基於TMS320F2812的逆變電源控制器設計

摘要：隨著用電設備對高品質的電源和電能質量的需求日益增多，高性能逆變電源的研究越來越受到關注。首先介紹了逆變電源技術的發展現狀，在介紹了晶片的特性之後，詳細分析了基於TMS320F2812逆變電源控制器的硬體和軟體設計，並對仿真結果進行分析總結。結果表明，該逆變電源能夠得到穩定的正弦波輸出。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/235831.htm

關鍵詞：TMS320F2812;逆變電源;控制器;正弦波

在電力電子技術的應用及各種電源系統中，逆變電源技術均處於核心地位。逆變電源是一種採用開關方式的電能變換裝置，它從交流或直流輸入獲得穩壓、穩頻的交流輸出。近年來，現代逆變電源越來越趨向於高頻化，高性能，模塊化，數位化和智能化。

文中研製的逆變電源控制系統以TMS320F2812作為控制核心，它是一種支持實時仿真的32位微控制器，內部具有UART、SCI總線、SPI總線、PWM、定時器、ADC、CAN總線控制器等眾多外圍部件，功能強大。主要實現PWM產生、AD轉換、DA轉換、SCI、開關量檢測、繼電器驅動以及其他信號控制。

1 基於TMS320F2812逆變電源的總體設計

1.1 DSP控制器TMS320F2812性能

TMS320F2812晶片是TMS320C28x系列中的一種，它採用先進的改進型哈佛結構，其程序存儲器和數據存儲器具有各自的總線結構，從而它的處理能力達到最大;它的指令執行速度為150 MIPS，這種高性能使複雜控制算法的實時執行成為可能。同時，其CPU支持基於C/C++編程，很大程度上減輕了開發者的負擔。TMS320F2812晶片的主要性能如下：

1)高性能靜態CMOS(Srate CMOS)技術

時鐘頻率為150 MHz，時鐘周期為6.67 ns。

低功耗(核心電壓1.8V，I/O口電壓和flash編程電壓均為3.3 V)

2)高性能32位中央處理器

32位算術邏輯單元(ALU)，可得64位計算結果，哈佛總線結構，八級流水線，獨立存儲器空間，可達4 M字的程序地址和數據地址

3)片內存儲器和外部存儲器接口

片內存儲器包含：128 k Flash存儲器，1 k OTP型只讀存儲器，18 k SARAM

外部存儲器接口包括：多達1M的存儲器，可編程等待狀態數，可編程讀寫選通(Strobe Timing)，3個獨立的片選端

4)最多有56個獨立的可編程、多用途輸入輸出(GPIO)引腳

5)豐富的串口外圍設備

串行外圍接口SPI，採用標準的UART的串行通信接口SCIS，改進的區域網路eCAN以及多通道緩衝串行接口McBSP

1.2 電源總體結構

本文研究的是基於TMS320F2812的電源系統，系統總體結構由主電路和控制電路組成，系統總體結構圖如圖1所示。

 

 

1.3 主迴路結構

主迴路由兩大部分組成：整流濾波電路和三相全橋逆變電路。整流濾波電路將三相交流電變成直流電，三相全橋逆變電路將直流電變成三相交流電。主迴路結構示意圖如圖2所示。

 

 

圖中U、V、W為三相交流電源輸入，採用了三相可控整流電路，通過改變直流母線電壓的方式來改變輸出脈衝的電壓。整流部分採用了2組晶閘管整流模塊，分別為逆變器輸出的正脈衝和負脈衝供電。通過控制晶閘管的觸發角就能控制直流母線電壓。逆變電路是該系統的核心部分，輸出脈衝的頻率、佔空比、脈衝個數、死區時間、加工模式以及加工時間段都是通過逆變電路進行控制。

