【導(dǎo)讀】逆變電源是一種采用電力電子技術(shù)是進(jìn)行電能變換的裝置，它從交流或直流輸入獲得穩(wěn)壓恒頻的交流輸出。逆變電源技術(shù)是一門綜合性的產(chǎn)業(yè)技術(shù)，它橫跨電力、電子、微處理器及自動(dòng)控制等多學(xué)科領(lǐng)域，是目前電力電子產(chǎn)業(yè)和科研的熱點(diǎn)之一。逆變電源廣泛應(yīng)用于航空、航海、電力、鐵路交通、郵電通信等諸多領(lǐng)域。電源技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)字控制系統(tǒng)控制的電源取代傳統(tǒng)電源已成為必然。目前逆變電源的核心部分就是逆變器和其控制部分，雖然在控制方法上已經(jīng)趨于成熟，但是其控制方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)還是有所困難。因此，對(duì)逆變電源的控制和逆變器進(jìn)行深入研究具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)分析SPWM波形產(chǎn)生規(guī)律和特點(diǎn)，選擇了以不對(duì)稱規(guī)則采樣法為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的單極性SPWM控制，并且具體介紹了DSP實(shí)現(xiàn)SPWM。文中設(shè)計(jì)出了整個(gè)逆變電源的硬件結(jié)構(gòu)，其主要核心部分是IPM和DSP控制部分。并且針對(duì)DSP控制系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，給出了相應(yīng)的軟件流程圖。

　　

【正文】 于一體，但是在實(shí)際的使用過(guò)程中，僅僅依靠其內(nèi)部集成的驅(qū)動(dòng)裝置是不夠的，輸入控制信號(hào)與驅(qū)動(dòng)輸出之間必須有良好的電氣隔離，驅(qū)動(dòng)輸出直接連接IPM模塊，與強(qiáng)電相連。控制信號(hào)一般由單片機(jī)或DSP輸出，為了避免強(qiáng)電對(duì)其干擾，兩者之間必須進(jìn)行電氣隔離。而且此隔離電路必須放大SPWM控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)還要保證轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度。為此，在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中選用了高速光耦HCPL4505接收并轉(zhuǎn)換SPWM信號(hào)，配合使用PC817接收并轉(zhuǎn)換IPM的F0故障輸出信號(hào)，F(xiàn)0輸出低電平有效，所以直接將四路F0接入DSP的中斷接口，當(dāng)故障信號(hào)發(fā)生時(shí)，DSP將中斷SPWM控制波的生成。圖36 IPM和DSP的連接電路如上所述，IPM模塊將IGBT所需的外圍電路都集成到了模塊之內(nèi)，所以它與CPU的連接非常簡(jiǎn)單。但是，CPU與IPM之間不能有直接的電氣連接，推薦使用高速光耦HCPL4504作為輸入信號(hào)的隔離器件，對(duì)于故障輸出可用一般的光耦，如PC817或TPL521。與DSP的具體接線如圖36所示。DSP對(duì)IPM的控制對(duì)應(yīng)關(guān)系為：PWM1—單元1，PWM2—單元4，PWM3—單元2，PWM4—單元5，PWM5—單元3，PWM6—單元6。故障信號(hào)經(jīng)光耦隔離后連向CPU的第7腳，該腳的下降沿將使CPU關(guān)斷PWM1到PWM6所有的脈沖信號(hào)。以防止事故范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。其圖如圖36所示。 DSP控制電路的設(shè)計(jì) DSP芯片的特點(diǎn)與選取DSP(數(shù)字信號(hào)處理)利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合入們需要的信號(hào)形式。DSP芯片也稱數(shù)字信號(hào)處理芯片，是一種特別適合進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)各種快速實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理算法。它的誕生及發(fā)展無(wú)疑對(duì)通信、計(jì)算機(jī)、控制等領(lǐng)域的發(fā)展起到了十分重要的作用。