介紹了一種周波逆變器的結構及原理，并以TI的TMS320LF2407型數(shù)字信號處理器作為控制核心，取代傳統(tǒng)的模擬控制方式，且給出了硬件和軟件的設計方案。實驗結果證明此系統(tǒng)的控制獲得了良好的效果。

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引言

隨著工業(yè)和科學技術的發(fā)展，用戶對電能質量的要求越來越高。包括市電在內的所有原始電能可能滿足不了用戶的要求，必須經(jīng)過處理后才能使用，逆變技術在這種處理中起到了重要的作用。傳統(tǒng)的逆變技術多為模擬控制或模擬與數(shù)字相結合的控制系統(tǒng)，其缺點為

1）控制電路的元器件比較多，體積龐大，結構復雜；

2）靈活性不夠，硬件電路一旦設計完成，控制策略就不能改變；

3）調試比較麻煩，由于元器件特性的差異，致使電源一致性差，且模擬器件的工作點漂移，會導致系統(tǒng)參數(shù)的漂移，從而給調試帶來不便。

因此，傳統(tǒng)的逆變器在許多場合已不適應新的要求。

隨著高速、廉價的數(shù)字信號處理器（DSP——DigitalSignalProcessor）的問世，于是便出現(xiàn)了數(shù)字電源（DPS——DigitalPowerSupply）。其優(yōu)點有

1）數(shù)字化更容易實現(xiàn)數(shù)字芯片的處理和控制，避免模擬信號傳遞的畸變、失真，減少雜散信號的干擾；

2）便于系統(tǒng)調試；

3）如果將網(wǎng)絡通迅和電源軟件調試技術相結合，可實現(xiàn)遠程遙感、遙測、遙調。

這些使得逆變電源數(shù)字化控制成為今后的發(fā)展趨勢。

本文采用TI公司專門為電機及電力電子領域設計的TMS320LF2407型DSP作為控制器，介紹數(shù)字化周波逆變器的硬件設計和軟件設計。

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TMS320LF2407的結構特點

TMS320LF2407具有高速信號處理和數(shù)字化控制功能所必需的結構特點。將其優(yōu)化的外設單元和高性能的DSP內核相結合，可以為各種類型電機提供高速和全變速的先進控制技術。其主要特點為

1）其系統(tǒng)運行主頻達30MHz，使得指令周期縮短到33ns，絕大部份指令均可在單周期內完成，提高了控制器的實時能力。

2）2個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括2個16位通用定時器；8個16位的脈寬調制（PWM）通道。它們能夠實現(xiàn)三相反相器控制；PWM的對稱和非對稱波形；當外部引腳PDPINTx出現(xiàn)低電平時快速關閉PWM通道；可編程的PWM死區(qū)控制以防止上下橋臂同時輸入觸發(fā)脈沖；16通道A/D轉換器等功能。事件管理模塊適用于控制交流感應電機、無刷直流電機、開關磁阻電機、步進電機、多級電機和逆變器。

3）10位A/D轉換器最小轉換時間為500ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發(fā)兩個8通道輸入A/D轉換器或一個16通道輸入的A/D轉換器。

4）高達40個可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳(GPIO)。

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系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分組成，如圖1所示。主電路部分，采用移相式零電壓、零電流（PS－ZVZCS）全橋變換器和相控周波變換器PCCYC（PhaseControlledCycleConverter）。跟其它變換器相比，相控周波變換器始終都可以工作在第一、三象限，與移相技術相結合，可以極大地提高高頻變壓器的工作效率。同時，采用高頻環(huán)進行逆變，因而無須采用工頻變壓器，使體積減小。全橋變換器部分，利用可飽和電感Lr和隔直電容Cr實現(xiàn)對環(huán)流的阻斷，可以在很寬的負載范圍內實現(xiàn)超前橋臂的ZVS和滯后橋臂的ZCS，減小了開關應力，降低了損耗，提高了工作效率。Lr和Cr的選擇可參考文獻[4]。控制部分，采用快速、高效的DSP作為核心控制器，通過光耦隔離，并有IGBT自保護的專門驅動芯片EXB841來驅動主電路中的功率開關管。與采樣電路，保護電路配合，可對輸出實行實時控制，具有較快的動態(tài)響應速度和良好的輸出特性。

圖1 系統(tǒng)結構圖

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工作原理

Q1～Q4構成全橋，Q5、Q6組成周波變換器。開關管的驅動波形如圖2所示。

整個工作過程可分為4個階段，下面分別說明。

第一階段Q1、Q4導通

當Q1、Q4（有相位差）導通，并讓Q5提前導通，直流側的能量便可傳輸?shù)捷敵龆恕４藭r諧振電感儲能，Q5軟開通，減少了開關損耗。如圖2中ug5所示。

圖2 開關管的驅動波形

第二階段諧振

由于電路隔直電容和諧振電感（包括變壓器中漏感）諧振，電感在第一階段所保存的能量得以釋放。當諧振電流到零時，關斷Q1。此階段Q2、Q4導通，Q5延遲一段時間再關斷。如圖2中ug5所示。

第三階段Q2，Q3導通

在此階段，使Q6在Q2，Q3導通前提前導通。當Q2，Q3（Q1，Q2之間有死區(qū)）導通時，直流側的能量便可傳遞到輸出端，此時Q6為軟開通。如圖2中ug6所示。

