基于TMS320F28335的一种小功率变频器研究

李 娜 李泽滔 张 赫

（贵州大学电气工程学院，贵阳 550025）

近年来，随着电力电子技术和脉宽调制技术的迅猛发展，且相比直流电机，交流电机结构简单、成本低、安装环境要求低等[1]，这些使得交流调速系统正逐渐取代传统的直流传动系统。变频调速在调速范围、调速精度、工作效率等方面都有着极大的优势，且通用性强、体积小、成本低、保护功能完善等优点，这使之成为最优、最理想的一种交流调速方式。

变频器是交流变频调速系统中一个关键装置，通过改变电机工作电源频率控制其转速，实现对交流电动机变频调速，达到调速、节能的目的。另外，变频器还具有过压、过流、过热保护等功能。随着工业自动化程度的不断提高，在许多行业如矿山、石油、化工、医药、机械、电力、卷烟、自来水等得到了广泛的应用[2]。

之前变频器大多采用单片机作为控制核心，但由于单片机的运算速度慢、不易实现复杂控制算法、外围电路复杂等，且随着调速性能要求的提高，已不能满足实际的需要。而数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）具有运行频率高、集成外围控制电路多等特点，非常适合进行电机控制[3]。

本设计是一种针对交-直-交电压型逆变电路的变频器，以电机控制的专用高速数字信号处理器作为控制系统核心，单片机实现人机界面以及按键等辅助功能，可以高效完成电机实时控制算法，且降低了成本。

1 系统结构框图

本文以TMS320F28335 DSP 为核心，以SVPWM技术为控制策略实现一种小功率变频器，具有结构简单，成本低，调试方便，保护功能完善等特点。变频器主要由主电路、控制电路和保护电路组成。

基于DSP 和SVPWM 控制策略设计的变频器结构框图，如图1所示。

图1 系统结构框图

2 SVPWM 算法的实现

本设计选用SVPWM 算法生成三相PWM 波，供驱动逆变电路IGBT 的门极控制信号，通过交替使用不同的电压空间矢量来控制逆变器的工作[4]。相比一般的SPWM 技术，SVPWM 控制方式的输出电压可提高15%，而且计算简便。

为了减小转矩脉动，将6 个有效电压空间矢量分为对称的6 个扇区，如图2所示，且将每个扇区等分为N个小区间，用相邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量，以期望磁链轨迹接近于圆。

以在第Ⅰ扇区内的期望输出矢量为例，期望输出电压矢量合成如图3所示。

在一个开关周期T0中，u1的作用时间为t1，u2的作用时间为t2，按照矢量合成法则有

图2 电压空间矢量6 个扇区

图3 期望输出电压矢量的合成

由式（1）可解得t1、t2。一般地，t1+t2≤T0，其余时间用零矢量补充，零矢量作用时间t0=T0-t1-t2， 避免了变频的同时还要调节直流电压，且减小了控 制的复杂性。

以降低开关损耗和谐波分量的大小为原则，分配有效工作矢量和零矢量的作用顺序。本文在开关周期的首尾取u0，中间取u7。该方法在矢量切换时，只有一相的状态发生变化，开关损耗较小。每个扇区的SVPWM 实现方法如图4所示。

图4 SVPWM 实现方法

该设计选用DSP 中ePWM 模块实现SVPWM信号的输出，经光耦隔离放大后，供功率器件的栅极信号输入。

3 系统硬件实现

3.1 系统硬件结构

文中采用电压源型变频器，主要包括由主电路、驱动电路、信号采集与保护电路、控制电路。通用变频器硬件结构图[5]如图5所示。

系统主电路采用三相桥式不可控整流和三相桥 式逆变电路，以DSP 为控制核心，利用SVPWM 控制技术输出PWM 波驱动全控器件的门极信号，以便输出电压频率可控的电压，来控制电动机的运行。此外，通过电压传感器和电流传感器采集电路的电压和电流信号以避免过压、过流对电路造成损坏。由于直接采集的信号与A/D 转换模块电平不匹配，故在传感器后端加入低通滤波器和信号调理模块将采集的信号转换成可以被识别的模拟信号。MCU 通过串口与DSP 进行通信，DSP 将测量到的参数传送给MCU 后通过液晶显示屏显示。

图5 通用变频器硬件结构图

3.2 主电路设计

主电路由三相桥式不可控整流、滤波、逆变器及驱动电路组成。为了吸收输入的瞬时高压，在交流侧分别并接三个压敏电阻，当进线电压过压时，电网电压就会降落在导线和压敏电阻上，起到过压保护的作用。另外，在刚开始上电的瞬间，为了避免对电容造成冲击和减少瞬间过大的充电电流，在整流电路的直流环节加一限流电阻。在上电初期降低充电电流，充电一定时间之后，通过切换装置把该限流电阻短接。逆变器采用专用智能功率模块IPM，内置驱动电路，并且具有短路、过流、过温和驱动电路欠压等保护电路，还设有相关的外围电路，简化了驱动电路的设计。主电路原理图如图6所示。

