PWM控制電路的基本構(gòu)成及工作原理

1、基于DSP的三相SPWM變頻電源的設(shè)計(jì)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(gè)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(jiǎn)潔等顯著優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。變頻電源的整個(gè)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(shí)現(xiàn)了基于TMS320F28335的變頻電源數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)有效利用TMS320F28335豐富的片上硬件資 源，實(shí)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(yùn)算速度快、精度高、靈活性好、 系統(tǒng)擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)總體介紹根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，變頻電源可分為

2、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(guò)程。首先通過(guò)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(jí)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(diǎn)數(shù)字信號(hào)控制器 TMS320F28335，它具有150MHz高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，單指令周期 32位累加運(yùn)算，可滿足應(yīng)用對(duì)于更快代碼 開發(fā)與集成高級(jí)控制器的浮點(diǎn)處理器性能的要求。與上一代領(lǐng)先的數(shù)字信號(hào)處理器相比，最新的F2833x浮點(diǎn)控制器不僅可將性能平均提升50%，還具有精度更高、簡(jiǎn)化軟件開發(fā)、兼容定點(diǎn)C28x

3、TM控制器軟件的特點(diǎn)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。1 »*更2 *起卜一AW"an3 i17初電卅圖1系統(tǒng)總體框圖（1 ）整流濾波模塊：對(duì)電網(wǎng)輸入的交流電進(jìn)行整流濾波，為變換器提供波紋較小的直流電壓。（2）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(jí)采用智能型IPM功率模塊，具有電路簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)。（3）LC濾波模塊：濾除干擾和無(wú)用信號(hào)，使輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。（4） 控制電路模塊：檢測(cè)輸出電壓、電流信號(hào)后，按照一定的控制算法和控制策略產(chǎn)生S3WM控制信號(hào)，去控制IPM開關(guān)管的通斷從而保持輸出電壓穩(wěn)定，同時(shí)通過(guò)SPI接口完成對(duì)輸入電壓信號(hào)、電流信號(hào)的程控調(diào)理。捕

4、獲單元完成對(duì)輸出信號(hào)的測(cè)頻。（5）電壓、電流檢測(cè)模塊：根據(jù)要求，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)線電壓及相電流的變化，所以需要三路電壓檢測(cè)和三路電流檢測(cè)電路。所有的檢測(cè)信號(hào)都經(jīng)過(guò)電壓跟隨器隔離后由TMS320F28335的A/D通道輸入。（6）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(jì)變頻電源的硬件電路主要包含 6個(gè)模塊：整流電路模塊、IPM電路模塊、IPM隔離驅(qū)動(dòng)模塊、輸出濾波模塊、電壓檢測(cè)模塊和TMS320F28335數(shù)字信號(hào)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

5、二極管和吸收負(fù)載感性無(wú)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(jí)驅(qū)動(dòng)器及保護(hù)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(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，驅(qū)動(dòng)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(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)。本文選用的IPM是

6、日本富士公司的型號(hào)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(shí)間為3 sIPM隔離驅(qū)動(dòng)模塊由于逆變橋的工作電壓較高，因此DSP的弱電信號(hào)很難直接控制逆變橋進(jìn)行逆變。 美國(guó)國(guó)際整流器公司生產(chǎn)的三相 橋式驅(qū)動(dòng)集成電路IR2130,只需一個(gè)供電電源即可驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變電路的6個(gè)功率開關(guān)器件。IR2130驅(qū)動(dòng)其中1個(gè)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(dòng)的懸浮電源存儲(chǔ)能量，D1可防止上橋臂導(dǎo)通時(shí)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(dòng)電阻，一般可 采用十到

7、幾十歐姆。R3和R4組成過(guò)流檢測(cè)電路，其中R3是過(guò)流取樣電阻，R4是作為分壓用的可調(diào)電阻。IR2130的HIN1HIN3、LIN1LIN3 作為功率管的輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)與 TMS320F8335的PWM連接，由TMS320F8335控制產(chǎn)生PWM 控制信號(hào)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(hù)中斷， 在中斷程序中封鎖PWM信號(hào)。陰R&J豐旣S人雷rJLI-V圖3 IR2130驅(qū)動(dòng)其中1個(gè)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

