)正弦值較小時，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），它是通過改變輸出方波的占空比來改變等效的輸出電壓。廣泛的用于電動機調(diào)速和閥門控制，比如我們現(xiàn)在的電動車電機調(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，脈沖寬度時間占空比按正弦規(guī)率排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當(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，比如一些的UPS就是一個例子。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。

　　2.1 實施SPWM的基本要求

　?。?）必須實時地計算調(diào)制波（正弦波）和載波（三角波）的所有交點的時間坐標(biāo)，根據(jù)計算結(jié)果，有序地向逆變橋中各逆變器件發(fā)出“通”和“斷”的動作指令。

　?。?）調(diào)節(jié)頻率時，一方面，調(diào)制波與載波的周期要同時改變（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，所膠點的時間坐標(biāo)都 必須重新計算。

　　要滿足上述要求，只有在計算機技術(shù)取得長足進(jìn)步的20世紀(jì)80年代才有可能，同時，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

　　變頻電源研制的是SPWM波的生成，可利用DSP通過軟件來實現(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)計為比例環(huán)節(jié)。由圖l可以看出，輸出電壓的信號經(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開關(guān)信號。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個方面：獲得參考止弦電壓Vref、實現(xiàn)電壓電流雙閉環(huán)控制、產(chǎn)生三角載波。其中，三角載波的實現(xiàn)很簡單，可由DSP中的通用定時器產(chǎn)生，本設(shè)計中，使用了通用定時器l，可根據(jù)載波頻率確定定時器l中的周期寄存器TIPR的值。下面著重介紹前兩個方面所涉及的沒計和算法。

　　3.l 基準(zhǔn)正弦電壓信號的生成

　　正弦信號源在實驗室和電子工程設(shè)計中有著十分重要的作用，而傳統(tǒng)的正弦信號源根據(jù)實際需要一般價格昂貴，低頻輸出時性能不好且不便于自動調(diào)節(jié)，工程實用性較差。綜合分析各項指標(biāo)的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計頻率變化范圍大，信號穩(wěn)定度高，失真度好，達(dá)到了性能良好的設(shè)計要求。

　　DSP實時地從單片機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)前時刻的正弦值，基準(zhǔn)正弦信號是通過查表法產(chǎn)生的。在數(shù)字控制系統(tǒng)中正弦基準(zhǔn)信號就是一個正弦數(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)計中，正弦數(shù)據(jù)表格中數(shù)據(jù)點數(shù)選為1024，可將其數(shù)值放在片外數(shù)據(jù)存儲器。有如卜關(guān)系式：

　　式中：fs為當(dāng)前時刻調(diào)制頻率；

　　t為采樣時刻；

　　N為當(dāng)前時刻處在整個調(diào)制周期的第N個脈沖。

　　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。由此必須實時變化定時時間T以確保整個周期的脈沖數(shù)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，還須實時地改變脈沖序列，以保證輸出電壓值不發(fā)生較大的跳變。

　　3．1．1 實時改變定時時間

　　假設(shè)fS=400 Hz，則頻率凋制比Mf為

　　由于整個周期的脈沖數(shù)NE超過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，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回推出開關(guān)頻率，則有fc=62x400=24．8kHz，這樣確定的開關(guān)頻率，就限度地保汪了正負(fù)調(diào)制周期的脈沖數(shù)近似相同。設(shè)計中，定時器1的工作方式設(shè)定為連續(xù)增減計數(shù)方式，故其中fcpu=20 MHz為時鐘頻率，開關(guān)頻率25 kHz時可得定時時間T為40μs，T1PR為400；而開關(guān)頻率為24．8 kHz時可得定時時間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，這樣就限度的消除了基頻的子諧波。

　　3．1．2 實時改變脈沖序列

　　脈沖序列是一種連續(xù)有序輸出的具有二進(jìn)制數(shù)特點的脈沖隊列，它可通過一路或多路同步輸出。

　　當(dāng)頻率不發(fā)生改變時，DSP按原來的輸出序列(N=1，2，…NE)循環(huán)輸出脈沖，設(shè)在第N個周期時，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時刻頻率從500Hz變化到250Hz，由于N=25對應(yīng)輸出頻率500Hz為零點處，對應(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出現(xiàn)跳變。為了保證在頻率切換過程中電壓的相位變化，輸出電壓值不發(fā)生較大的跳變，應(yīng)按下式來確定新的脈沖序列中起始的脈沖序號N′，即令：

