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1 引言 隨著現代電力電子技術的不斷進步和信息技術的發展，逆變電源越來越廣泛的應用于通訊、航海、航空、醫療、軍事等諸多領域，同時用戶對逆變電源的性能也有了越來越高的要求。作為逆變電源的核心，逆變器的控制系統對提高電源性能起著極其關鍵的作用。逆變電源的控制器經歷了從模擬控制器到數字控制器的發展, 數字控制器與模擬控制器相比較，具有控制精度高、參數調整方便、更改控制策略靈活等優點。尤其隨著控制專用DSP的出現，使得逆變電源的控制技術朝著全數字化、智能化及網絡化的方向發展。本文選用TI公司新推出的數字信號處理器TMS320F2812作為電源的主控制器，設計了一種結構簡單、擴展方便的控制系統，實現了逆變電源的精準控制。 2 系統組成 本文所設計的電源是400Hz逆變中頻電源，電源總體結構如圖1所示，主電路采用交-直-交結構，包括整流器、直流濾波器、逆變器、變壓器及交流濾波等組成部分。交－直部分將50 Hz交流市電經橋式整流、平波電抗器、電解電容濾波后變為平穩直流，橋式整流電路為半控結構。直－交逆變部分采用全橋結構，逆變器選用IGBT作為開關器件。利用IGBT開關頻率較高的優點，采用正弦脈寬調制方式（SPWM）對逆變器進行控制，將平穩直流變換為脈寬調制輸出的交流，輸出SPWM波幅值恒定，寬度按正弦規律變化，逆變器輸出的交流電經變壓器及濾波電路濾波后，得到純正的正弦波交流電。 以TMS320F2812為核心的控制部分結構如圖2所示。其中TMS320F2812最小系統中主要包括時鐘電路、復位電路和外部存儲器擴展電路。時鐘電路采用外部時鐘，選用一片30MHz晶振作為外部頻率給定，外部時鐘經過PLL倍頻后，為系統提供時鐘，系統可以通過鎖相環控制寄存器來選擇鎖相環的工作模式和倍頻的系數。復位電路的設計，為了操作的方便，主要使用的是系統復位引腳（RS）。當接觸開關S按下時，使得該引腳產生一個低電平，就會產生相應的復位信號；當接觸開關S未動作時，該引腳為高電平。外部存儲器擴展電路主要采用的ISSI公司生產的高速SRAM芯片，型號為IS61LV25616AL，存儲時間為10ns，容量為256K字節，16位，工作電壓為3.3V，工作于零等待工作模式。 圖1?電源總體結構框圖 圖2?DSP擴展系統框圖 3 硬件設計 控制系統的硬件設計主要是圍繞主控制器TMS320F2812進行的，TMS320F2812的外圍電路主要有AD采樣電路和SCI通信電路。 3.1 A/D采樣電路 TMS320F2812的ADC模塊是一個12位帶流水線的模數轉換器，共有16個通道。根據實際需要，本系統用到了9個AD轉換通道ADCIN00～ADCIN08，需采樣的信號分別是3個相電壓、直流電壓、3路線電流、直流電流、溫度。每個A/D采樣電路包括傳感器、A/D調理電路和片內A/D轉換器。交流電壓采樣電路如圖3所示，輸出的三相交流電壓進行瞬時值檢測，從變壓器副邊送來的正弦波反饋信號經變壓器采樣，經過分壓和偏置處理后，轉換成0"3.3 V的信號送入DSP的A/D轉換口。交流的瞬時值采樣結果和被檢測的信號之間存在同步問題，在本系統中采用TMS320F2812的捕獲單元和不可屏蔽中斷NMI（Non-Maskable Interrupt）來實現跟蹤頻率變化的交流瞬時值采樣。 圖3?交流電壓采樣電路 3.2 SCI電路 TMS320F2812器件包括串行通信接口SCI模塊，SCI模塊是一個可編程的全雙工串行通訊接口。