基于數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407實(shí)現(xiàn)SPWM變頻電源數(shù)字控制設(shè)計(jì)

基于數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407實(shí)現(xiàn)SPWM變頻電源數(shù)字控制設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)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。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)。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(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TMS320LF2407所需要的電平，接至TMS3201F2407的A/D轉(zhuǎn)換口。通過(guò)鍵盤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。2SPWM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)方面所涉及的沒計(jì)和算法。2.l基準(zhǔn)正弦電壓信號(hào)的生成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。有如圖關(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。2.1.1實(shí)時(shí)改變定時(shí)時(shí)間假設(shè)fS=400Hz，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0.5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回推出開關(guān)頻率，則有fc=62x400=24.8kHz，這樣確定的開關(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=20MHz為時(shí)鐘頻率，開關(guān)頻率25kHz時(shí)可得定時(shí)時(shí)間T為40μs，T1PR為400;而開關(guān)頻率為24.8kHz時(shí)可得定時(shí)時(shí)間T為40.65μs，