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片具有精度高、可靠性高、集成度高、接口方便、靈活性好、保密性好、時(shí)分復(fù)用等特點(diǎn)外，與一般單片機(jī)相比，具有以下特點(diǎn):(1)一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法。(2)程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)和程序。(3)片內(nèi)具有快速RAM，通常可以通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中間訪問(wèn)。(4)快速的中斷處理和硬件I/O支持。(5)具有單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器。(6)可以并行執(zhí)行多個(gè)操作。(7)以流水線方式操作，使取指/譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。由上述特點(diǎn)知，DSP系統(tǒng)無(wú)論是在性能上、成本上，還是在經(jīng)濟(jì)效益上，在許多場(chǎng)合與模擬系統(tǒng)比較起來(lái)，都有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著DSP技術(shù)，計(jì)算機(jī)與微電子技術(shù)的發(fā)展和先進(jìn)工藝的不斷采用，可以堅(jiān)信DSP技術(shù)將獲得更加廣泛的應(yīng)用。在工程實(shí)踐中，DSP芯片可根據(jù)以下幾方面選取:(1)速度指標(biāo):DSP速度一般用MIPS或FLOPS表示，即百萬(wàn)次/秒鐘。根據(jù)對(duì)處理速度的要求選擇適合的器件。一般選擇處理速度不要過(guò)高，速度高的DSP,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)也較困難。(2)精度:DSP芯片分為定點(diǎn)、浮點(diǎn)處理器，對(duì)于運(yùn)算精度要求很高的處理，可選擇浮點(diǎn)處理器。定點(diǎn)處理器也可完成浮點(diǎn)運(yùn)算，但精度和速度會(huì)有影響。(3)片內(nèi)存儲(chǔ)器：DSP通常配有容量不等的片內(nèi)RAM，可用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)。當(dāng)程序和數(shù)據(jù)都放在片內(nèi)時(shí)，DSP的運(yùn)行速度要高得多，而DSP廠商給出的一些速度指標(biāo)都假定處理是在片內(nèi)執(zhí)行的，如FFT片內(nèi)執(zhí)行速度比片外快2～4倍。因此片內(nèi)存儲(chǔ)器越多越好。(4)價(jià)格:價(jià)格是指DSP和必要的外圍器件的總成本。(5)應(yīng)用開發(fā)周期:完善的軟件開發(fā)環(huán)境和調(diào)試工具，易學(xué)易用的編程方法可以加快設(shè)計(jì)。(6)型號(hào)延續(xù)性:應(yīng)選擇易購(gòu)的產(chǎn)品型號(hào)，大的DSP廠家產(chǎn)品更新很快，可以對(duì)停產(chǎn)的舊型號(hào)提供兼容的新產(chǎn)品。DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)是70年代末，80年代初發(fā)展起來(lái)的以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件，是一種特別適合于實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用特點(diǎn)是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。DSP的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，高度的操作“并行性”，支持流水線操作，片內(nèi)含有專門的硬件乘法器和高性能的運(yùn)算器及累加器，提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。圖37 TMS320LF2407A DSP控制器功能模塊圖TMS320LF2407A DSP控制器功能模塊圖如圖37所示。TI公司的TMS320LF2407 DSP數(shù)字控制器將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身。系統(tǒng)采用定點(diǎn)、高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，30MIPS的執(zhí)行速度，較短的指令周期(33ns)，片內(nèi)有32K的閃存，并且閃存包含256B的擴(kuò)展ROM，片內(nèi)光電編程接口電路，芯片提供了一個(gè)適合不同外設(shè)的內(nèi)存，滿足各種要求的具體性能。