摘要：本文鉴于变频电源具有运算速度快、精度高、灵活性好、系统扩展能力强等一系列的优点，而提出了一种基于DSP的三相SPWM变频电源控制管理系统的设计的具体方案，该方案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，其绝对误差小于1.7%;同时具有故障保护功能，可以自动切断输入交流电源。通过实验验证了本方案所设计的电路简单、抗干扰性能好、控制效果佳从而具有较大的实际应用价值。

  变频电源作为电源系统的重要组成部分，其性能的优劣必然的联系到总系统的安全和可靠性指标。现代变频电源以低功耗、高效率、电路简洁等显着优点而备受青睐。变频电源的整个电路由交流-直流-交流-滤波等部分构成，输出电压和电流波形均为纯正的正弦波，且频率和幅度在一些范围内可调。

  本文介绍了基于DSP的三相SPWM变频电源控制管理系统的设计的具体方案，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。

  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高速解决能力，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高级控制器的浮点CPU性能的要求。与上一代领先的数字信号处理器相比，最新的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。

  （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。其中功率级采用智能型IPM功率模块，具有电路简单、可靠性高等特点。

  （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方面的要求的直流电源，以保证系统工作稳定可靠。

  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。

  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。

  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，但驱动电流比较大；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，很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,最小死区导通时间为3μs.

  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，如果出现故障则触发功率保护中断，在中断程序中封锁PWM信号。

  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。为了能够更好的保证输出电压为纯正的正弦波，一定要采用输出滤波器。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.

  电压检测是完成闭环控制的重要环节，为了精确的测量线的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。

  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，进行有关变量、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。最重要的包含三部分内容：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。

  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。

  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。

  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

  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。

  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。

  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，因此一定要采用增量式PID算法对系统来进行优化。PID算法数学表达式为

  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做处理，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。

  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，最终进行一定的运算后得到被测信号频率。

  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，证明采用逆变器稳定性很高，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.

  由示波器观察到的线电压波形能够准确的看出，波形接近正弦波，基本无失真；由表中数据能够准确的看出，不同频率下，输出线电压最大的绝对误差只有0.6V,相对误差为1.7%.

  本方案所设计的三相正弦波变频电源控制管理系统，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，其绝对误差小于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。

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