基于TMS320F2812的变压变频电源设计

潘 建

(淮阴师范学院 物理与电子电气工程学院, 江苏 淮安 223300)

基于TMS320F2812的变压变频电源设计

潘 建

(淮阴师范学院 物理与电子电气工程学院, 江苏 淮安 223300)

基于TMS320F2812 DSP的智能化特点,设计了一种新型变压变频中频电源．该电源采用斩波调压和逆变调频相结合的方法实现变压变频功能,具有电压、频率独立调节的优点．利用面积中心等效法原理产生SPWM信号,与传统SPWM方式相比,输出波形具有更好的对称度,显著减小高次谐波分量．为验证理论分析,设计了一台1KW/2KHz的实验样机．实验结果表明该电源电压幅值和频率可实现独立调节而互不干涉,结构简单,在内圆磨床和电动工具等应用中频电源的领域具有实用价值．

变压变频; 正弦脉宽调制; 面积中心等效

0 引言

传统的内圆磨床电源通常采用旋转机组式,即采用工频电动机-中频发电机-中频电动机的方式来实现钢材的高速打磨,但采用这种方式设备过于笨重且控制精度不高．近些年,随着电力电子技术的发展,提出了静止变流机组式方式,即引入变频电源来对内圆磨床进行控制．传统的变频电源采用V/F等于恒定的协调控制方式,优点是电路简单,但却具有输出电压幅值和频率相互制约的缺点[1-3]．采用对称规则采样法产生SPWM,谐波较大[4-6],难以满足内圆磨床的控制要求．本文设计的中频电源选用TI公司TMS320F2812 DSP作为主控芯片,利用面积中心等效法产生SPWM驱动信号,采用斩波调压和逆变调频相结合的方式实现电源的电压幅值和频率独立调节,选用MOSFET模块作为开关器件,和IGBT相比,MOSFET具有更高的开关频率,可保证正弦电压波形在中频条件下的无失真输出[7],并且系统能够自我检测,可实现过流、过压和过热保护．本文给出系统的理论分析和软硬件设计方法,并给出实验波形并分析实验结果．实验结果证明该系统设计具有良好的运行性能和较高的可靠性．

1 电源系统设计

1.1系统结构

系统结构如图1所示,主开关管(S1～S4)采用MOSFET构成全桥逆变电路．市网电源UAC整流后变为直流电压Ui, 输入BUCK电路进行斩波调压变．调压后的直流电压Udc作为全桥逆变电路的输入．逆变电路在驱动信号的作用下根据正弦波脉宽调制原理(SPWM)将Udc转换为所需要的正弦波电源．输出电压经隔离取样、信号调理后送给单片机．单片机对取样信号经PI控制算法处理后输出修正后的SPWM控制信号,使输出电压稳定在所设定的期望值上．该电源系统的基本功能包括变压变频,过压/欠压保护,过流保护,过热保护,短路保护等．

图1 系统结构原理框图

1.2 控制策略

图2 面积中心等效法原理图

1.2.1 斩波电路的PWM控制

本文设计的变压变频中频电源通过BUCK电路进行斩波调压实现系统的变压功能．与逆变调压相比,斩波调压具有更宽的调压范围,且实现更为方便．只需改变斩波电路的占空比即可改变逆变器输入电压Udc,从而改变输出正弦波电压的幅值,简化了程序的设计．

1.2.2 逆变电路SPWM控制

SPWM技术是逆变电源的核心,本文所设计的VVVF中频电源通过对逆变电路SPWM驱动信号的控制来实现系统的变频功能．本文采用软硬件相结合的方法,利用面积中心等效法,基于TMS320F2812 DSP产生SPWM,实现对整个变频系统的控制．

2 SPWM控制算法选择

根据面积中心等效原理,可得

(1)

(k=1,2,3,…,N-1)

(2)

(3)

因此可得SPWM信号的开关角为:

(4)

式中，δ(k)为第k个脉冲的宽度;M为调制深度,本文设计的中频电源取M=1;N为载波调制比,即半个周期内的脉冲个数,系统通过调节N值的大小来实现输出电压的变频功能．

3 硬件电路设计

3.1 TMS320F2812介绍

TMS320F2812是TI公司推出的一款高档电机控制专用DSP[10],采用先进的静态CMOS技术,性能高达150?MIPS．片内含有非易失性的程序和数据存储器,包括128?K的系统内可编程FLASH,4?K的EEPROM,8?K的SARAM和多达1.5?M的优化的外部存储器空间,同时可以通过SPI实现系统内编程．TMS320F2812含有3个32位定时器/计数器,这些定时/计数器都具有独立预分频和比较器功能,因此可方便地产生12路PWM．DSP同时还具有16路12位ADC,可灵活地实现反馈电压信号的采样．

3.2 驱动电路设计

驱动电路采用IR2110芯片．IR2110内部应用自举技术来实现同一集成电路可同时输出两个驱动逆变桥中高端与低端的通道信号,它的内部为自举操作设计了悬浮电源,悬浮电压保证IR2110直接可用于母线电压为-4～+500?V的系统来驱动功率MOSFET,其电路原理图如图3所示．

3.3 保护电路设计

中频电源的保护功能是通过TMS320F2812的I/O端口来实现的．首先通过传感器检测直流母线电压、电流和电源温度,经过比较放大单元分别形成控制信号,接到DSP的I/O端口．当出现过流、过压和过热其中任何一种情况时,DSPI/O口检测到高电平,PWM输出封锁,中频电源停止工作．其电路原理图如图4所示．

