基於SPWM控制全數字單相變頻器的設計及實現

2021-01-08 電子產品世界

本文介紹了基於DSPTMS320LF2407A並使用SPWM控制技術的全數字單相變頻器的設計及實現方法，最後給出了實驗波形。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/227100.htm

常見的AC/DC/AC變頻器，是對輸出部分進行變頻、變壓調節，而且在多種逆變控制技術中，應用最廣泛的一種逆變控制技術是正弦脈寬調製(SPWM)技術。在變頻調速系統中，應用DSP作為控制晶片以實現數位化控制，它既提高了系統可靠性，又使系統的控制精度高、實時性強、硬體簡單、軟體編程容易，是變頻調速系統中最有發展前景的研究方向之一。

TMS320LF2407A晶片簡介

TMS320LF2407A 是TI公司專為電機控制而設計的單片DSP控制器。它具有高性能的C2XLP內核，採用改進的哈佛結構，四級流水線操作，它不僅具備強大高速的運算能力，而且內部集成了豐富的電機控制外圍部件，如事件管理器EVA、EVB各包括3個獨立的雙向定時器;支持產生可編程的死區控制PWM輸出;4個捕獲口中的2 個可直接連接來自光電編碼器的正交編碼脈衝;2個獨立的10位8路A/D轉換器可同時並行完成兩個模擬輸入的轉換;片內的串行通信接口可用於與上位機通信;片內串行外設口用於與外設之間通信;40個可獨立編程的復用I/O口可以選配成鍵盤輸入和示波器顯示的輸入/輸出口。這些為實現交流電機變頻調速控制提供了極大的便利。

系統總體方案及硬體電路

圖 1為系統硬體框圖。在本系統中，以TMS320LF2407A為主要控制晶片，逆變器採用SPWM調製控制方式實現變頻控制算法，系統硬體由主電路、顯示電路、鍵盤輸入電路以及檢測與保護電路等組成。DSP首先從鍵盤採集需要的頻率信號，接著通過運算產生相應的SPWM信號，通過光耦傳給驅動電路再控制逆變橋中的功率管導通與關斷，同時採集主電路中的有關信號並判斷有無故障輸出。若有故障則關斷DSP的SPWM輸出，從而關斷主電路。

1、主電路組成

圖2為系統的主電路，由整流電路、濾波電路和逆變電路3部分組成。整流電路為三相不可控整流橋，由它將380 V、50 Hz交流電整流變換成脈動直流電。電路中採用濾波電容進行濾波，濾去電壓紋波，同時濾波電容還在整流電路與逆變器之間起去耦作用，以消除相互幹擾。整流後的直流電壓平均值為UO=1.35U2≈1.4U2=540 V。U2為交流側電壓有效值。考慮到輸入三相電有10%的波動，所以UO=500～560 V。主電路圖中的功率器件G1、G2、G3、G4表示是IGBT器件，其型號是MG50Q2YS40，耐壓值為1 200 V，控制電壓為土20 V，電流為50 A。R1為限流電阻，防止衝擊電流對IGBT的損害。L1、L3為共模濾波器，HL1、HL2為電流霍爾元件，其作用為檢測主電路的電流值，作為保護電路的輸入信號;另外還用到電壓霍爾元件，檢測電壓值，作為保護電路的輸入信號和電壓反饋信號，組成電壓負反饋。採用SPWM技術控制的4個IGBT進行逆變，輸出的交流電經過變壓器變壓後，再用LC濾波器進行濾波，輸出220 V頻率可變的交流電。

2、驅動與保護電路

圖 3為驅動電路原理。本系統逆變電路功率器件採用IGBT晶片，因此驅動電路選用4片三菱公司生產的驅動模塊M57962L。該驅動模塊為混合集成電路，將 IGBT的驅動和過流保護集於一體。圖3中M57962L的13腳接DSP的PWMl(其他3片M57962L分別接PWM2、PWM3、 PWM4)，14腳接地，1、6腳分別接電源。另外，M57962L採用的是低電壓驅動，即只有13腳輸入負電位時才能驅動M57962L。這樣做的優點在於防止出現幹擾，當出現幹擾波形時，採用低電平驅動的M57962L不能驅動。另外在關斷過程中，如果電壓變化過大，則會產生擎住現象，使IGBT失控，引起上下橋臂直通，因此，採用RC緩衝電路來抑制過電壓和電壓變化率du/dt。

系統的數字實現

系統逆變器部分採用SPWM規則採樣算法，其基本思想是使輸出的脈衝按正弦規律變化，這樣降低輸出電壓中的諧波分量，使輸出電壓更接近於正弦波。為了便於數字實現，用規則採樣法生成SPWM脈衝序列，其原理如圖4所示。因為三角載波頻率比正弦波頻率高很多，所以將三角載波uc的一個周期內的正弦調製波ut看作不變，這樣在一個三角波周期，只需在B點取樣一次，便可使生成的SPWM脈衝中點與對應三角波的中點(A點)重合，從而使SPWM脈衝的計算大為簡化。設uc的幅值為1，正弦調製信號ut=Msinωtt，其中O≤M1(M為調製度)。由於△ABC～△EDA，故有：

正弦函數值採用查表的方式求出。另外在每段的同步調製中取N為3的倍數。

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