基于DSP正弦脈寬調(diào)制的單相逆變電源研究[1]

1、收稿日期:2006203210作者簡介:董金發(fā)(1978-,男,湖北武穴人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槟孀兤鲾?shù)字控制及機(jī)電一體化技術(shù)。文章編號(hào):100923664(20060420033203研制開發(fā)基于DSP 正弦脈寬調(diào)制的單相逆變電源研究董金發(fā),王三武(武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,湖北武漢430070摘要:介紹了單相全橋逆變電源中單極性SP WM 調(diào)制方式的原理,并討論了用TI 公司的T MS2407A 來實(shí)現(xiàn)SP WM 的硬件電路和軟件算法的方法。最后通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果來說明SP WM 控制方法是可行的。關(guān)鍵詞:逆變器;I G BT;正弦脈寬調(diào)制中圖分類號(hào):T M464文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AResearch

2、 of the Single 2Phase Converter Based on DSP SP WMDONG J in 2fa,WANG San 2wu(W uhan University of Technol ogy,W uhan 430070,China Abstract:The paper intr oduces the p rinci p le of uni polar SP WM in the single 2phase full 2bridge converter,and describes the app licati on of the T M S2407A of TI com

3、pany t o realize the method of the SP WM hard ware circuit and s oft w are algorith m.Finally the feasibility of SP WM contr ol way are verified by the experi m ental result .Key words:converter;I G BT;SP WM0引言在數(shù)字控制技術(shù)高度發(fā)展的今天,如何給各種電子設(shè)備提供高質(zhì)量,高可靠性的電源已成為電力電子領(lǐng)域研究的重要課題;而逆變器作為電源的核心部分,它的調(diào)制技術(shù)在很大程度上決定了電源輸出電壓的

4、質(zhì)量?，F(xiàn)今主要以DSP 和I G BT 為核心來設(shè)計(jì)數(shù)字式逆變電源調(diào)節(jié)器,以取代現(xiàn)有的以晶閘管為功率元件的模擬控制的逆變電源調(diào)節(jié)器。借助于DSP 強(qiáng)大的運(yùn)算能力和豐富的外設(shè)來實(shí)現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制的數(shù)字控制算法,簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)。采用DSP 來實(shí)現(xiàn)逆變電源的數(shù)字控制,硬件電路簡單,程序編制方便。為了獲得比較理想的正弦波輸出,逆變器通常采用正弦脈寬調(diào)制(SP WM 方式。單相全橋式SP 2WM 逆變器,是由SP WM 正弦脈寬調(diào)制產(chǎn)生的開關(guān)控制信號(hào)去控制功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷。本文主要對(duì)單相全橋逆變電源的單極性SP WM 調(diào)制方式及用DSP 來實(shí)現(xiàn)單相逆變電源SP WM 控制進(jìn)行了分析研究。1系

5、統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可分為單極性和雙極性兩種類型,在開關(guān)頻率相同的情況下,由于雙極性SP WM 控制產(chǎn)生的正弦波,其中的諧波含量和開關(guān)損耗均大于單極性,故本系統(tǒng)采用的是單極性SP WM 控制。系統(tǒng)的單相逆變電源的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的三個(gè)驅(qū)動(dòng)子模塊如圖1、2所示。它采用的三個(gè)子模塊:由I P M 組成的功率模塊,由DSP2407組成的控制模塊及由各種電平變換芯片的電源供給模塊。I G BT 已成為大功率電力電子器件應(yīng)用的主流,并且其集成化和智能化水平越來越高。I P M 不僅包括基本的I G BT 開關(guān)單元和驅(qū)動(dòng)電路,還具有與外電路結(jié)合的保護(hù)控制功能。本系統(tǒng)I P M 采用富士電機(jī)的6MB I 15L

6、的I P M 模塊。I P M 的驅(qū)動(dòng)芯片采用了美國I nternati onal Rectifier (I R 公司的I R2130。其懸浮溝道的設(shè)計(jì)使其可以驅(qū)動(dòng)工作在母線電壓不高于600V 的電路中的I G BT,其內(nèi)部具有欠電壓保護(hù)功能,與外電路結(jié)合,可以方便地設(shè)計(jì)出過電流和過電壓保護(hù)并向CP U 提供故障中斷響應(yīng)信號(hào) 。圖1單相逆變電源主拓?fù)潆娐沸盘?hào)調(diào)節(jié)電路主要使用輸出信號(hào)通過傳感器采樣進(jìn)行,經(jīng)A /D 轉(zhuǎn)換后得到的采樣值。所以在控制算法33中整定采樣值時(shí)將得到采樣值序列。以此采樣的正弦波的采樣值序列與要發(fā)送的序列比較通過閉環(huán)P I控制來修正輸出的正弦波的精度,從而減小高次諧波,提高電