图6 主电路原理图

3.3 控制电路的设计

采用以TMS320F28335DSP 为核心的控制板，利用I/O 接口完成PWM 信号输出、A/D 转换和人机界面等设计，主要负责采样各相电压、电流，以及在每个PWM 周期采用SVPWM 算法，得到PWM控制信号，同时对电路进行相关保护。输出脉冲经光耦隔离后，控制功率开关器件的通断。当有故障发生时，送至DSP 的功率驱动保护中断引脚，立即将EVA 的PWM 输出引脚置为高阻状态，停止变频器工作。控制电路的原理图如图7所示。

图7 控制电路原理图

特别地，DSP 工作电平为3.3V，而其他器件采用5V 供电。故要设计电源转换电路如图8所示。

图8 电源转换电路

3.4 保护电路设计

1）泵升电压保护电路

当处于制动状态时，能量将回馈至直流侧，导致直流电压上升。若不对电压进行限制，将会造成功率器件的损坏，因此制动过程中需提供能量释放回路，电路设计如图9所示。

当采集到的直流电压高于泵升电压给定值时，O1端输出低电平，光耦导通输出低电平信号，驱动IPM 的制动单元，使能量消耗在制动电阻上，保证电路可靠工作；当直流电压降低至低于泵升电压给定值时，O1端输出高电平，光耦器件截止，切断制动回路。

图9 泵升电压保护电路

2）过流保护电路

图10 过流保护电路

采用霍尔电流传感器采集直流母线电流，为了避免因IPM 桥臂直通引起过流，设计如图10所示 的过流保护电路。当电流大于给定值时，触发光耦导通，发送中断信号；当电流低于给定值时，光耦截止，正常工作。

3）电压采样保护电路

采用霍尔电压传感器采集直流侧电压，设计了如图11所示的过压、欠压保护电路。当采样电压大于过压保护给定值时，触发光耦导通，给控制中心发送中断信号，引发中断，封锁PWM 脉冲输出，停止变频器工作；当电压低于给定值时，原理类似。

图11 过压、欠压保护电路

4 软件设计

系统基于DSP 的通用变频器控制采用C 语言编程和模块化的设计思想。DSP28335 处理器使用StudioV3.3 集成调试环境，人机界面采用单片机AT89S52，用Keil 进行编译调试。

系统软件主要包括主程序和中断服务子程序，在主程序中完成系统的初始化，上电之后首先进行复位、初始化等，然后经过事件管理器输出PWM信号，对功率器件进行控制，同时采集电压、电流信号，对系统进行故障保护，最后变频器输出三相电压带动电机运行。系统主程序流程图如图12所示。

图12 系统流程图

5 验证测试

为了验证算法的有效性，采用Matlab 仿真软件下的Simulink 搭建异步电动机的变频调速系统模型，并进行仿真验证[1]。仿真结果如图13所示，从 上到下分别为对应两种方式下的输出波形，依次是转子相电流、电机转矩和电机转速。

图13 异步电动机变频调速系统仿真图

从仿真结果看出，与常规的PWM 方法相比，SVPWM 直流电压利用率高，谐波分量小，转矩脉动小。而且不管频率多大，在稳定状态下，电磁转矩仍与负载转矩相等，电机运行稳定。另外，在同样的空载起动下，与直接起动时相比，该方法下起动电流要小的多，体现了变频调速的优势。

6 结论

本文是基于DSP 的小功率变频器的设计，系统采用SVPWM 算法实现功率器件的驱动信号输出，利用IGBT 的开关特性来实现变频调速的目的，并且使用单片机对系统相关参数进行显示，同时还可以根据具体的要求进行按键设置操作。经仿真测试，系统结构简单，响应快，性能稳定等优点，可广泛应用于电气传动系统中。

[1] 林飞,杜欣.电力电子应用技术的Matlab 仿真[M].北京: 中国电力出版社,2009.

[2] 贺明智,杨贵恒,黄念慈,等.一种小功率通用变频器的设计[J].电源技术应用,2004(3): 138-141.

[3] 陈林,熊有伦,侯立军.基于DSP 的变频调速系统的设计[J].电工技术杂志,2002(3): 9-11.

[4] 阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京: 机械工业出版社,2009.

[5] 王兆安,刘进军.电力电子技术[M].北京: 机械工业出版社,2009.