变频电源基本控制电路系统方法解析

变频技术是电力电子技术的重要组成部分，应用于包括交流电机的调速和供电电源等多个重要领域。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。本文提出了一种基于DSp(数字信号处理器TMS320LF2407)的SpWM三相间接变频电源系统。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。

首先介绍了变频电源的拓扑结构以及原理，设计了以三菱IpM模块为基础的包括整流电路、逆变电路、输出滤波器的主回路。在分析了SpWM调制原理的基础上，提出了改进型的规则采样法出现SpWM波。另外并对死区出现的影响做了分析，并给出了两种补偿方法。在变频电源数字控制器国内外研究的基础上，提出了一种基于数字信号处理器(DSp)的控制器硬件结构，并对控制器的实时性、可靠性和兼容性作了详细的分析。为满足高速和精确的采样，论文在控制器硬件中设计了锁相环电路。为满足智能功率模块(IpM)对死区时间的要求，在对电路仿真分析的前提下，论文在控制器硬件中设计了独立的硬件死区延时电路。控制器的系统软件设计分为人机接口程序和控制程序。人机接口程序实现了实时电压电流数据及其波形显示，控制参数显示及在线修改等功能;控制程序实现了信号采样分析、pWM脉冲调制和触发、pI控制器等程序。

1系统的结构

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按时器出现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。

2SpWM原理

在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。

DSp实时地从单片机读取所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出现的。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。有如卜关系式：

式中：fs为当前时刻调制频率;

t为采样时刻;

N为当前时刻处在整个调制周期的第N个脉冲。

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。由此必须实时变化按时时间T以确保整个周期的脉冲数最大限度地接近整数，以防止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。

3.1.1实时改变按时时间

假设fS=400Hz，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O.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。由此会出现基频的子谐波。

假如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，按时器1的工作方式设定为持续增减计数方式，故

其中fcpu=20MHz为时钟频率，开关频率25kHz时可得按时时间T为40s，T1pR为400;而开关频率为24.8kHz时可得按时时间T为40.65s，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。

3.1.2实时改变脉冲序列

脉冲序列是一种持续有序输出的具有二进制数特点的脉冲队列，它可通过一路或多路同步输出。

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，所以假如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。