第四階段諧振

工作原理同第二階段類似，此時電流方向與第二階段相反，當電感上的能量釋放完畢，關斷Q6。此時一個周期便結束，開始下一個周期。

從圖1可以看出，無論變壓器副邊電壓極性如何，若Q5導通、Q6關斷，則輸出端OUT1為正，OUT2為負；若Q6導通，而Q5關斷，則OUT2為正，而OUT1為負。所以，控制Q5，Q6的導通順序，即可控制輸出端的極性，并可獲得多種波形，例如交流、脈沖等波形均可實現(xiàn)。如要輸出正弦波的正半周時，PULS1控制Q1，Q4，PULS2控制Q2，Q3，并同時讓Q5，Q6相應地提前導通，便可輸出正弦波的正半周，如圖3所示。

(a)驅動波形

(b)輸出波形

圖3 輸出正弦波的正半周

要輸出正弦波的負半周，只需讓Q5，Q6的導通順序交換便可，如圖4所示。

(a)

(b)

圖4 輸出正弦波的負半周

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軟件實現(xiàn)

TMS320LF2407的處理速度為30MIPS，幾乎所有的指令都可在50ns的單周期內完成，配合其強大的指令運算功能，很容易實現(xiàn)各種控制算法及高速的實時采樣，可提高系統(tǒng)的工作效率。為了改善系統(tǒng)的動態(tài)品質，并減小系統(tǒng)的靜差，采用了閉環(huán)來實現(xiàn)各個功率變換環(huán)節(jié)的控制。

5.1 PWM波的輸出

本文采用三角波作為載波的規(guī)則采樣法，來獲得等高不等寬的矩形波，即脈沖。每個脈沖的中點都與相應的三角波的中點相對應，在三角波的負峰值時刻tD對正弦調制波采樣而得D點，過D點作一水平直線和三角波分別交于A點和B點，如圖5所示。則有

δ=Tc(1＋sinωrtD)/2

圖5 采樣三角波載波的規(guī)則采樣法

根據(jù)這一關系式，如果一個周期內有N個矩形波，則第i個矩形波的占空比為

Dr=0.5＋0.5sin(i＊2π/N)

用周期和占空比分別去設定TMS320LF2407中PWM電路相應的寄存器，便可在PWMx(x=1,2,3,4,7,8)上獲得所需的PWM脈沖波形，由這些PWM脈沖去控制相應的6個開關管，便可輸出正弦波形。要注意的是，輸出正弦波質量的高低與用作控制的正弦波的離散數(shù)量有關，如果離散數(shù)量越多，則輸出的正弦波就越平滑，但卻增加了DSP的運算量。反之輸出會越差。因此，對具體的應用場合，要選擇合適的離散值。定時器T1，T3被設定為下溢和周期匹配中斷方式，用作PWM輸出時基，工作在連續(xù)增/減記數(shù)模式。

5.2 實時采樣

采用TMS320LF2407中集成的16路ADC轉換電路實現(xiàn)電壓、電流采樣（每一通道的最小轉換時間

為500ns）。通過采樣模塊MAX122，將采樣信號轉換為LF2407的ADC所需的0～3.3V電平。在一個工頻周期中，將采樣200次（開關頻率為20kHz）。一旦有沖擊性負載存在，將導致輸出電流，或電壓過高，使DSP能及時捕獲此突變。DSP將調用相應的子程序來處理過壓或過流情況，以保護整個電路的正常運行。定時器T2被設定為下溢和周期中斷方式，用作ADC采樣的控制時基，工作在連續(xù)增/減記數(shù)模式。

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實驗結果

根據(jù)以上原理，初步設計了一臺實驗系統(tǒng)，并獲得了比較好的效果。其主要技術參數(shù)如表1所列。

表1主要技術參數(shù)

參數(shù) 數(shù)值

輸入電壓Vin～ 220V

輸出電壓Vout ～50V

輸出額定容量P 300W

開關頻率fs 20kHz

電壓采樣頻率 10kHz

隔直電容Cr 4μF

一次側飽和電感Lr 10μH

輸出濾波電感 60μH

輸出濾波電容 10μF

電流采樣頻率 10kHz

圖6為全橋電路中隔直電容上的電壓，圖7為變壓器一次側中性點電壓及變壓器一次側電流波形。

時間：5μs/div，電壓：2V/div，

圖6隔直電容電壓

時間：5μs/div，電壓：150V/div，電流：5A/div

圖7一次側中性點電壓及一次側電流

可以看出，全橋電路中的開關管在隔直電容和飽和電感諧振作用下，實現(xiàn)了軟開通和軟關斷。圖8為輸出電壓波形。

圖8輸出電壓波形

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結語

本文介紹了基于DSP數(shù)字化控制的相控周波變換器電路拓撲結構，分析了其工作原理，并提出了控制信號的產(chǎn)生過程。實驗結果證明了數(shù)字化實現(xiàn)的正確性，并取得了較好的效果。可以肯定，采用數(shù)字化實現(xiàn)的高頻鏈周波變換器比傳統(tǒng)的基于模擬或模擬與數(shù)字相結合的逆變器具有更強的優(yōu)越性。數(shù)字化使得系統(tǒng)具有很強的可編程性，無論在調試，還是在產(chǎn)品更新或升級等方面都具有傳統(tǒng)逆變器所不可以比擬的優(yōu)勢。