引言

　　變頻電源作為電源系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全和可靠性指標(biāo)?，F(xiàn)代變頻電源以低功耗,、高效率、電路簡(jiǎn)潔等顯著優(yōu)點(diǎn)而備受青睞,。變頻電源的整個(gè)電路由交流-直流-交流-濾波等部分構(gòu)成,，輸出電壓和電流波形均為純正的正弦波，且頻率和幅度在一定范圍內(nèi)可調(diào),。

　　本文實(shí)現(xiàn)了基于TMS320F28335的變頻電源數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),，通過(guò)有效利用TMS320F28335豐富的片上硬件資源，實(shí)現(xiàn)了SPWM的不規(guī)則采樣,，并采用PID算法使系統(tǒng)產(chǎn)生高品質(zhì)的正弦波,，具有運(yùn)算速度快、精度高,、靈活性好,、系統(tǒng)擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

　　系統(tǒng)總體介紹

　　根據(jù)結(jié)構(gòu)不同,，變頻電源可分為直接變頻電源與間接變頻電源兩大類,。本文所研究的變頻電源采用間接變頻結(jié)構(gòu)即交-直-交變換過(guò)程,。首先通過(guò)單相全橋整流電路完成交-直變換，然后在DSP控制下把直流電源轉(zhuǎn)換成三相SPWM波形供給后級(jí)濾波電路,，形成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波,。變頻系統(tǒng)控制器采用TI公司推出的業(yè)界首款浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)控制器TMS320F28335，它具有150MHz高速處理能力,，具備32位浮點(diǎn)處理單元,，單指令周期32位累加運(yùn)算，可滿足應(yīng)用對(duì)于更快代碼開(kāi)發(fā)與集成高級(jí)控制器的浮點(diǎn)處理器性能的要求,。與上一代領(lǐng)先的數(shù)字信號(hào)處理器相比,，最新的F2833x浮點(diǎn)控制器不僅可將性能平均提升50%，還具有精度更高,、簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā),、兼容定點(diǎn)C28x TM控制器軟件的特點(diǎn)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示,。
 

圖1 系統(tǒng)總體框圖

　?。?）整流濾波模塊：對(duì)電網(wǎng)輸入的交流電進(jìn)行整流濾波，為變換器提供波紋較小的直流電壓,。

　?。?）三相橋式逆變器模塊：把直流電壓變換成交流電。其中功率級(jí)采用智能型IPM功率模塊,，具有電路簡(jiǎn)單,、可靠性高等特點(diǎn)。

　?。?）LC濾波模塊：濾除干擾和無(wú)用信號(hào),，使輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。

　?。?）控制電路模塊：檢測(cè)輸出電壓,、電流信號(hào)后，按照一定的控制算法和控制策略產(chǎn)生SPWM控制信號(hào),，去控制IPM開(kāi)關(guān)管的通斷從而保持輸出電壓穩(wěn)定,，同時(shí)通過(guò)SPI接口完成對(duì)輸入電壓信號(hào)、電流信號(hào)的程控調(diào)理,。捕獲單元完成對(duì)輸出信號(hào)的測(cè)頻,。

　　（5）電壓,、電流檢測(cè)模塊：根據(jù)要求,，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)線電壓及相電流的變化，所以需要三路電壓檢測(cè)和三路電流檢測(cè)電路。所有的檢測(cè)信號(hào)都經(jīng)過(guò)電壓跟隨器隔離后由TMS320F28335的A/D通道輸入,。

　?。?）輔助電源模塊：為控制電路提供滿足一定技術(shù)要求的直流電源，以保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　變頻電源的硬件電路主要包含6個(gè)模塊：整流電路模塊,、IPM電路模塊、IPM隔離驅(qū)動(dòng)模塊,、輸出濾波模塊,、電壓檢測(cè)模塊和TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理模塊。

　　整流電路模塊

　　采用二極管不可控整流電路以提高網(wǎng)側(cè)電壓功率因數(shù),，整流所得直流電壓用大電容穩(wěn)壓為逆變器提供直流電壓,，該電路由6只整流二極管和吸收負(fù)載感性無(wú)功的直流穩(wěn)壓電容組成。整流電路原理圖如圖2所示,。
 

圖2 整流電路原理圖

　　IPM電路模塊

　　IPM由高速,、低功率IGBT、優(yōu)選的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)器及保護(hù)電路組成,。IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件,。GTR飽和壓降低，載流密度大,，但驅(qū)動(dòng)電流較大,；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快,，但導(dǎo)通壓降大,，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn),，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低,，非常適合應(yīng)用于直流電壓。因而IPM具有高電流密度,、低飽和電壓、高耐壓,、高輸入阻抗,、高開(kāi)關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)。本文選用的IPM是日本富士公司的型號(hào)為6MBP20RH060的智能功率模塊,，該智能功率模塊由6只IGBT管子組成,，其IGBT的耐壓值為600V，最小死區(qū)導(dǎo)通時(shí)間為3μs,。

　　IPM隔離驅(qū)動(dòng)模塊

　　由于逆變橋的工作電壓較高,，因此DSP的弱電信號(hào)很難直接控制逆變橋進(jìn)行逆變。美國(guó)國(guó)際整流器公司生產(chǎn)的三相橋式驅(qū)動(dòng)集成電路IR2130,，只需一個(gè)供電電源即可驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變電路的6個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件,。

　　IR2130驅(qū)動(dòng)其中1個(gè)橋臂的電路原理圖如圖3所示,。C1是自舉電容，為上橋臂功率管驅(qū)動(dòng)的懸浮電源存儲(chǔ)能量,，D1可防止上橋臂導(dǎo)通時(shí)直流電壓母線電壓到IR2130的電源上而使器件損壞,。R1和R2是IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻，一般可采用十到幾十歐姆,。R3和R4組成過(guò)流檢測(cè)電路,，其中R3是過(guò)流取樣電阻，R4是作為分壓用的可調(diào)電阻,。IR2130的HIN1~HIN3,、LIN1~LIN3作為功率管的輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)與TMS320F8335的PWM連接，由TMS320F8335控制產(chǎn)生PWM控制信號(hào)的輸入,，F(xiàn)AULT與TMS320F8335引腳PDPINA連接,，一旦出現(xiàn)故障則觸發(fā)功率保護(hù)中斷，在中斷程序中封鎖PWM信號(hào),。
 

圖3 IR2130驅(qū)動(dòng)其中1個(gè)橋臂的電路原理圖

　　輸出濾波模塊

　　采用SPWM控制的逆變電路,，輸出的SPWM波中含有大量的高頻諧波。為了保證輸出電壓為純正的正弦波,，必須采用輸出濾波器,。本文采用LC濾波電路，其中截止頻率取基波頻率的4.5倍,，L=12mH,，C=10μF。

　　電壓檢測(cè)模塊

　　電壓檢測(cè)是完成閉環(huán)控制的重要環(huán)節(jié),，為了精確的測(cè)量線電壓,，通過(guò)TMS320F28335的SPI總線及GPIO口控制對(duì)輸入的線電壓進(jìn)行衰減/放大的比例以滿足A/D模塊對(duì)輸入信號(hào)電平(0-3V)的要求。電壓檢測(cè)模塊采用256抽頭的數(shù)字電位器AD5290和高速運(yùn)算放大器AD8202組成程控信號(hào)放大/衰減器,，每個(gè)輸入通道的輸入特性為1MΩ輸入阻抗+30pF,。電壓檢測(cè)模塊電路原理圖如圖4所示。
 

圖4 電壓檢測(cè)電路原理圖