三相SPWM变频电源

　　本文实现了基于TMS320F28335的变频电源数字控制系统的设计，通过有效利用TMS320F28335丰富的片上硬件资源，实现了SPWM的不规则采样，并采用PID算法使系统产生高品质的正弦波，具有运算速度快、精度高、灵活性好、系统扩展能力强等优点。

　　系统总体介绍

　　根据结构不同，变频电源可分为直接变频电源与间接变频电源两大类。本文所研究的变频电源采用间接变频结构即交-直-交变换过程。首先通过单相全桥整流电路完成交-直变换，然后在DSP控制下把直流电源转换成三相SPWM波形供给后级滤波电路，形成标准的正弦波。变频系统控制器采用TI公司推出的业界首款浮点数字信号控制器TMS320F28335，它具有150MHz高速处理能力，具备32位浮点处理单元，单指令周期32位累加运算，可满足应用对于更快代码开发与集成**控制器的浮点处理器性能的要求。与上一代**的数字信号处理器相比，*新的F2833x浮点控制器不仅可将性能平均提升50%，还具有精度更高、简化软件开发、兼容定点C28x TM控制器软件的特点。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

　　（1）整流滤波模块：对电网输入的交流电进行整流滤波，为变换器提供波纹较小的直流电压。

　　（2）三相桥式逆变器模块：把直流电压变换成交流电。其**率级采用智能型IPM功率模块，具有电路简单、可靠性高等特点。

　　（3）LC滤波模块：滤除干扰和无用信号，使输出信号为标准正弦波。

　　（4）控制电路模块：检测输出电压、电流信号后，按照一定的控制算法和控制策略产生SPWM控制信号，去控制IPM开关管的通断从而保持输出电压稳定，同时通过SPI接口完成对输入电压信号、电流信号的程控调理。捕获单元完成对输出信号的测频。

　　（5）电压、电流检测模块：根据要求，需要实时检测线电压及相电流的变化，所以需要三路电压检测和三路电流检测电路。所有的检测信号都经过电压跟随器隔离后由TMS320F28335的A/D通道输入。

　　（6）辅助电源模块：为控制电路提供满足一定技术要求的直流电源，以保证系统工作稳定可靠。

　　系统硬件设计

　　变频电源的硬件电路主要包含6个模块：整流电路模块、IPM电路模块、IPM隔离驱动模块、输出滤波模块、电压检测模块和TMS320F28335数字信号处理模块。

　　整流电路模块

　　采用二极管不可控整流电路以提高网侧电压功率因数，整流所得直流电压用大电容稳压为逆变器提供直流电压，该电路由6只整流二极管和吸收负载感性无功的直流稳压电容组成。整流电路原理图如图2所示。

图2 整流电路原理图

　　IPM电路模块

　　IPM由高速、低功率IGBT、优选的门级驱动器及保护电路组成。IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低，非常适合应用于直流电压。因而IPM具有高电流密度、低饱和电压、高耐压、高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。本文选用的IPM是日本富士公司的型号为6MBP20RH060的智能功率模块，该智能功率模块由6只IGBT管子组成，其IGBT的耐压值为600V，*小死区导通时间为3μs。

　　IPM隔离驱动模块

　　由于逆变桥的工作电压较高，因此DSP的弱电信号很难直接控制逆变桥进行逆变。美国国际整流器公司生产的三相桥式驱动集成电路IR2130，只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件。

　　IR2130驱动其中1个桥臂的电路原理图如图3所示。C1是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，D1可防止上桥臂导通时直流电压母线电压到IR2130的电源上而使器件损坏。R1和R2是IGBT的门极驱动电阻，一般可采用十到几十欧姆。R3和R4组成过流检测电路，其中R3是过流取样电阻，R4是作为分压用的可调电阻。IR2130的HIN1~HIN3、LIN1~LIN3作为功率管的输入驱动信号与TMS320F8335的PWM连接，由TMS320F8335控制产生PWM控制信号的输入，FAULT与TMS320F8335引脚PDPINA连接，一旦出现故障则触发功率保护中断，在中断程序中封锁PWM信号。
 

图3 IR2130驱动其中1个桥臂的电路原理图

　　输出滤波模块

　　采用SPWM控制的逆变电路，输出的SPWM波中含有大量的高频谐波。为了保证输出电压为纯正的正弦波，必须采用输出滤波器。本文采用LC滤波电路，其中截止频率取基波频率的4.5倍，L=12mH，C=10μF。
三相SPWM变频电源

　　电压检测模块

　　电压检测是完成闭环控制的重要环节，为了**的测量线电压，通过TMS320F28335的SPI总线及GPIO口控制对输入的线电压进行衰减/放大的比例以满足A/D模块对输入信号电平(0-3V)的要求。电压检测模块采用256抽头的数字电位器AD5290和高速运算放大器AD8202组成程控信号放大/衰减器，每个输入通道的输入特性为1MΩ输入阻抗+30pF。电压检测模块电路原理图如图4所示。