處理器內(nèi)集成有兩個(gè)事件管理器(EVA/EVB)模塊，可以用于功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。模塊還設(shè)置有中心或邊沿對(duì)稱的PWM通道，可以用于逆變器的控制。內(nèi)部嵌有通過(guò)EVA或EVB觸發(fā)的兩個(gè)10bits 8模擬輸入通道或一個(gè)16模擬輸入通道的A/D轉(zhuǎn)換器，其最小轉(zhuǎn)換時(shí)間可以低至500ns。且具有自動(dòng)定序功能。片內(nèi)集成有可以為所有設(shè)備提供異步通信的串行通信接口(SCI)和16位的同步串行外設(shè)(SPI)接口模塊。(CAN)模塊，64K字的I/O尋址空間。片內(nèi)設(shè)有基于PLL(鎖相環(huán))的時(shí)鐘發(fā)生器以及40個(gè)可以單獨(dú)編程的或復(fù)用的通用I/O輸出引腳。為了最大限度地提高設(shè)備的靈活性，功能管腳也為通用輸入/輸出(GPIO)進(jìn)行配置。電源管理有三種低功耗模式，可以將外設(shè)器件自行轉(zhuǎn)向低功耗工作模式。為了縮短開發(fā)時(shí)間，以JTAG兼容掃描為基礎(chǔ)的仿真已經(jīng)集成到所有的設(shè)備中去。一般情況下，與單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)類似，TMS32OLF2407A有其最小系統(tǒng)，它的最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖，如圖38所示:圖38 DSP最小系統(tǒng)框圖（1）時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)本文采用封裝好的晶體振蕩器，將外部時(shí)鐘源直接輸入X2/CLKIN引腳，而將X1引腳懸空，如圖39所示。由于這種方法簡(jiǎn)單方便，系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般都采用此種方法。圖39晶振電路（2）復(fù)位電路設(shè)計(jì)TMS320LF2407A DSP芯片的引腳是復(fù)位信號(hào)輸入端，當(dāng)該引腳電平為低時(shí)使DSP芯片復(fù)位。為了提高DSP芯片構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及保障DSP芯片構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)的可靠復(fù)位，本文采用MAX708芯片進(jìn)行復(fù)位。MAX708是一種微處理器電源監(jiān)控和看門狗芯片，可同時(shí)輸出高電平有效和低電平有效的復(fù)位信號(hào)。復(fù)位信號(hào)可有VCC電壓，手動(dòng)復(fù)位輸入，或由獨(dú)立的比較器觸發(fā)。MAX708提供有3種復(fù)位域值電平可供選擇，這3種域值分別為：,。同時(shí)提供手動(dòng)復(fù)位信號(hào)，在VCC=1V時(shí)能提供有效的RESET復(fù)位信號(hào)。MAX708與TMS320LF2407A接口如圖310所示。圖310 MAX708與TMS320LF2407A接口圖從圖中可見，通過(guò)MAX708可實(shí)現(xiàn)以下兩種復(fù)位功能：1）通電復(fù)位：在接上電源VCC使MAX708通電時(shí)，這時(shí)有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程。在過(guò)渡過(guò)程中的一部分時(shí)間中，存在VCC＜，則上電比較器就會(huì)輸出低電平送到復(fù)位發(fā)生器中，從而產(chǎn)生200ms的復(fù)位脈沖輸出。2）手動(dòng)復(fù)位：在端接一個(gè)按鍵，接鍵另一端接地，則接鍵按下時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平脈沖送到復(fù)位發(fā)生器中，從而產(chǎn)生200ms復(fù)位脈沖輸出。（3）存儲(chǔ)器接口電路存儲(chǔ)器接口電路的設(shè)計(jì):主要考慮存儲(chǔ)器速度，以確定需插入幾個(gè)等待狀態(tài)。所以要根據(jù)存儲(chǔ)器接口的讀寫時(shí)序進(jìn)行設(shè)計(jì)，否則就可能造成時(shí)序無(wú)法匹配，而使系統(tǒng)不穩(wěn)或根本無(wú)法工作。系統(tǒng)的外部存儲(chǔ)器有兩種工作方式:一種是零等待周期工作方式，另一種是插入等待周期工作方式。