7、源的質(zhì)量。圖2系統(tǒng)的三個(gè)驅(qū)動(dòng)子模塊2單極性SP WM調(diào)制方式2.1單極性調(diào)制方式工作過程圖3中正弦波為調(diào)制波,三角波為載波,在調(diào)制波與載波的交點(diǎn)時(shí)刻控制各功率管S1S4的通斷。在輸出電壓uo 正半周,讓S4保持通態(tài),S3保持?jǐn)鄳B(tài),S1與S2交替通斷,即當(dāng)正弦波電壓大于三角波電壓時(shí), S1導(dǎo)通,S2截止;當(dāng)正弦波電壓小于三角波電壓時(shí), S2導(dǎo)通,S1截止,u o可以得到2E與0的2種電平。同樣在uo 負(fù)半周,讓S2保持通態(tài),S1保持?jǐn)鄳B(tài),當(dāng)三角波電壓大于正弦波電壓時(shí),S3導(dǎo)通,S4截止;當(dāng)三角波電壓小于正弦波電壓時(shí),S4導(dǎo)通,S3截止,uo就得到2E與0的2種電平。圖3單極性正弦波調(diào)制原理為了確

8、保電路的安全,必須保證每個(gè)橋臂中只能有上面三種情況的兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通,絕不容許有3個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通。但是,由于所采用的開關(guān)器件都不是理想的,開關(guān)管的開通和關(guān)斷都需要一定的時(shí)間。因此,必須對(duì)開關(guān)控制信號(hào)加入死區(qū)時(shí)間。從上面分析可知,一個(gè)橋臂中,控制信號(hào)只有兩個(gè)獨(dú)立的控制信號(hào)。S1和S4的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)是由2個(gè)具有同相位,同頻率,相同的峰值,且對(duì)稱分布的三角載波和一個(gè)正弦參考信號(hào)比較得到的。在三角載波和正弦波相交的時(shí)刻,如果正弦波的值大于載波的值,則開通相應(yīng)的開關(guān)器件,反之則關(guān)斷該器件。2.2利用D SP產(chǎn)生單極性調(diào)制方式P WM波形的原理利用T MS320F2407A的E V(事件管理模塊中的全比較

9、單元,可以產(chǎn)生單個(gè)功率管的控制電壓。三角波的獲得是將事件管理器計(jì)數(shù)模式設(shè)置為連續(xù)增減計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)器的周期是載波周期的二分之一。SP WM波的獲得是在DSP事件管理器的比較單元工作時(shí),通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)器TxCNT的值與比較寄存器C MPRx 的值不斷進(jìn)行比較,當(dāng)二者匹配時(shí),P WM電路按照輸出邏輯輸出如圖4所示的二路極性相反的P WM 波。只要在每個(gè)脈沖周期根據(jù)在線計(jì)算改寫比較寄存器的值 ,就可實(shí)時(shí)改變脈沖占空比。圖4對(duì)稱SP WM產(chǎn)生原理2.3系統(tǒng)的D SP實(shí)現(xiàn)T MS320LF2407A的事件管理器模塊EV,能夠?qū)崿F(xiàn)P WM對(duì)稱和非對(duì)稱波形。P WM的生成由主程序和定時(shí)器下溢中斷服務(wù)子程序構(gòu)成

10、,DSP實(shí)現(xiàn)SP WM 控制單相逆變器的控制主程序框圖見圖5。對(duì)稱的規(guī)則采樣P WM法比較簡單,適合于數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn),它的原理是在三角載波的峰點(diǎn)(谷點(diǎn)的時(shí)刻采樣正弦波調(diào)制信號(hào)而形成的波形,采樣周期為三角載波的周期。用DSP實(shí)現(xiàn)SP WM控制的過程中,主要是計(jì)算各個(gè)載波周期內(nèi)的開關(guān)時(shí)間。圖6是計(jì)算載波周期內(nèi)開關(guān)時(shí)間的中斷程序流程圖。中斷程序主要就是計(jì)算載波周期內(nèi)的開關(guān)的時(shí)間。而通斷的開關(guān)時(shí)間通過預(yù)先將設(shè)定好的正弦值制成表格預(yù)存在EPROM中。開關(guān)信號(hào)是利用正弦波參考信號(hào)與一個(gè)三角載波信號(hào)互相比較來生成的。2.4正弦數(shù)據(jù)表正弦數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù),是用C語言程序產(chǎn)生的,并以DSP可以識(shí)別的格式輸出。編寫控制