2 控制系統硬體設計

2.1 控制器的組成

控制器以TMS320F2812數位訊號處理器為主控晶片，主要實現PWM產生、AD轉換、DA轉換、SCI、開關量檢測、繼電器驅動以及其他信號控制。

A/D轉換部分：信號前端處理，分別採集正負脈衝電壓值和電流值

D/A轉換部分：將設置值轉換為晶閘管的觸發角，並把該值送到相應的晶閘管模塊

輸入輸出部分：產生一些輸入和輸出信號，主要是PWM、開關量以及繼電器驅動

控制器總體結構示意圖如圖3所示。

 

 

2.2 IGBT的選型

逆變電路承擔功率輸出的任務。每一個橋臂上採用多個較小開關容量的IGBT進行並聯，用多組IGBT實現脈衝功率信號的輸出。

2.2.1 IGBT額定電壓UCEP的確定

IGBT位於逆變橋上，其輸入端與電力電容並聯，起到了緩衝波動和幹擾的作用，因此，在設計時可以適當的降低安全欲量。最大集射間電壓為：

 

 

式中，1.1為過電壓保護係數;α為安全係數，一般取1.1;100為di/dt引起的尖峰電壓。

選取時必須使額定電壓UCEP≥UCESP，考慮到IGBT的實際電壓等級，這裡取UCEP=1 700 V。

2.2.2 IGBT額定電流IC的確定

流過IGBT的最大峰值電流為：

 

 

式中，Id(max)為最大平均電流;α為輸出脈衝的佔空比，α=0.1時為最小佔空比，ICM為最大峰值電流。最大峰值電流持續的時間為10 ms。考慮到電源輸出的平均電流較小，而峰值電流持續的時間短的特點，本設計選用德國英飛凌公司的IGBT模塊，型號：FF1200R17KE3(其耐壓值為1 700 V，額定電流1 200 A)。

3 控制系統軟體設計

3.1 軟體的總體結構

軟體部分主要包括SPWM的產生、A/D轉換、PID調節、軟啟動和保護。基於TMS320F2812的控制電路是電源系統的核心，電源輸出的正負脈衝個數、佔空比、頻率、加工時間、工作方式、加工時間段等參數都是由該控制電路的軟體實現。通過正弦脈寬調製技術控制三相橋式逆變器，使其輸出頻率可調、幅值穩定的三相正弦電壓。下面主要介紹主程序模塊和SPW產生模塊。

 

 

在主程序中，需檢測系統是否出現過壓、欠壓、過流故障，如果出現則把相應的標誌寄存器置位，當查詢到故障標誌置位後，切除故障源。主程序流程圖如圖4所示。

3.2 PWM生成原理

為了產生PWM信號，使用一個定時器來重複PWM的周期，用一個比較寄存器來存放調製值。定時器計數器的值不斷地與比較寄存器進行比較，當兩值匹配時，相關輸出產生從低到高(或從高到低)的變化。當第二次匹配產生或周期結束時，相關引腳會產生另一個變化(從高到低或從低到高)。輸出信號的變化時間由比較寄存器的值決定。這個過程在每個定時器周期按照比較寄存器不同的值重複，這樣便產生了PWM信號。

3.3 仿真設計

在DSP開發環境中測試三相全控整流電路輸出電壓波形，負載兩端電壓波形。輸出5個正脈衝、佔空比50%，5個負脈衝、佔空比90%時的DSP輸出的波形和逆變器帶負載時的波形如圖5、6所示。

 

 

 

 

從圖中可以看出電源利用TMS320F2812中的事件管理器，採用SPWM調製的方式，逆變器輸出信號接近於標準的正弦波。加上負載後電壓波形出現了畸變，這是由於整流後濾波電容充放電的結果。

4 結束語

本文概述了逆變電源的數字控制策略，分析了各自的優缺點，並詳細介紹了基於TMS320F2812的主迴路和控制迴路的硬體和軟體設計。結合TMS320F2812事件管理器EV單元，採用正弦脈寬調製(SPWM)技術，通過對SPWM程序進行設計和改進算法，可以有效的調節逆變電源輸出的頻率和有效值。通過對系統的逐漸完善，可進一步提高電源的可靠性和穩定性。