　　具體流程如圖3所示。

　　3．2 雙閉環(huán)控制實現(xiàn)

　　圖4為電壓、電流雙閉環(huán)數(shù)寧控制流程圖。在實際應(yīng)用中，考慮到一些具體情況，還需對電壓調(diào)節(jié)器的數(shù)字PI調(diào)節(jié)及電流調(diào)節(jié)器的數(shù)字P調(diào)節(jié)加以一定的限制，針對不同的情況采取控制方法。故在圖4中(1)、(1’)、(2)、(3)、(3’)處采用了一些改進(jìn)算法及策略，下面分別加以簡單介紹。

　　在圖4中(1)和(1’)處設(shè)置了死區(qū)，岡為在輸出變化較小時，通過計算得到的PWM控制寄存器的值可能也會有小幅度的振動，這樣會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。若設(shè)置適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)范圍，則可以消除由此引起的振蕩，又不會太大影響輸出。根據(jù)實際情況分別設(shè)定輸入偏差量e1(e1’)，即當(dāng)|ev(k)|<e1(|ei(k)|<e1’時，控制保持不變，跳過PI運算或P運算；圖4中(3)和(3’)處對相應(yīng)的輸出值進(jìn)行了限幅，這是由于當(dāng)PI調(diào)節(jié)器或P調(diào)節(jié)器中輸出值很大時，不僅容易造成控制規(guī)律錯誤，而且可能引起系統(tǒng)損壞，輸出限幅可以避免上述情形的發(fā)生：PI調(diào)節(jié)引入積分環(huán)節(jié)的目的是為了消除靜差，提高，但當(dāng)被控量與設(shè)定值的偏差較大時會造成PI運算的積分積累，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，穩(wěn)定性減弱。故在圖4中(2)處對PI控制積分分離，設(shè)置偏差閾值e0，當(dāng)|ev(k)|>e0，取消積分作用，用P控制，當(dāng)|ev(k)|≤e0，引入積分作用，這樣既保持了積分作用，又減小超調(diào)量。使系統(tǒng)的控制性能有很大改善。

　　4 實驗結(jié)果

　　根據(jù)上述基本編程思路，編制了一個凋制比N可任意改變的通用SPWM產(chǎn)生軟件，只要通過按鍵輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，就可以根據(jù)負(fù)載的需要產(chǎn)生任意輸出頻率和電壓幅值的SPWM波。研制了一臺容量為5000VA的變頻器樣機，并進(jìn)行了實驗，實驗結(jié)果表明，輸出電壓波形光滑，波形失真度低，輸出電壓的THD≤2％。圖5中，通過實時改變給定頻率以調(diào)節(jié)輸出電壓頻率，頻率由低逐漸增高，圖6中，通過實時改變給定電壓幅值以調(diào)節(jié)輸出電壓，電壓由低逐漸增高。從頻率、電壓的動態(tài)過程可以看出系統(tǒng)實現(xiàn)了實時變頻和變壓。

　　5 結(jié)語

　　數(shù)字信號處理器（DSP）做某些模擬工作比模擬電路要出色，因此得以生存。在某些情況下，由于成本或復(fù)雜性的原因，任務(wù)甚至不能考慮用模擬電路，DSP仍然是一種可行的選擇，在很多情況下可以輕松地完成那些任務(wù)。這是因為DSP進(jìn)行算術(shù)運算既好又快，如加法和乘法。聰明的數(shù)學(xué)家和工程師利用了這一實際，通過創(chuàng)造算法來解決主要采用兩種數(shù)、運算的復(fù)雜的信號處理任務(wù)。本文以DSP作為主控芯片，設(shè)計并實現(xiàn)了SPWM變頻電源數(shù)字化控制，該方式控制靈活、調(diào)試方便、可靠性高。在使用雙閉環(huán)控制策略的變頻電源中，應(yīng)用適合于DSP特點的一些算法，編程產(chǎn)生了可以變頻變壓的SPWM波信號，設(shè)計的方法是可行的。數(shù)字化使得系統(tǒng)具有很強的可編程性，這樣系統(tǒng)更易于更新和升級，并獲得了比較好的實驗效果。為了更好地理解各種DSP芯片的可用選項以及器件各部分是如何配合作為一個整體，分析當(dāng)今市場上幾種有代表性的DSP是有幫助的。我們將仔細(xì)研究單核、單核加微控制器以及多核DSP芯片的例子。