基于DSP的大功率三相逆變電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任 賢，王紅燕

（山西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030021）

近年來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電力電子變頻技術(shù)較為成熟。逆變電源運(yùn)用先進(jìn)的功率電子器件和高頻逆變技術(shù)，使傳統(tǒng)的工頻整流電源的材料減少80%～90%，節(jié)能20%～30%，動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度提高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。這種電源正在以極高的速度向著高頻化、輕量化、模塊化、智能化和大容量化方向發(fā)展。大功率逆變技術(shù)在機(jī)械工程、電信、能源、交通運(yùn)輸、軍事裝備、材料工程以及電站鍋爐等離子體點(diǎn)火和垃圾焚燒處理等領(lǐng)域，應(yīng)用愈來愈廣泛，對(duì)相關(guān)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)設(shè)備更新改造和技術(shù)升級(jí)換代，以及高新技術(shù)的發(fā)展，起到了重要的促進(jìn)作用。

由于大功率逆變電源的應(yīng)用越來越廣，需求越來越大，而且技術(shù)難度大，因此研究三相大功率逆變電源，具有廣泛的應(yīng)用前景和普遍的現(xiàn)實(shí)意義。高速開關(guān)器件、高性能的控制器件和先進(jìn)的控制策略相結(jié)合，是大功率逆變電源發(fā)展的主流趨勢(shì)。以高頻電力電子開關(guān)變換理論為基礎(chǔ)，采用智能功率模塊IPM、基于DSP的控制電路和SPWM控制方式相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的中頻靜變電源，以其大功率為顯著特點(diǎn)，可作為雷達(dá)等裝備的維修電源。另外還可應(yīng)用于其他需要400 Hz單相、三相中頻電源的場(chǎng)合。

該電源具有以下特點(diǎn)：體積小，凈質(zhì)量小，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，高效節(jié)能，噪聲低，維護(hù)時(shí)間短，勞動(dòng)強(qiáng)度低，易控制，通用性強(qiáng)。

1 相關(guān)理論和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

逆變電源是電力電子技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，伴隨著電力電子器件大容量、高頻化、易驅(qū)動(dòng)、智能模塊化的飛速發(fā)展，大功率逆變器的發(fā)展也日趨高性能化。

推動(dòng)大功率逆變電源技術(shù)發(fā)展的主要有4個(gè)方面的因素：逆變技術(shù)、微處理器和數(shù)字控制技術(shù)、PWM控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。

逆變系統(tǒng)的核心，是完成逆變功能的逆變電路。此外逆變系統(tǒng)還需要產(chǎn)生和調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)脈沖的電路即控制電路，還要有保護(hù)電路、輔助電源電路、輸入電路和輸出電路等。這些電路構(gòu)成了逆變系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 逆變系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖

輸入電路，是對(duì)輸入電能進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)逆變器輸入所需的直流電的電路。對(duì)于輸入為交流電能的系統(tǒng)來說，輸入電路一般包括整流電路、濾波電路和EMI電路。輸出電路一般包括濾波電路和EMI電路，有的根據(jù)需要還包括變壓器。

控制電路，用于按要求產(chǎn)生和調(diào)節(jié)一系列控制脈沖來控制逆變開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，配合主電路完成逆變功能。這一部分對(duì)于逆變系統(tǒng)的性能，至關(guān)重要。

輔助電源的功能，是將逆變器的輸入電壓變換成適合控制電路工作所需的直流電壓，一般為DC/DC變換器。逆變系統(tǒng)離不開完善的保護(hù)措施，保護(hù)電路主要有直流側(cè)過壓保護(hù)、直流側(cè)欠壓保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)和過熱保護(hù)等。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

本文三相電源逆變部分采用組合式結(jié)構(gòu),組合結(jié)構(gòu)通過三相半橋結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，以此為據(jù)設(shè)計(jì)組合式三相逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 組合式三相逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 逆變器的基本結(jié)構(gòu)

組合式三相電源逆變部分采用三相半橋結(jié)構(gòu)，以此為據(jù)設(shè)計(jì)組合式三相逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。市電經(jīng)過橋式整流，電解電容濾波后變?yōu)槠椒€(wěn)直流。橋式整流為全橋結(jié)構(gòu)，通過軟啟動(dòng)電路減少?zèng)_擊電流。直—交逆變部分采用三相半橋結(jié)構(gòu)，將直流電轉(zhuǎn)化為一定電壓頻率的正弦交流電，它是本電源的核心,逆變器基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 逆變器的基本結(jié)構(gòu)

逆變單元采用三相半橋結(jié)構(gòu)，可以減小體積。通過采用PWM控制技術(shù)，利用IPM開關(guān)頻率較高的特點(diǎn)，使輸出電壓波形得到改善。逆變橋輸出接L、C濾波電路，濾波后即可得到正弦波。

三相系統(tǒng)共有完全相同的3套單相電路，通過軟件控制三相正弦電壓互差120°，即可得到所要求的三相電源。相電壓輸出采用有效值控制閉環(huán)結(jié)構(gòu)。利用傳感器輸出與電壓有效值成比例的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行雙重濾波（電路濾波和數(shù)字濾波）后，送與DSP處理器，根據(jù)得到的偏差信號(hào)對(duì)調(diào)制度M 進(jìn)行調(diào)整，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM控制脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路，作用于逆變橋，從而可以控制輸出電壓有效值與給定值相同，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的正弦交流電輸出。