11、程序時(shí),數(shù)據(jù)以表格的形式存放在程序存儲(chǔ)器中。在程序運(yùn)行時(shí),需要從程序存儲(chǔ)器中讀到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中,以便于程序告訴運(yùn)行,這是由表讀指令完成的。具體的實(shí)現(xiàn)是采用間接查表的方法,將一周期參考波等分為4N份,N越大,正弦表的精度越高。該系統(tǒng)中,N=100。在程序存儲(chǔ)器內(nèi)專門建立一個(gè)正弦表存儲(chǔ)090°的N個(gè)正弦值。在軟件中根據(jù)既定的步長和采樣時(shí)間間隔,將給定正弦值離散為400個(gè)點(diǎn),存放在程序存儲(chǔ)器中。程序運(yùn)行時(shí),讀到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,作為正弦值給定。并在正弦表中查出其對(duì)應(yīng)的位置,再根據(jù)查表法讀出對(duì)應(yīng)的正弦絕對(duì)值,最后由所在的象限判斷正負(fù)號(hào)處所要的正弦值。43通信電源技術(shù)2006年7月25日第23卷第4期

12、董金發(fā)等:基于DSP正弦脈寬調(diào)制的單相逆變電源研究Telecom Power Technol ogiesJul.25,2006,Vol.23No. 4圖5主程序框圖圖6中斷流程圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖7為逆變器輸出信號(hào)經(jīng)過LC濾波器的電壓波形。實(shí)驗(yàn)采用單極性調(diào)制方式的單相全橋SP WM逆變電源。它的輸入交流電壓Ui=220V,輸出額定電壓為Uo=100V,輸出電壓頻率為50Hz,開關(guān)頻率為20kHz。該電壓通過兩路與非門形成相位相反的互補(bǔ)信號(hào)?；パa(bǔ)信號(hào)再經(jīng)過硬件電路構(gòu)成的死區(qū)電路后形成逆變器橋4個(gè)功率管所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào) 。圖7單相逆變電源的輸入波(100V50Hz4結(jié)束語上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,單極性SP W

13、M方法能滿足一般電源系統(tǒng)要求而且它的諧波也比較小,因此對(duì)它進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)比較容易實(shí)現(xiàn)。單相逆變器是三相逆變器的基礎(chǔ),它在高性能中高電壓的變頻調(diào)速,太陽能并網(wǎng)發(fā)電裝置等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí),DSP芯片T MS320LF2A07A具有多路P WM輸出和可編程的死區(qū)時(shí)間控制,因此,在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電力電子領(lǐng)域的控制中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。采用這樣高性能的DSP芯片是目前對(duì)逆變器進(jìn)行數(shù)字化控制的一個(gè)必然趨勢(shì)。參考文獻(xiàn):1劉風(fēng)君.正弦波逆變器M.北京:科學(xué)出版社,2002.2王兆妥.電力電子技術(shù)(第4版M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.3清源科技.T MS320LF240x DSP應(yīng)用程序設(shè)計(jì)教程M.

14、北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.4劉和平.T M S320LF240X DSP C語言開發(fā)應(yīng)用M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.(上接第28頁此電路就可以在低成本的基礎(chǔ)上達(dá)到比較好的功率因數(shù)校正效果。參考文獻(xiàn):1李崇建.通信電源技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)量M.北京:北京郵電大學(xué)出版社,2001.2張衛(wèi)平等,綠色電源現(xiàn)代電能變換技術(shù)及應(yīng)用M.北京:科學(xué)出版社,2001.3周志敏,周紀(jì)海,紀(jì)愛華.開關(guān)電源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用M.北京:人民郵電出版社,2004.4劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)M.北京:電子工業(yè)出版社,2001.5L l oyd D ixon.H igh Power Fact or Preregulat ors f or Off2L inePower Supp liesJ.Unitr ode Power Supp ly Design Se m inarM anual SE M600,1988,6:1216.6L l oyd D ixon.Contr ol Loop DesignJ.Unitr ode Se m inarHandbook