1 TMS320LF2407A芯片簡介

　　TMS320LF2407A是TI公司專為電機控制而設(shè)計的單片DSP控制器,。它具有高性能的C2XLP內(nèi)核，采用改進的哈佛結(jié)構(gòu),，四級流水線操作,，它不僅具備強大高速的運算能力，而且內(nèi)部集成了豐富的電機控制外圍部件,，如事件管理器EVA,、EVB各包括3個獨立的雙向定時器;支持產(chǎn)生可編程的死區(qū)控制PWM輸出;4個捕獲口中的2個可直接連接來自光電編碼器的正交編碼脈沖;2個獨立的10位8路A/D轉(zhuǎn)換器可同時并行完成兩個模擬輸入的轉(zhuǎn)換;片內(nèi)的串行通信接口可用于與上位機通信;片內(nèi)串行外設(shè)口用于與外設(shè)之間通信;40個可獨立編程的復(fù)用I/O口可以選配成鍵盤輸入和示波器顯示的輸入/輸出口。這些為實現(xiàn)交流電機變頻調(diào)速控制提供了極大的便利,。

　　2 系統(tǒng)總體方案及硬件電路

　　圖1為系統(tǒng)硬件框圖,。在本系統(tǒng)中，以TMS320LF2407A為主要控制芯片,，逆變器采用SPWM調(diào)制控制方式實現(xiàn)變頻控制算法,，系統(tǒng)硬件由主電路、顯示電路,、鍵盤輸入電路以及檢測與保護電路等組成,。DSP首先從鍵盤采集需要的頻率信號，接著通過運算產(chǎn)生相應(yīng)的SPWM信號,，通過光耦傳給驅(qū)動電路再控制逆變橋中的功率管導(dǎo)通與關(guān)斷,，同時采集主電路中的有關(guān)信號并判斷有無故障輸出。若有故障則關(guān)斷DSP的SPWM輸出,，從而關(guān)斷主電路,。　　

　　2.1 主電路組成

　　圖2為系統(tǒng)的主電路,，由整流電路,、濾波電路和逆變電路3部分組成。整流電路為三相不可控整流橋,，由它將380 V,、50 Hz交流電整流變換成脈動直流電。電路中采用濾波電容進行濾波,，濾去電壓紋波,，同時濾波電容還在整流電路與逆變器之間起去耦作用,，以消除相互干擾。整流后的直流電壓平均值為UO=1.35U2≈1.4U2=540 V,。U2為交流側(cè)電壓有效值,。考慮到輸入三相電有10%的波動,，所以UO=500～560 V,。主電路圖中的功率器件G1、G2,、G3,、G4表示是IGBT器件，其型號是MG50Q2YS40,，耐壓值為1 200 V,，控制電壓為土20 V，電流為50 A,。R1為限流電阻，防止沖擊電流對IGBT的損害,。L1,、L3為共模濾波器，HL1,、HL2為電流霍爾元件,，其作用為檢測主電路的電流值，作為保護電路的輸入信號;另外還用到電壓霍爾元件,，檢測電壓值,，作為保護電路的輸入信號和電壓反饋信號，組成電壓負(fù)反饋,。采用SPWM技術(shù)控制的4個IGBT進行逆變,，輸出的交流電經(jīng)過變壓器變壓后，再用LC濾波器進行濾波,，輸出220 V頻率可變的交流電,。　　

　　2.2 驅(qū)動與保護電路

　　圖3為驅(qū)動電路原理,。本系統(tǒng)逆變電路功率器件采用IGBT芯片,，因此驅(qū)動電路選用4片三菱公司生產(chǎn)的驅(qū)動模塊M57962L。該驅(qū)動模塊為混合集成電路,，將IGBT的驅(qū)動和過流保護集于一體,。圖3中M57962L的13腳接DSP的PWMl(其他3片M57962L分別接PWM2、PWM3,、PWM4),，14腳接地,，1、6腳分別接電源,。另外,，M57962L采用的是低電壓驅(qū)動，即只有13腳輸入負(fù)電位時才能驅(qū)動M57962L,。這樣做的優(yōu)點在于防止出現(xiàn)干擾,，當(dāng)出現(xiàn)干擾波形時，采用低電平驅(qū)動的M57962L不能驅(qū)動,。另外在關(guān)斷過程中,，如果電壓變化過大，則會產(chǎn)生擎住現(xiàn)象,，使IGBT失控,，引起上下橋臂直通，因此,，采用RC緩沖電路來抑制過電壓和電壓變化率du/dt,。　　