8、 LC濾波電路，其中截止頻率取基波頻率的 4.5倍，L=12mH，C=10（iF。電壓檢測(cè)模塊電壓檢測(cè)是完成閉環(huán)控制的重要環(huán)節(jié)，為了精確的測(cè)量線電壓，通過(guò) TMS320F28335的SPI總線及GPIO 口控制對(duì) 輸入的線電壓進(jìn)行衰減 倣大的比例以滿足A/D模塊對(duì)輸入信號(hào)電平（0-3V）的要求。電壓檢測(cè)模塊采用256抽頭的數(shù)字電 位器AD5290和高速運(yùn)算放大器AD8202組成程控信號(hào)放大/衰減器，每個(gè)輸入通道的輸入特性為 1MD輸入阻抗+30pF。電壓檢測(cè)模塊電路原理圖如圖4所示。圖4電壓檢測(cè)電路原理圖系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電后按照選定的模式自舉加載程序，跳轉(zhuǎn)到主程序入口，進(jìn)行相關(guān)變量、控制寄存

9、器初始化設(shè)置和正弦表初始化等工作。接著使能需要的中斷，啟動(dòng)定時(shí)器，然后循環(huán)進(jìn)行故障檢測(cè)和保護(hù)，并等待中斷。主要包括三部分內(nèi)容：定時(shí)器周期中斷子程序、A/D采樣子程序和數(shù)據(jù)處理算法。主程序流程圖如圖 5所示。LEV海和牴匕A/PWift)圖5主程序流程圖定時(shí)器周期中斷子程序主要進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，更新占空比，產(chǎn)生SPWM波。定時(shí)器周期中斷流程圖如圖6所示甫21斷杯W耽電更辛桿櫚好lUiLiASLKfd 冒11ji,圖6定時(shí)器周期中斷流程圖A/D采樣子程序主要完成線電流采樣和線電壓采樣。為確保電壓與電流信號(hào)間沒有相對(duì)相移，本部分利用TMS320F28335片上ADC的同步采樣方式。為提高采樣精度，在 A

10、/D中斷子程序中采用均值濾波的方法。對(duì)A相電壓和電流A/D的同步采樣部分代碼如下：interruipt void adc：_ir(uuid)<If (co un?terQ)1 - ftin；RFg5.fir)i：RFsuLTe>>4； 右摂S3位j*J -.hDCRC£ULT1»J!i; #/若移四隹If <couo>tpr>=l)< "對(duì)結(jié)杲取平均.平滑遼波 receiueai8_datai* - (receiuea O_data i 0* (AdcRegs Al>CRESULTO>>U)i J/2 ;

11、 receiwF_t>n_data j*J - <rp£iue_hj fl+ +J * tricegs , R&CRESULT1 j J/2 ;if1-0-ifl-fl;If( |-r=512) JbH； jn-fl; eounter*+ : ftdcRe(|S.iftDGTR：L?.bit,RSr_SEai - 1； / dcRrg3.10CSrbit: mT_SE(!T_GLR - 1;PieCtrlRegs P】Ei*GH m5 Pl EACK_GR0IIP1 ;/數(shù)據(jù)處理算法本系統(tǒng)主要用到以下算法：（1）SVPWM算法（2）PID調(diào)節(jié)算法（3）頻率檢測(cè)算法

12、SVPWM算法變頻電源的核心就是SVPWM波的產(chǎn)生，SPWM波是以正弦波作為基準(zhǔn)波（調(diào)制波），用一列等幅的三角波（載波） 與基準(zhǔn)正弦波相比較產(chǎn)生PWM波的控制方式。當(dāng)基準(zhǔn)正弦波高于三角波時(shí)，使相應(yīng)的開關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)基準(zhǔn)正弦波低 于三角波時(shí)，使相應(yīng)的開關(guān)器件截止。由此，逆變器的輸出電壓波形為脈沖列，其特點(diǎn)是：半個(gè)周期中各脈沖等距等幅 不等寬，總是中間寬，兩邊窄，各脈沖面積與該區(qū)間正弦波下的面積成比例。這種脈沖波經(jīng)過(guò)低通濾波后可得到與調(diào)制波同頻率的正弦波，正弦波幅值和頻率由調(diào)制波的幅值和頻率決定。本文采用不對(duì)稱規(guī)則采樣法，即在三角波的頂點(diǎn)位置與低點(diǎn)位置對(duì)正弦波進(jìn)行采樣，它形成的階梯波更接近正弦波。