图4 电压检测电路原理图

　　系统软件设计

　　系统上电后按照选定的模式自举加载程序，跳转到主程序入口，进行相关变量、控制寄存器初始化设置和正弦表初始化等工作。接着使能需要的中断，启动定时器，然后循环进行故障检测和保护，并等待中断。主要包括三部分内容：定时器周期中断子程序、A/D采样子程序和数据处理算法。主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图

　　定时器周期中断子程序

　　主要进行PI调节，更新占空比，产生SPWM波。定时器周期中断流程图如图6所示。

图6 定时器周期中断流程图

　　A/D采样子程序

　　主要完成线电流采样和线电压采样。为确保电压与电流信号间没有相对相移，本部分利用TMS320F28335片上ADC的同步采样方式。为提高采样精度，在A/D中断子程序中采用均值滤波的方法。 　对A相电压和电流A/D的同步采样部分代码如下：

　　数据处理算法

　　本系统主要用到以下算法：（1）SVPWM算法（2）PID调节算法（3）频率检测算法
三相SPWM变频电源

　　SVPWM算法

　　变频电源的核心就是SVPWM波的产生，SPWM波是以正弦波作为基准波（调制波），用一列等幅的三角波（载波）与基准正弦波相比较产生PWM波的控制方式。当基准正弦波高于三角波时，使相应的开关器件导通；当基准正弦波低于三角波时，使相应的开关器件截止。由此，逆变器的输出电压波形为脉冲列，其特点是：半个周期中各脉冲等距等幅不等宽，总是中间宽，两边窄，各脉冲面积与该区间正弦波下的面积成比例。这种脉冲波经过低通滤波后可得到与调制波同频率的正弦波，正弦波幅值和频率由调制波的幅值和频率决定。

　　本文采用不对称规则采样法，即在三角波的顶点位置与低点位置对正弦波进行采样，它形成的阶梯波更接近正弦波。不规则采样法生成SPWM波原理如图7所示。图中，Tc是载波周期，M是调制度，N为载波比，Ton为导通时间。
三相SPWM变频电源

　　由图7得：

　　当k为偶数时代表顶点采样，k为奇数时代表底点采样。

　　SVPWM算法实现过程：

　　利用F28335内部的事件管理器模块的3个全比较单元、通用定时器1、死区发生单元及输出逻辑可以很方便地生成三相六路SPWM波形。实际应用时在程序的初始化部分建立一个正弦表，设置通用定时器的计数方式为连续增计数方式，在中断程序中调用表中的值即可产生相应的按正弦规律变化的SPWM波。SPWM波的频率由定时时间与正弦表的点数决定。

　　SVPWM算法的部分代码如下：

　　PID调节算法

　　在实际控制中很多不稳定因素易造成增量较大，进而造成输出波形的不稳定性，因此必须采用增量式PID算法对系统进行优化。PID算法数学表达式为

Upresat(t)= Up(t)+ Ui(t)+ Ud(t)

　　其中，Up(t)是比例调节部分，Ui(t)是积分调节部分，Ud(t)是微分调节部分。

　　本文通过对A/D转换采集来的电压或电流信号进行处理，并对输出的SPWM波进行脉冲宽度的调整，使系统输出的电压保持稳定。

　　PID调节算法的部分代码如下：

　　频率检测算法

　　频率检测算法用来检测系统输出电压的频率。用TMS320F28335片上事件管理器模块的捕获单元捕捉被测信号的有效电平跳变沿，并通过内部的计数器记录一个周波内标频脉冲个数，*终进行相应的运算后得到被测信号频率。
三相SPWM变频电源

　　实验结果

　　测量波形

　　在完成上述硬件设计的基础上，本文采用特定的PWM控制策略，使逆变器拖动感应电机运行，并进行了短路、电机堵转等实验，证明采用逆变器性能稳定，能可靠地实现过流和短路保护。图8是电机在空载条件下，用数字示波器记录的稳态电压波形。幅度为35V，频率为60Hz。

图7 不规则采样法生成SPWM波原理图

图8 输出线电压波形

　　测试数据

　　在不同频率及不同线电压情况下的测试数据如表1所示。

表1 不同输出频率及不同线电压情况下实验结果

　　结果分析

　　由示波器观察到的线电压波形可以看出，波形接近正弦波，基本无失真；由表中数据可以看出，不同频率下，输出线电压*大的**误差只有0.6V，相对误差为1.7%。

　　本文设计的三相正弦波变频电源，由于采用了不对称规则采样算法和PID算法使输出的线电压波形基本为正弦波，其**误差小于1.7%；同时具有故障保护功能，可以自动切断输入交流电源。因此本系统具有电路简单、抗干扰性能好、控制效果佳等优点，便于工程应用，具有较大的实际应用价值。