DSP和SVPWM技术的三相变频变幅逆变电源设计*

刘　彤

(湖南铁道职业技术学院，株洲 412001)

刘彤

(湖南铁道职业技术学院，株洲 412001)

摘要:通过对空间矢量脉宽调制算法的分析，研究了数字信号处理器生成SVPWM 波形的实现方法及软件算法，设计了基于DSP数字控制的三相逆变电源。相关测试参数和结果表明，该设计提高了直流电压的利用率，使开关器件的损耗更小。此外，还提出了逆变电源闭环控制的PI控制算法，利用DSP强大的数字信号处理能力，提高了系统的响应速度。

关键词:全桥逆变；SVPWM；DSP；变频变幅逆变电源

引言

传统的模拟电源存在很多固有缺陷，随着使用环境对参数的要求越来越高，有些功能无法得到满足。电力电子技术和数字控制技术迅速发展下的数字式三相逆变电源克服了传统模拟电源的许多缺陷，使得高品质的逆变电源得到了越来越广泛的应用。

设计逆变电源时，正弦逆变器的控制方法一般采用硬件方法或软件方法。硬件固有缺失和不能实施先进的控制策略，导致逆变器的性能不能极大提高。DSP的出现使得逆变器采用新的控制方法成为可能，本文根据三相全桥逆变电路结构，采用TMS320F2812作为控制核心，完成了三相变频逆变电源的设计。测试表明系统运行稳定，具有较高的实用价值和经济价值。

1总体方案

三相变频变幅逆变电源系统原理如图1所示。它由4个功能模块组成：整流电路、输出滤波器、基于DSP的控制电路以及信号反馈电路。整流电路是把变压后的48 V直流电压进行整流滤波后转换成稳定的直流电源供给逆变电路。逆变电路是本电源的关键，其功能是实现DC/AC的功率变换，在DSP的控制下把直流电源转换成三相SPWM波形供给后级滤波电路，形成标准的正弦波。

图1　三相逆变电源原理方框图

实现逆变器控制主要依靠DSP芯片的事件管理模块(EVA、EVB)和A/D转换模块部分。事件管理模块由通用定时器(提供时间基准)、非对称/对称波形发生器、可编程的四区发生单元、输出逻辑控制单元等组成，以实现相位互差120°的三相HSPWM波。而A/D转换模块分别采样各向输出的平均电压，并转换为数字信号，控制过程中采用PI算法。

2系统硬件设计

2.1不可控整流电路

采用整流桥加滤波，可以得到比较稳定的电压，电路如图2所示。

图2　不可控整流电路图

该电路实现AC-DC变换。交流输入经变压器将220 V交流电压变压为48 V交流电压后，经过桥式整流器整流，再通过电容滤波，输出大小约为57.6 V的直流电压。中间接一个熔断器来保护后面的元器件，当后面电路短路时防止电容损坏。设计中采用多个电容并联，这样流入每个电容的纹波电流就只有并联的电容个数分之一，每个电容就可以工作在低于它的最大额定纹波电流下，这里采用5个220 μF的电容并联。另外输入滤波电容一般要并联陶瓷电容(0.1 μF)，以吸收纹波电流的高频分量。两个20 kΩ电阻的作用是使后面全桥电路全部关断后电容能够放电。

2.2三相桥式整流电路

本模块采用6个型号为IRF540的MOS管组成三相桥式电路中的6个桥臂，各个桥臂在控制信号作用下轮流导通。它的基本工作方式是180°导电方式，即每个桥臂的导电角度为180°，同一相(即同一半桥)上下两个桥臂交替导通，各相开始导通的相位相差120°。三相桥式逆变电路略——编者注。

开关速度是通过在驱动电路和栅极间串联一个电阻来控制的。如果要求比较快的开关速度，阻值不要大于27 Ω，设计中采用10 Ω的电阻。为了防止栅极悬空时出现问题，设计中在MOS管的栅源极间并联了一个10 kΩ的电阻。并联在MOS管漏源极间的RC串联回路为吸收回路，可以进一步降低MOSFET关断时的尖峰电压，吸收电阻的原则是在最小导通时间内，仍能使电容上的电压放电完毕，而吸收电容在吸收电阻功耗许可范围内尽量取大，经实验测定，本电路的吸收电阻为1 kΩ，吸收电容为0.002 7 μF。

2.3隔离驱动电路

在弱电控制强电的系统中，必须采用适当的隔离措施将强电端与弱电端隔离，并采用适当的驱动电路实现弱电控制强电。本系统中控制端(TMS320F2812)与强电端(全桥逆变电路)的隔离驱动电路如图3所示。

图3　隔离驱动电路

在模块设计中，因为上下桥臂的参考点电压及MOS管的栅极电压不同，所以如果要保证栅源极间电压能达到15 V，只需给每个桥臂的TLP250加一个+15 V的分立电源。因为下桥臂的参考点相同，所以其光耦芯片可共用一个电源；上桥臂因为参考点电压比较高且在同一时刻两个MOS管的栅源极间电压不一样，所以每个MOS管的光耦芯片都需要一个分立的+15 V直流电源供电。