13、 不規(guī)則采樣法生成SPWM波原理如圖7所示。圖中，Tc是載波周期，M是調(diào)制度，N為載波比，Ton為導(dǎo)通時(shí)間。由圖7得：Tort I 【七卅剔尺彳；'IA =山乙M 一 2）Tok =4- Jtfii fi與桃二 I, J.5 2W - 2）當(dāng)k為偶數(shù)時(shí)代表頂點(diǎn)采樣，k為奇數(shù)時(shí)代表底點(diǎn)采樣。SVPWM算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程：利用F28335內(nèi)部的事件管理器模塊的3個(gè)全比較單元、通用定時(shí)器1、死區(qū)發(fā)生單元及輸出邏輯可以很方便地生成 三相六路SPWM波形。實(shí)際應(yīng)用時(shí)在程序的初始化部分建立一個(gè)正弦表，設(shè)置通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)方式為連續(xù)增計(jì)數(shù)方 式，在中斷程序中調(diào)用表中的值即可產(chǎn)生相應(yīng)的按正弦規(guī)律變化的SPW

14、M波。SWM波的頻率由定時(shí)時(shí)間與正弦表的點(diǎn)數(shù)決定。SVPWM算法的部分代碼如下:void InitEvfvciid)I.GPAroK rall-exBOF f;EOIS；EuaRpgS-FtilAIFRfi.all 0KFFFF : / 倩昧中斷標(biāo)志EvaHcjJiSilFHZ亍創(chuàng)定"町半乍J5翩審定日寸B.Muy送號(hào)00勺1EwaRegs.TICMPR： - MFWM； "t£較値冊(cè)§牝EVRfgs.TlCNT - D； EuaRpg5.T1CDN.-all - QXF5HE； "塔慎式.T PSB 0M/32-2 * 5 M b+EidiR

15、CTRll = 0x906;EUdFlE!g.DBTUONA<.dll 刃耳聊3鼻,"妓咬死區(qū)定對(duì)第分頻80M/3Z-Z-5M,死區(qū)壓：/* B)5*D«4itl£-ZLJ:5EujAtigg.COHCONft.jll DkAADO; 庚投制毎存蓄EuaReps .EURlMRAi ？ilL = WOMQ 匚PID調(diào)節(jié)算法在實(shí)際控制中很多不穩(wěn)定因素易造成增量較大，進(jìn)而造成輸出波形的不穩(wěn)定性，因此必須采用增量式PID算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。PID算法數(shù)學(xué)表達(dá)式為Upresat(t)= Up(t)+ Ui(t)+ Ud(t)其中，Up(t)是比例調(diào)節(jié)部分，Ui(t)

16、是積分調(diào)節(jié)部分，Ud(t)是微分調(diào)節(jié)部分。本文通過(guò)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換采集來(lái)的電壓或電流信號(hào)進(jìn)行處理，并對(duì)輸出的2WM波進(jìn)行脈沖寬度的調(diào)整，使系統(tǒng)輸出的電壓保持穩(wěn)定。PID調(diào)節(jié)算法的部分代碼如下:Float PIDCalcf PID *pp, int HextPoint )<int (JErr or .Error:Error=pp->SetPoint*10-NextPoint: / 偏差 pp->SumError+- Error: / 積分 dError"pp->La5tError-pp->PrevError ； / 當(dāng)前微分 pp->PrevError

17、= pp->LastError;pp->LastError = Error;return(pp->Proportion) * Error / 比例項(xiàng)+ (pp->Integral) * (pp->SumError) / 積分項(xiàng)+ (pp->Deriuatiue) * dError); / 橄分加頻率檢測(cè)算法頻率檢測(cè)算法用來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)輸出電壓的頻率。用TMS320F28335片上事件管理器模塊的捕獲單元捕捉被測(cè)信號(hào)的有效電平跳變沿，并通過(guò)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器記錄一個(gè)周波內(nèi)標(biāo)頻脈沖個(gè)數(shù)，最終進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算后得到被測(cè)信號(hào)頻率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量波形在完成上述硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文

18、采用特定的PWM控制策略，使逆變器拖動(dòng)感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行，并進(jìn)行了短路、電機(jī)堵轉(zhuǎn)等實(shí)驗(yàn)，證明采用逆變器性能穩(wěn)定，能可靠地實(shí)現(xiàn)過(guò)流和短路保護(hù)。圖8是電機(jī)在空載條件下，用數(shù)字示波器記錄的穩(wěn)態(tài)電壓波形。幅度為 35V，頻率為60Hz。圖7不規(guī)則采樣法生成SPWM波原理圖圖8輸出線電壓波形測(cè)試數(shù)據(jù)在不同頻率及不同線電壓情況下的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示表1不同輸出頻率及不同線電壓情況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果勘臓電幾n>相時(shí)謹(jǐn)越g1雋曲絶劉溟蔓4029.50+5a on祐亦0,1aw50也4仇fi口 »I250302St.fi0,1aoia:Mi35,4D.&a on汕ift.fi0+4<L OOA70.40Tt>0.020屈版7仇工fl. MR50福50.50. U1090302權(quán)0.