通過外部監(jiān)控電路實(shí)現(xiàn)電源頻率的調(diào)整，頻率調(diào)整采用基本同步調(diào)制方式，載波比N 固定不變，fr的改變通過A/D轉(zhuǎn)換通道送與DSP處理器，進(jìn)而改變fc，實(shí)現(xiàn)輸出頻率改變。穩(wěn)定頻率通過對(duì)給定標(biāo)準(zhǔn)正弦波頻率進(jìn)行控制而實(shí)現(xiàn)。由于采用晶振得到基準(zhǔn)頻率，電源輸出頻率精度及穩(wěn)定性均大為提高。

2.3 DSP控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

組合式三相逆變器TMS320LF2407A DSP控制系統(tǒng)，主要由TMS320LF2407A芯片子系統(tǒng)、供電電路、A/D輸入電路、上電保護(hù)電路、防直通IPM外部驅(qū)動(dòng)電路等組成，如圖4所示。

圖4 DSP控制板布局

TMS320LF2407A芯片子系統(tǒng)主要包括時(shí)鐘、復(fù)位、外部存儲(chǔ)、JTAG仿真接口等組成電路，其設(shè)計(jì)時(shí)可參考產(chǎn)品手冊(cè)推薦電路進(jìn)行選擇。以下主要進(jìn)行控制系統(tǒng)其余部分具體電路設(shè)計(jì)。

2.4 IPM保護(hù)電路

由于IPM有短路、過流、過溫和控制電路欠壓故障時(shí)，只能輸出低電平的FO信號(hào)，不能實(shí)現(xiàn)自保護(hù)。對(duì)IPM實(shí)現(xiàn)保護(hù)可以用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。在基于DSP控制的系統(tǒng)中，利用事件管理器中功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)引腳（PDPINT）中斷實(shí)現(xiàn)對(duì)IPM的保護(hù)。將IPM中6個(gè)開關(guān)管的FO信號(hào)通過光耦送到與門，即當(dāng)有任一管有故障時(shí)與門輸出低電平，將該低電平送至PDPINT，由于PDPINT為低時(shí)，DSP中斷，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設(shè)置為高阻態(tài)，即使三橋臂的6個(gè)開關(guān)管停止工作，從而達(dá)到保護(hù),如圖5所示。

圖5 IPM用緩沖電路板

2.5 電源系統(tǒng)供電電路

該系統(tǒng)的軟啟動(dòng)電路、采樣傳感器、DSP驅(qū)動(dòng)控制板、IPM模塊和散熱風(fēng)扇等需要+12V、+5V、+3.3V、+15V直流和220V交流供電，具體說明如下：

散熱風(fēng)扇由三相四線輸入中一相直接供電。DSP驅(qū)動(dòng)控制板、軟啟動(dòng)電路、采樣傳感器總供電由一個(gè)AC220V/DC5V、DC12V的AC-DC電源模塊完成，該電源模塊由三相四線輸入中一相（不同于散熱風(fēng)扇）供電，其他不同供電電壓由DC/DC模塊轉(zhuǎn)換得到。為了電路能可靠工作、減少相互間干擾，以及減小共用電源時(shí)的噪聲，IPM模塊中每個(gè)單管的控制電源采用單獨(dú)隔離電源.

2.6 調(diào)頻電路設(shè)計(jì)

三相共用1套調(diào)頻電路及控制軟件，可實(shí)現(xiàn)三相調(diào)頻和其中一相的單相調(diào)頻，調(diào)頻范圍300～500 Hz，頻率調(diào)整及DSP采樣電路如圖6所示。為實(shí)現(xiàn)頻率連續(xù)調(diào)整，圖中Rw選用8 kΩ。

圖6 頻率調(diào)整及DSP采樣電路原理圖

3 控制軟件的設(shè)計(jì)

3.1 電源系統(tǒng)軟件模塊

該電源的控制軟件主要包括如下5個(gè)功能模塊：

（1）三相雙極性SPWM控制信號(hào)程序設(shè)計(jì)；

（2）各相電壓有效值穩(wěn)定程序設(shè)計(jì)；

（3）各相逆變輸出軟啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)；

（4）各相逆變輸出過流、過壓保護(hù)程序設(shè)計(jì)；

（5）逆變輸出頻率調(diào)整程序設(shè)計(jì)。

由于系統(tǒng)的功能模塊繁多，為保證各模塊互不干擾，協(xié)調(diào)工作，各模塊應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求嚴(yán)格按照程序規(guī)定時(shí)序執(zhí)行。以上模塊分別采用中斷和查詢方式完成，系統(tǒng)運(yùn)行要求有較高的軟件實(shí)時(shí)處理能力。