2.4无源滤波及采样电路

电流采样模块采用3个隔离型霍尔电流传感芯片ACS712，该模块可测量±20 A电流，对应模拟量输出为100 mV/A。电路如图4所示。

图4　 滤波及电流采样电路

2.5过压保护电路

3系统软件设计

3.1SVPWM波形的实现方法及软件算法

传统的SVPWM技术中,定义逆变桥上下管开通用1表示，关闭用0表示。三个桥臂共组成8个开关状态矢量(U0～U7,称为基本空间矢量)，其中U0、U7为零矢量，8个状态矢量将空间分为6个扇区，每相邻的两个扇区相差60°，如图5所示。

图5　空间矢量及分区图

对于任意给定的空间电压矢量均可由与该矢量相邻的基本空间矢量与零矢量组成。图5中当参考矢量Vref处于扇区1时(处在其他5个扇区时分析类似)，与其相邻的基本空间矢量为U1、U2，假设一个开关周期的时间为T，V1、V2的作用时间分别为T1、T2，零矢量作用时间为T0=T-T1-T2。根据平行四边形等效原理有

Vref=V1T1/T+V2T2/T

参考电压矢量Vref所在扇区可根据其分量Uα、Uβ来判断。定义变量Vref1、Vref2、Vref3如下：

定义变量a、b、c，如果Vref1>0，则a=1，否则a=0；如果Vref2>0，则b=1，否则b=0；如果Vref3>0，则c=1，否则c=0。定义扇区N=4c+2b+a。

参考电压矢量Vref所在扇区中相邻2个基本电压矢量的作用时间T1、T2与扇区N的关系，如表1所列。根据Uα、Uβ定义三个变量为X、Y、Z：

表1　T1、T2与扇区N的关系

当出现饱和时，即T1+T2>T时，那么T1=T1×T/(T1+T2)，T2=T2×T/(T1+T2)。

将直通时间块平均地加入传统SVPWM的零矢量中。以第一扇区为例，传统的SVPWM调制和改进后的SVPWM调制在一个周期内的控制信号如图6所示。

图6　逆变器SVPWM控制信号图

3.2PI算法与软件实现

三相逆变电路各相采用独立的电压闭环控制，即平均电压反馈控制。工作时，各相需要分别采样输出电压的平均值，电压采样值低于3.3 V，可直接输入DSP A/D通道进行转换获得Vf(k)，再确定Kp和Kf后即可编程。

在实际应用中，还需要对PI调节器加以限制，当偏差值输入较大时，输出值会很大，可能会使输出饱和，这样会对开关管有很大的冲击，而且会导致系统不稳定。所以需要对PI调节器的输出限幅，当|u(k)|>umax时，令u=umax。另外，PI控制器中积分环节的目的主要是消除静差、提高精度，但是在启动、停止等电压大幅变化时，系统在短时间内输出有很大的偏差，会造成PI运算的积分积累，从而引起较大的超调，导致系统震荡。所以根据实际情况，设定阈值δ>0,当|e(k)|>δ时，采用P控制，这样可以避免过大的超调，而且保持系统较快的响应速度;当|e(k)|≤δ时，采用PI控制，可保证系统的控制精度。各相PI调节程序流程如图7所示。

图7　PI调节程序流程图

4评测与结论

4.1输出相电压有效值测试

测试条件：将频率调到50 Hz。

测试仪器：UT39A数字万用表。

测试方法：用UT39A数字万用表测量输出端相电压，其测试数据如表2所列。

表2　各相电压测试数据

结果分析：测试结果分析如表3所列。

表3　各相电压之差

其中，各相相电压之差取其绝对值，各相相电压的单位为V，从中可以看出各相电压有效值之差小于0.1 V。

4.2输出线电压测试

测试条件：输入电压为198～242 V，负载电流有效值为0.5～3 A 。

测试方法：在隔离变压器前接一个500 VA的自耦变压器，通过调节自耦变压器来改变输入电压，在电源的输出端接一个200 W三相电机用启动电阻，用以调节输出电流，频率取50 Hz，取线电压有效值为36 V，上电测试，调整自耦变压器的输出电压，同时用示波器观察输出。测量结果如表4所列。

表4　线电压测试结果

结果分析：在输入电压较小的情况下，带负载输出的线电压有效值有所降低，负载调整率有所变化，其原因是受隔离变压器所能提供的最大电压限制，电感分压等损耗较大。

4.3三相调幅性能测试

测试方法：三相输出只有相位不同，因此，电压、功率只测量其中的任何一相即可，信号频率取50 Hz，三相负载各为22 Ω，测试数据如表5所列。

表5　三相测试结果

表5　三相测试结果

电压理论峰值/V40.5730.4120.2010.315.09电压测量值/V40.4030.3920.1010.014.98误差/%0.420.060.492.902.16

Three-phase Variable Frequency and Amplitude of Inverter Power Supply

Liu Tong

(College of Hunan Railway Professional Technology,Zhuzhou 412001,China)

Abstract：Based on the analysis of the space vector pulse width modulation algorithm and the research of the digital signal processor generating SVPWM waveform implementation and the software algorithms,a digital control three-phase inverter power based on DSP is designed.The test results show that the design has improved the utilization of the DC voltage,thus makes the loss of the switching device smaller.In addition,the closed-loop PI control algorithm in the inverter power is proposed.Using the powerful DSP digital signal processing capabilities,the response speed of the system is greatly improved.

Key words:full bridge inverter;SVPWM;DSP;frequency and amplitude of inverter power supply

* 基金项目：湖南省教育厅科技处一般项目(14C0758)。

中图分类号:TP334.3

文献标识码:A