　　3 系統(tǒng)的數(shù)字實現(xiàn)

　　系統(tǒng)逆變器部分采用SPWM規(guī)則采樣算法,，其基本思想是使輸出的脈沖按正弦規(guī)律變化,，這樣降低輸出電壓中的諧波分量，使輸出電壓更接近于正弦波,。為了便于數(shù)字實現(xiàn),，用規(guī)則采樣法生成SPWM脈沖序列，其原理如圖4所示,。因為三角載波頻率比正弦波頻率高很多,，所以將三角載波uc的一個周期內(nèi)的正弦調(diào)制波ut看作不變，這樣在一個三角波周期,，只需在B點取樣一次,，便可使生成的SPWM脈沖中點與對應(yīng)三角波的中點(A點)重合，從而使SPWM脈沖的計算大為簡化,。設(shè)uc的幅值為1,，正弦調(diào)制信號ut=Msinωtt，其中O≤M<1(M為調(diào)制度),。由于△ABC～△EDA,，故有：

　　正弦函數(shù)值采用查表的方式求出。另外在每段的同步調(diào)制中取N為3的倍數(shù),。

　　軟件程序設(shè)計是逆變控制電路設(shè)計的核心,。本系統(tǒng)軟件主要包括：主程序、中斷服務(wù)程序、PI調(diào)節(jié)程序,、顯示程序等,。圖5為主程序流程，圖6為中斷程序流程,。在主程序中,，完成DSP系統(tǒng)及外部設(shè)備初始化，I/O控制信號管理及正弦波信號產(chǎn)生和處理等,。在中斷程序中,，完成電流、電壓檢測,，PI調(diào)節(jié)計算,，計算恒壓頻比下的調(diào)制度M和頻率值，正弦波處理并給比較器CMPRl賦值等,?！　?/p>

　　4 實驗結(jié)果

　　圖7為同一橋臂上下管PWMl與PWM2波形。由圖可見,，上下橋臂設(shè)置了2μs的死區(qū)時間,，以保證逆變電路的安全工作。圖8為DSP發(fā)出的PWM波形,，(1),、(2)為兩個互補的等幅不等寬的脈沖信號。其中高電平為+5 V,，低電位為O V，脈沖寬度是按照正弦規(guī)律變化的,。由于M57962L芯片采用的是負(fù)電位驅(qū)動,，所以要采用電平轉(zhuǎn)換電路。圖9為最終驅(qū)動IGBT的SPWM波形(轉(zhuǎn)換后的SPWM波形),，從圖中可以看出,，波形的寬度是按照正弦規(guī)律變化的。圖10(a),、(b)分別為f=200 Hz和f=300 Hz時的輸出電壓波形,。實驗結(jié)果表明，輸出電壓波形質(zhì)量好,，總諧波畸變率低,。　　

　　5 結(jié) 論

　　基于DSP的數(shù)字控制技術(shù)能大大改善產(chǎn)品的一致性,，克服模擬控制帶來的產(chǎn)品性能分散性,，同時增強了控制的柔性，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,，有較好的應(yīng)用前景,。本設(shè)計應(yīng)用TMS320LF2407A芯片采用SPWM控制技術(shù)，完成了將380 V,、50 Hz的交流電源變換成輸出220 V,、頻率為100～400 Hz可調(diào)的交流電源。通過對樣機的實際測量表明,，輸出波形質(zhì)量良好,，克服了過去這類電源采用體積大的中頻變壓器時出現(xiàn)的噪聲大、響應(yīng)慢,、波形畸變嚴(yán)重等缺點,，是有較好應(yīng)用前景的產(chǎn)品。