3.2 軟件總體設(shè)計(jì)流程

圖7所示為軟件的基本流程圖。

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程

T1下溢中斷進(jìn)入CMPR賦值服務(wù)程序，改變?nèi)嗾也ǖ闹颠M(jìn)行比較，生成三相雙極性SPWM波。查詢到T2或T3周期中斷標(biāo)志，則啟動(dòng)不同的A/D轉(zhuǎn)換程序并進(jìn)行處理，T2周期中斷對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換程序包括各相逆變輸出軟啟動(dòng)程序、電壓有效值穩(wěn)定程序和過流過壓保護(hù)程序。T3周期中斷對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換程序即調(diào)頻程序。具體軟件設(shè)計(jì)將逐一說明。

3.3 閉環(huán)控制軟件總體設(shè)計(jì)

三相系統(tǒng)閉環(huán)控制軟件包括輸出軟啟動(dòng)程序、電壓有效值穩(wěn)定程序和輸出過流、過壓保護(hù)程序，總體程序流程圖如圖5～圖8所示。

輸出軟啟動(dòng)程序，是輔助第四章中的軟啟動(dòng)電路一起實(shí)現(xiàn)防止電源接通瞬間因過流和過壓而造成器件損壞的現(xiàn)象。輸出軟啟動(dòng)程序是通過同步漸變各相調(diào)制度M，使M值等增量勻速增加，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出正弦波幅值以小增量勻速增加。輸出過流、過壓保護(hù)程序是將傳感器輸出的各相電流、電壓有效值送與DSP的不同A/D采樣端，采樣后，首先進(jìn)行采樣值排序和數(shù)字濾波以防止干擾引起誤操作，然后與電流、電壓上限值進(jìn)行比較，這樣連續(xù)執(zhí)行5次，準(zhǔn)確判斷是否出現(xiàn)過流、過壓現(xiàn)象，若出現(xiàn)，則使相關(guān)PWM波輸出全為高電平，關(guān)斷此相IPM模塊，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。系統(tǒng)在執(zhí)行輸出軟啟動(dòng)和輸出過流、過壓保護(hù)程序，并判斷無過流、過壓現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，應(yīng)用PID算法對(duì)各相M值進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證輸出有效值穩(wěn)定的三相正弦波電壓。在此，主要分析對(duì)電壓有效值穩(wěn)定程序的設(shè)計(jì)。由上可見，單相系統(tǒng)閉環(huán)控制軟件均通過控制M值或PWM輸出實(shí)現(xiàn)，因此均與A/D轉(zhuǎn)換相關(guān)，當(dāng)定時(shí)器T2發(fā)生周期中斷時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)啟動(dòng)各單相系統(tǒng)閉環(huán)控制程序。

圖8 三相系統(tǒng)閉環(huán)控制軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在圖9中，a)、b)、c)所示為單相特性，說明可實(shí)現(xiàn)組合式三相逆變電源中任一相單獨(dú)工作；d)、e)、f)所示說明各相的相位特性滿足三相輸出要求。

圖9 逆變電源實(shí)驗(yàn)波形

其中，

a)是DSP控制板輸出的三相雙極性SPWM波中的任意一相(A)的相反極性波形，有死區(qū)設(shè)置；

b)是A相空載實(shí)驗(yàn)輸出波形；

c)是A相滿載實(shí)驗(yàn)（負(fù)載為阻感性）時(shí)輸出波形，波形有變形，從空載到滿載輸出電壓幅值調(diào)整至穩(wěn)定瞬間完成，秒級(jí)；

d)是DSP控制板輸出的三相雙極性SPWM波中的任意兩相(A、B)波形，相位相差120°，波形良好，受干擾很?。?/p>

e)是組合式三相逆變電源三相空載實(shí)驗(yàn)時(shí)，A、B相輸出波形，波形質(zhì)量好，且穩(wěn)定；

f)是組合式三相逆變電源三相滿載實(shí)驗(yàn)（負(fù)載為阻感性）時(shí)，A、B相輸出波形，波形有變形，穩(wěn)定。

從該逆變電源樣機(jī)實(shí)驗(yàn)輸出波形和運(yùn)行情況說明，該電源滿足基本技術(shù)指標(biāo)要求，保護(hù)可靠，軟啟動(dòng)電路、軟件工作正常，具有一定的抗干擾能力。

5 結(jié)束語

大功率逆變技術(shù)研究的發(fā)展方向，正由傳統(tǒng)脈寬調(diào)制硬開關(guān)技術(shù)和頻率調(diào)制諧振技術(shù)，轉(zhuǎn)向脈寬調(diào)制軟開關(guān)技術(shù)。具有電流峰值注入的雙閉環(huán)控制方法，可以同移相軟開關(guān)方式相互結(jié)合。雙閉環(huán)調(diào)節(jié)、移相軟開關(guān)控制技術(shù)，特別適合在大功率逆變電源中推廣應(yīng)用。對(duì)逆變電源進(jìn)行模糊自動(dòng)控制，能夠簡(jiǎn)潔、有效地提高大功率逆變電源控制的快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和魯棒性，必將為大功率逆變技術(shù)帶來新的生機(jī)和活力。大功率三相逆變電源有著廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間，本文僅僅在這一領(lǐng)域做了一些初步探討和基本實(shí)踐。

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