基于数字信号处理器TMS320F2812的逆变电路设计

基于数字信号处理器TMS320F2812的逆变电路设计摘要：本文简述了单相逆变电路的工作原理,分析其驱动信号生成的两种分立元件控制电路;提出利用数字信号处理器（DSP）实现正弦脉宽调制,并结合德州仪器公司的TMS320LF2412介绍几种方案的具体实现方法。通过实验验证,逆变电源频率稳定度,谐波失真度.最后给出实验室中实现的逆变电路的实验结果。关键字：DSP,TMS320F2812,逆变电路目录1设计要求...........................................................................................................................32电源结构.............................................................................................................................33方案设计.............................................................................................................................43.1系统总体设计...............................................................................................................43.2主电路的设计...............................................................................................................43.3DSP的选取....................................................................................................................73.4驱动电路的设计...........................................................................................................73.5采样电路.......................................................................................................................83.6保护电路.......................................................................................................................84元件参数计算.....................................................................................................................94.1输出滤波电感Lf、滤波电容Cf的选取.......................................................................94.2变压器的设计.............................................................................................................104.3功率开关的选择.........................................................................................................115仿真结果...........................................................................................................................115.1驱动波形.....................................................................................................................115.2功率开关器件两端的电压波形.................................................................................125.3逆变器输出波形.........................................................................................................136结论...................................................................................................................................14参考文献.................................................................................................................................15附录1：DSP的SPWM波实现程序：.....................................................................................16附录2：系统PCB版图：......................................................................................................181设计要求随着电力、通信等事业的飞速发展，交流电源的应用越来越广泛，于是性能稳定、可靠性高的逆变电源的作用越来越突出。目前，国外特别是美国，数字化交流电源已经发展到很高的水平，DSP在电源中得到广泛应用。而国内对于电源的控制以单片机为主，DSP应用于电源控制正处于发展阶段。相比单片机而言，DSP主要优点有：（1）内部集成了A/D和采样/保持电路，且提供事件管理器模块输出专业性的PWM信号。（2）DSP器件采用改进的哈佛结构，允许同时存取程序和数据，还提供了高度专业化的指令集，优秀的C编译器，这都保证了控制的实时性。（3）数字化的控制策略使控制升级和维护很方便。算法的改变减少了硬件的改动，极大降低了成本主要内容：基于DSP研究逆变器的调制方式，分析系统的稳定性和外特性，给出系统的硬件结构图，设计系统各个部分的硬件电路，完成数字控制SPWM逆变器的原理试验、仿真。基本要求：输入电压：50～70VDC；输出额定容量：2.5kVA；输出电压：220V±3%；输出电压频率：50Hz载波频率：25kHz；THD：≤3%。2电源结构传统逆变器的控制电路都是采用模拟电路和小规模数字集成电路实现的。随着信息技术的发展，数字控制技术在逆变电源控制领域已得到越来越广泛的应用。综合考虑系统性价比以及数字控制方式存在的问题，目前，部分数字化（CPU）产生基准正弦，宽频带的电压调节器仍由模拟电路实现）不失为中小功率逆变器控制电路的优选方案。本文分别对两种模拟/数字混合控制方案进行了比较研究，分析了它们的设计与实现，给出了相关实验结果。本章研究的混合控制方式，也是基于数字控制器的。利用DSP取代纯模拟控制中的一些实现环节，如基准正弦发生器、输出过载保护、输出过压/欠压保护等，对于减小控制电路复杂程度、提高系统控制特性是有好处的。同时，混合控制方式也考虑了数字控制可能产生的一些问题，尽可能保留模拟控制的优点，仍采用模拟电路实现电压调节器，与全数字控制系统相比，提高了系统带宽频率和动态响应速度。可见，这种模拟/数字混合控制逆变器具有较高的性价比，在一些应用场合具有较大的优势。根据PWM控制信号的产生方式，常用的混合控制实现方案有两类：模拟/数字混合控制方案Ⅰ、模拟/数字混合控制方案Ⅱ。方案Ⅰ的实现框图如图1。图1给出了模拟/数字混合控制方案Ⅰ的实现框图。主控芯片DSP主要功能是提供基准正弦数据、计算控制变量采样信号的数值以执行各种保护等，控制电路的其它部分如电压调节器（包括控制框图中前向通道的有源PI校正电路和反馈通道的无源超前校正网络）、PWM发生器等都是用模拟元件实现的。由于DSP产生的基准正弦信号带有高频谐波分量，需采用低通滤波器才能得到光滑的基准正弦波，作为逆变控制系统的指令信号。3方案设计3.1系统总体设计本系统以数字信号处理器(DSP)为核心的逆变器控制。在数字信号处理器(DSP)中产生SPWM控制信号，逆变器输出高频脉宽调制型交流电。该交流电经工频变压器和输出滤波器处理后，得到稳定、纯洁的正弦波电源。3.2主电路的设计1、主电路的结构低通滤波器基准正弦发生器有源PI校正电路SPWM生成驱动电路逆变桥LC滤波器无源超前网络电压采样电路DSP-ov图1混合控制方案Ⅰ的实现框图图2主电路结构图逆变器的主电路结构形式多种多样，有全桥型、半桥型及推挽型等。中小容量逆变电源多采用半桥式逆变器结构，结构简单，控制方便。中大容量逆变电源一般采用全桥式和推挽式逆变器结构。为了滤除高次谐波，逆变桥后级均接有LC滤波器。全桥型的主电路结构由于各种因素的影响必然存在直流偏磁的问题。直流偏磁的存在致使铁心饱和，从而加大了逆变器输出变压器的损耗，降低了效率，甚至会引起逆变失败，对系统的运行有着极大的危害，必须采取措施加以解决。小容量逆变电源因为输出容量小，电压和电流不大，因此开关器件多选用电力MOSFET。而大容量正弦波输出的逆变电源因其电压电流一般都比较大，因此多采用IGBT作为它的开关器件。本文主要研究的是50Hz，2.5kW的低频逆变电源。基于以上的分析，选用全桥型，带有输出隔离变压器的主电路形式，并采用MOSFET作为开关器件。主电路图如图4所示。2、输出滤波电容的选取输出滤波电容fC用来滤除输出电压oU的高次谐波，若fC越大，输出电压oU的THD就越小，但DC/AC逆变器无功电流分量增大，从而增大了变流器的体积和成本。一般选取max5.0ocfII为宜，因此滤波电容fC值应满足)(5.0maxooofUIC（1）图3系统元件参数的选定3、输出滤波电感设计滤波电感fL有两个作用一方面滤除输出波形中的高次谐波；另一方面作为积分环节实现SPWM控制。它的设计应满足四个方面的要求。1）尽可能滤除调制波ABU的高次谐波分量，提高输出电压波形质量，滤波电感的高频阻抗与滤波电容的高频阻抗相比不能过低，即滤波电感的感值不能太小。为满足输出电压波形质量，要求一个采样周期中，电感电流的最大变化量小于允许的电感电流纹波maxLfI。在0oU时，LfI最大，此时有：)()(max12LfkifIfNNUL（2）2）电感电流Lfi必须能跟踪上给定电流gi的变化，即dtdidtdigLf。一旦Lfi不能跟踪gi的变化，输出电压的失真度就会变大，严重时甚至导致系统异常工作。因此fL不能过大，即)sin,sinmin(12ogomogomifIUIUNNUL