SCI模塊支持CPU與其使用標準格式的異步外設之間的數字通訊。SCI模塊包括兩個引腳：SCI發送數據引腳SCITXD、SCI接收數據引腳SCIRXD。TMS320F2812的串行通訊接口電路如圖4所示。 圖4?串行通訊接口電路 4 軟件設計 4.1 控制策略 本系統采用輸出電壓瞬時值和電感電流反饋的電流雙環SPWM控制調制方案。其中，電壓外環反饋采用模糊比例積分調節，電流內環的反饋信號為電感電流IL，采用模糊比例調節。輸出電壓的瞬時信號U０經調理采樣生成Uf后直接反饋，與參考正弦電壓Uref比較后，經電壓調節器綜合，作為電流內環的給定信號Ig。給定信號Ig與電感電流反饋值If比較得到的誤差ei送到電流調節器中，經過P調節生成信號Us，其作為調制波與三角載波進行交截產生SPWM開關信號，控制各橋臂IGBT管的導通與關斷。 4.2 軟件實現 圖5?系統軟件的總體結構流程圖 逆變橋的SPWM信號由TMS320F2812片內事件管理器EVA模塊實現，波形的控制和調節都需要在SPWM調節周期中完成，屬于定時器管理事件。在進行電壓調節器、電流調節器計算時還需要實時獲得、處理采樣值，這里主要利用片內A/D模塊。另外，在和單片機進行通信時可以利用SCI模塊實現，各類保護則是需要不斷查詢各個狀態量，根據其具體數值采取相應的動作。系統軟件總的流程框圖如圖5所示。 本系統對軟件的實時處理能力要求很高，絕大多數功能模塊是在中斷子程序中完成的。而且由于系統的功能模塊繁多，所以各模塊應根據系統的要求嚴格按照先后順序執行，以保證各模塊互不干擾，協調工作。用到的主要的中斷有三個：INI2.6級中斷為EVA模塊的定時器1的下溢中斷，對應的中斷子程序是最重要的一個子程序，在該子程序中主要完成對逆變器的控制，一旦出錯那么整個系統的輸出就會發生畸變，因此其中斷優先級最高；INT1.6級中斷是ADC模塊的中斷，在該子程序中讀取輸出電壓和輸出電感電流的轉換結果；INT9.1級中斷是SCI-A模塊的接收中斷，在該中斷子程序中主要接收經過A/D轉換后的實時數據。 5 實驗結果 通過搭建小容量的試驗機，控制系統每個環節的設計都得到了近似工作現場的考驗，經過在試驗過程中不斷的調整，軟硬件設計都基本趨于完善。最終大容量30kVA的樣機設定的各控制參數如下：輸入電壓220V/50Hz，輸出電壓115V/400Hz，載波頻率為18kHz，輸出功率為30kVA，輸出濾波電容C = 300 F，輸出濾波電感L = 70 H。圖6、圖7分別為阻性負載和感性負載時的電源輸出電壓波形，經過對輸出電壓的諧波分析，輸出電壓的THD值達到了要求的性能指標THD≤3％，結果證明了控制系統的可行性。 圖6?阻性負載時的電源輸出電壓波形 圖7?感性負載時的電源輸出電壓波形 6 結束語 本系統利用控制領域最先進的TMS320F2812型號的DSP作控制器，與以往單片機相比，TMS320F2812的集成外設功能更多、速度更快。而且，它的價格在近幾年也有了大幅度的下降。因此，本文設計的逆變電源控制系統具有操作簡單、無污染、噪聲低、效率高、節約成本、易擴展等多種優點，具有很好的應用前景。 本文作者創新點：針對用戶對中頻逆變電源的性能要求，采用控制領域最新的數字信號處理器TMS320F2812作為控制器，從軟件和硬件兩方面系統全面地介紹了設計逆變電源控制系統的方法。該系統的硬件電路非常簡單，實現了對逆變電源的全數字控制，使逆變電源的模塊化成為可能，同時也為電源的大容量擴展打下了很好的基礎。 |