图3 驱动电路原理图 图4保护电路原理图

4 软件设计

4.1 软斩波调压PWM信号产生

利用16位定时器/计数器来产生软斩波调压PWM信号．首先设置状态控制寄存器来确定波形产生模式和PWM的输出频率,本文设计方法采用快速PWM模式,PWM输出频率设定为10?K．其次设置输出比较寄存器,由此来确定输出PWM信号波形的占空比．本系统是通过改变PWM信号的占空比来实现软斩波调压的,因此只需调用中断程序,改变比较寄存器的值,便可改变PWM的占空比,由此实现系统的调压功能．

4.2 逆变调频SPWM信号产生

图5 系统主程序流程图

由SPWM调制原理可知,保持载波频率不变,改变载波调制比可以得到频率变化的输出电压波形．为了实现调频功能,以及减小SPWM输出滤波后的正弦波畸变率,在软件设计中通过实时计算和查表法共同作用利用16位定时器/计数器来产生SPWM信号．通过设置状态控制寄存器来确定波形产生模式和频率,的本文设计方法采用相位和频率可调模式,SPWM频率设置为100?K．在进行调频时,首先根据要求进行实时计算,计算出载波调制比N=fC/fS,其中fC为SPWM频率,fS,为所要产生的正弦电压频率．然后再根据公式(1)计算出脉冲宽度,生成对应的计数数组．将数组中的值写入输出比较寄存器中,周期性地改变PWM脉冲的宽度,便可生成所需的SPWM脉冲信号,从而实现系统的调频功能．系统流程图如图5所示.

图6 逆变电路滤波输出正弦波

5 实验结果

根据实验的要求,依照以上的设计方法研制了一台1KW/2KHz的变压变频电源实验样机．主要实验参数如下:交流输入220?V/50?Hz,输出滤波电感2?mH,输出滤波电容10?uF/1?000?V．系统针对固定电压不同频率,固定频率不同电压两种设定进行了实验(电压30?V/div;时间2?ms/div),得出实验波形(图6)．图6为输出滤波后的输出电压，从实验波形可以看出,在额定负载下,当输出频率单独变化时,输出电压幅值基本不变;当输出电压幅值单独变化时,输出频率基本不变．在保证输出波形无失真情况下,电压幅值可在0～200?V,频率在0～2?KHz范围内独立调节．

6 结语

本文采用TI公司推出的TMS320F2812 DSP作为主控芯片设计的变压变频中频电源电压幅值和频率可实现独立调节而无不干涉,具有可靠的运行性能．本系统设计的中频电源可实现远程控制,智能化管理,是专用于中频电机的驱动电源,在内圆磨床、电动工具等应用中频电机领域具有推广应用价值．

[1] Zhao L M, Chan H H. Design of an optimal V/f control for a Super high speed Permanent Magnet Synchronous Motor?[J]. Industrial Electronics Conference,2009(3):2260-2263.

[2] 张蓉. 数字控制SPWM逆变器研究?[D]. 南京:南京航天航空大学,2006.

[3] Yu Y, Jung S L, Ye H C. Adaptive Repective Control of PWM Inverter for Very Low THD AC-Voltage Regulation with Unknown Loads?[J]. IEEE Trans Power Eletronics, 2009,14(5): 973-981.

[4] Zhou K L, Wang D W. Digital Repetitive Controlled Three-Phase PWM Rectifier?[J]. IEEE Transaction on Power Electronics,2008,18(1):309-316.

[5] Huang Y,Shen M S. Z-Source Inverter for Residential Photovoltaic Systems?[J]. IEEE Transactions on Power E-lectronics,2006,21(6):275-279.

[6] Strong S J. World Overview of Building-integrated Photovol-taics?[M].//Conference Record of the Twenty Fifth IEEE. Washington D C: IEEE,2006: 1197-1202.

[7] Antonio L, Steven H. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering?[M]. Wiley: Chichester Hoboken, 2003:113-117.

[8] Peng F Z. Z-Source Inverter?[J].IEEE Trans Ind Appl, 2003,39(2):504-510.

[9] Hsiao Y H, Huang M C. Development of MSP430 Based Underwater Acoustic Recorder with Muiti-MCU Framework?[J]. IEEE Press,2007(4):101-106.

[10] 徐科军,陈志晖,傅大丰. TMS320F2812 DSP应用技术?[M]. 北京:科学出版社,2010.

[责任编辑：蒋海龙]

TheDesignofVariableVoltageandVariableFrequencyInverterSupplyBasedonTMS320F2812

PAN Jian

(School of Physics and Electronics Electrical Engineering, Huaiyin Normal University, Huaian Jiangsu 223300, China)

A new Variable Voltage and Variable Frequency (VVVF) middle frequency supply was introduced based on the intellectualizedsingle chip TMS320F2812.The supply achieves the function of VVVF adopting the methods of chooper variable voltage and inverter variable frequency. It has the characteristics that voltage regulation and frequency regulation of the supply can implement independently. The theory of SPWM area center equivalent which has greater harmonic suppression is used to produce SPWM drive signal in this system. Compared with the traditional SPWM, the output voltage waveform has greater symmetry, and reduces high order harmonic obviously. A sample system of 1KW/2KHz is designed to prove the theoretical analysis. The results of experiments demonstrate that the voltage regulation and frequency regulation of the supply can implement independently without any interactions, also the new inverter supply has more simpler structure The new supply has finer practicability in the fields using middle frequency supply such as internal grinding machine and electric tools.

VVVF; SPWM; area center equivalent

TM46

A

1671-6876(2011)04-0307-05

2010-12-12

潘建(1983-), 男, 江苏灌南人, 助教, 硕士, 研究方向为电力电子新技术．