基于DSP的SPWM变频电源数字控制

0 引言

数字信号处理器(DSP)已广泛应用在高频开关电源的控制，采取DSP作为变频电源的控制核心，可以用最少的软硬件实现灵活、准 确的在线控制。数字信号处理器TMS320LF2407既有一般DSP芯片的特点，还在片内集成了许多外设电路，使其可以很方便地实现变频电源控制。本文 中，控制系统采用了工程应用较多的正弦脉宽凋制技术，该技术具有算法简单，硬件实现容易，谐波较小等优点，可以充分发挥DSP的高速性、实时性、可靠性等 方面的特点，结合相应的软件，应用一些改进的算法实现了SPWM调制，输出了质量较好、频率和幅值可任意改变的控制信号。

1 系统的结构

图l为变频电源基本控制电路硬件框图。变频电源采用高频SPWM技术和通用电压型单相全桥逆变电路，选取ICBT功率模块作为开关器件，控制电路采用全数字化设计。

输 出电压和电感电流通过采样网络，将输入信号转换为TMS320LF2407所需要的电平，接至TMS3201F2407的A/D转换口。通过键盘键入所要 求的输出电压值、频率值，由SCI模块与DSP实现通讯。得到逆变器当前工作的基准电压信号，经过电压电流调节器获得实际的正弦调制信号，与DSP定时器 产生的三角波载波信号相交截，输出带有一定死区的驱动控制信号，经驱动单元进行隔离放大后送到IGBT。DSP可以把当前时刻的输出电压、频率值送给单片 机并在8位LED上显示出来。为了保证过压、欠压、过流(过载)的情况下能有效地保护功率开关和负载，在本系统中设置了保护电路，一旦出现故 障，PDPINT引脚为低电平状态，封锁驱动脉冲控制信号，切断变频电源输出。

2 SPWM波的软件设计

变频电源研制的 核心是SPWM波的生成，可利用DSP通过软件来实现，系统采用了双闭环反馈的控制策略，其外环为输出电压反馈，电压调节器一般采用PI形式，电感电流反 馈构成内环，电流环设计为比例环节。由图l可以看出，输出电压的信号经调理采样生成Vf后直接反馈，与参考正弦电压Vref比较后，经PI调节后作为电流 内环的给定信号Ig。其与电感电流反馈值If比较得到的误差经P调节，作为调制波与三角载波进行交截产生SPWM开关信号。为了便丁变频器在线调试，所生 成的SPWM波调制比必须可在一定范围任意改变，且误差较小。由上所述，可知SPWM波的生成涉及3个方面：获得参考止弦电压Vref、实现电压电流双闭 环控制、产生三角载波。其中，三角载波的实现很简单，可由DSP中的通用定时器产生，本设计中，使用了通用定时器l，可根据载波频率确定定时器l中的周期 寄存器TIPR的值。下面着重介绍前两个方面所涉及的没计和算法。

2.l 基准正弦电压信号的生成

DSP实时地从单片机 读取所需要的电压的频率和幅值作为当前输出电压的基准(给定)。获取当前时刻的正弦值，基准正弦信号是通过查表法产生的。在数字控制系统中正弦基准信号就 是一个正弦数据表格，故应将正弦波按其表达式制成0°～360°的表格供查用，在本设计中，正弦数据表格中数据点数选为1024，可将其数值放在片外数据 存储器。有如图关系式：

由 于本系统系变频电源，即fS是在变化的，且系统采用的是异步调制，所以N也是随fS变化而变化的。由此必须实时变化定时时间T以确保整个周期的脉冲数最大 限度地接近整数，以避免或减少输出波形含有基波的子谐波；此外，还须实时地改变脉冲序列，以保证输出电压值不发生较大的跳变。

2．1．1 实时改变定时时间

假设fS=400 Hz，则频率凋制比Mf为

由于整个周期的脉冲数NE超过1，所以NE只能选用定标为Q0，即NE只能为整数，所以NE=62，从而在脉冲数上出现了相差了0.5个，反映在桥臂输出电压上，有正负输出所含的脉冲数不相同。由此会产生基频的子谐波。

如果我们以当前的脉冲数NE回推出开关频率，则有fc=62x400=24．8kHz，这样确定的开关频率，就最大限度地保汪了正负调制周期的脉冲数近似相同。设计中，定时器1的工作方式设定为连续增减计数方式，故其中fcpu=20 MHz为时钟频率，开关频率25 kHz时可得定时时间T为40μs，T1PR为400；而开关频率为24．8 kHz时可得定时时间T为40.65μs，T1PR为403．225，T1PR定标为Q0，所以只能为整数403，故求得频率调制比所以正负调制周期的脉冲数相差极少，为0．035，这样就最大限度的消除了基频的子谐波。

2．1．2 实时改变脉冲序列

当频率不发生改变时，DSP按原来的输出序列(N=1，2，…NE)循环输出脉冲，设在第N个周期时，频率发生改变，则DSP应按新的脉冲序列(N′=l，2，…NE′)输出脉冲。

图 2中，在N=25时刻频率从500Hz变化到250Hz，由于N=25对应输出频率500Hz为零点处，对应于输出频率250Hz为正峰值处，所以如果不 改变输出脉冲序列，则会导致输出电压相位和电压值都出现跳变，如图2(a)所示；图2(b)中按一定的规律改变输出脉冲序列，输出电压相位和电压值就不会 出现跳变。为了保证在频率切换过程中电压的相位变化最小，输出电压值不发生较大的跳变，应按下式来确定新的脉冲序列中起始的脉冲序号N′，即令：

具体流程如图3所示。

2．2 双闭环控制实现

图 4为电压、电流双闭环数宁控制流程图。在实际应用中，考虑到一些具体情况，还需对电压调节器的数字PI调节及电流调节器的数字P调节加以一定的限制，针对 不同的情况采取最佳控制方法。故在图4中(1)、(1’)、(2)、(3)、(3’)处采用了一些改进算法及策略，下面分别加以简单介绍。

在 图4中(1)和(1’)处设置了死区，冈为在输出变化较小时，通过计算得到的PWM控制寄存器的值可能也会有小幅度的振动，这样会使系统不稳定。若设置适 当的死区范围，则可以消除由此引起的振荡，又不会太大影响输出精度。根据实际情况分别设定最小输入偏差量e1(e1’)，即当|ev(k)|e0，取消积 分作用，用P控制，当|ev(k)|≤e0，引入积分作用，这样既保持了积分作用，又减小超调量。使系统的控制性能有很大改善。

3 实验结果

根 据上述基本编程思路，编制了一个凋制比N可任意改变的通用SPWM产生软件，只要通过按键输入相应的数据，就可以根据负载的需要产生任意输出频率和电压幅 值的SPWM波。研制了一台容量为5000VA的变频器样机，并进行了实验，实验结果表明，输出电压波形光滑，波形失真度低，输出电压的THD≤2％。图 5中，通过实时改变给定频率以调节输出电压频率，频率由低逐渐增高，图6中，通过实时改变给定电压幅值以调节输出电压，电压由低逐渐增高。从频率、电压的 动态过程可以看出系统实现了实时变频和变压。

4 结语

本文以DSP作为主控芯片，设计并实现了SPWM变频电源数字化控制，该方式控制灵活、调试方便、可靠性高。在使用双闭环控制策略的变频电源中，应用适合于 DSP特点的一些算法，编程产生了可以变频变压的SPWM波信号，设计的方法是可行的。数字化使得系统具有很强的可编程性，这样系统更易于更新和升级，并 获得了比较好的实验效果。