解析基于DSP设计变频电源数字控制系统程序

变频技术是电力电子技术的主要组成部分，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产生SPWM波。另外并对死区产生的影响做了分析，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

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。

PWM的全称是Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。广泛的用于电动机调速和阀门控制，比如我们现在的电动车电机调速就是使用这种方式。所谓SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛的用于支流交流逆变器等，比如高级一些的UPS就是一个例子。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。

（1）必须实时地计算调制波（正弦波）和载波（三角波）的所有交点的时间坐标，根据计算结果，有序地向逆变桥中各逆变器件发出“通”和“断”的动作指令。

（2）调节频率时，一方面，调制波与载波的周期要同时改变（改变的规律本文不作介绍）；另一方面，调制波的振幅要随频率而变，而载波的振幅则不变，所以，每次调节后，所胶点的时间坐标都 必须重新计算。

要满足上述要求，只有在计算机技术取得长足进步的20世纪80年代才有可能，同时，又由于大规模集成电路的飞速发展，迄今，已经有能够产生满足要求的SPWM波形的专用集成电路了。

3 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