零等待工作模式是當(dāng)存儲(chǔ)器的讀寫速度足夠快，數(shù)據(jù)釋放時(shí)間又足夠短時(shí)，在TMS320LF2407A的一個(gè)讀/寫操作周期中，存儲(chǔ)器可在規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)完成相應(yīng)數(shù)據(jù)操作，TMS32OLF2407A不需插入等待周期。這種工作方式可以充分發(fā)揮TMS320LF2407A高速的優(yōu)勢(shì)，工作在這種方式下的TMS320LF2407A效率最高，這也是TI公司推薦的工作方式。本系統(tǒng)采用的是存儲(chǔ)時(shí)間為12ns的高速SRAM，型號(hào)為CY7C102l。這種芯片的容量為64K字節(jié)，16位，工作電壓為5V,工作于零等待工作模式。TMS320LF2407有4種電源需要電源電路提供：（1）DSP CPU內(nèi)核電源，電源要求是+；（2）DSP外設(shè)電源，電源要求是+；（3）Flash編程電源，電源要求是+5V；（4）模擬電路基準(zhǔn)電源，電源要求是+。電源電路設(shè)計(jì)時(shí)，要把TMS320LF2407的所有電源引腳連到各自的供電電源上。電源電路的選擇是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的部分，設(shè)計(jì)好壞對(duì)系統(tǒng)的影響最大。這里使用TI公司的TPS7333來(lái)設(shè)計(jì)電源供電電路。TPS7333的輸入電壓為+5V，輸出+。7805的+5V輸出電壓作為7333的輸入電壓接入IN管腳，由OUT管腳輸出+。其主要參數(shù)如表32。表32 HER608參數(shù)表輸入電壓/V輸出電壓/V輸出電流/A工作溫度/℃5maxtypmin50040~+125資料來(lái)源：[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006(9).電源插孔J1標(biāo)識(shí)為內(nèi)正外負(fù)，5V穩(wěn)壓直流電源輸入。FUSE為自恢復(fù)保險(xiǎn)；，并可提供上電復(fù)位信號(hào)。該信號(hào)/RS_DSP接到DSP的復(fù)位引腳上。電源電路結(jié)構(gòu)圖如圖311。圖311電源電路結(jié)構(gòu)圖由于采用DSP控制SPWM，雖然確保了其精確度，但是高頻PWM產(chǎn)生的電磁干擾是相當(dāng)嚴(yán)重的。如果硬件設(shè)計(jì)不當(dāng)，很容易造成干擾，而產(chǎn)生誤判斷和誤動(dòng)作。因此必須對(duì)硬件電路采用如下抗干擾措施：（1）通過(guò)對(duì)控制電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，控制輸出電壓的紋波，使其盡量??；（2）在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，力求整體布局合理，同時(shí)使得生電路接線盡量的短，盡量降低地線阻抗；（3）數(shù)字電路和模擬電路分開，數(shù)字地和模擬地分別采用單點(diǎn)接地，盡量降低地線阻抗；（4）采樣電路與控制器的距離盡可能短，減少信號(hào)傳送過(guò)程中產(chǎn)生的干擾，同時(shí)，在DSP芯片的A/D轉(zhuǎn)換腳加上適當(dāng)?shù)臑V波電容，消除傳送過(guò)程干擾，并在A/D轉(zhuǎn)換腳的入口與芯片工作電源和地之間接一穩(wěn)壓二極管，起鉗位、保護(hù)作用；（5）采用主電路濾波電感的電流作反饋電流，由于此電流直接反映了功率管上的電流，因此用其作反饋具有快速限流保護(hù)的功能，大大的提高了系統(tǒng)的可靠性；（6）在PCB板上鋪上屏蔽地，以減少共模干擾。通常，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，需要控制很多中小功率的三相逆變器。它的控制量是一相或三相頻率和相位均可調(diào)的正弦波。用DSP產(chǎn)生多相正弦波有多種方法，如采用D/A轉(zhuǎn)換器。使用TMS320LF2407A外接D/A轉(zhuǎn)換器可以輸出頻率較高的正弦波，但是這種方法浪費(fèi)硬件資源，尤其是需要幾相正弦波就需要幾個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，而且在DSP內(nèi)部需要實(shí)時(shí)計(jì)算每個(gè)D/A采樣點(diǎn)的正弦值，也占用了CPU資源。LF2407A擁有豐富的外設(shè)，利用其內(nèi)部硬件電路事件管理器模塊中的比較單元，采用SPWM算法，可以在DSP的PWM112引腳輸出占空比q符合正弦規(guī)律的PWM脈沖波，再經(jīng)過(guò)RC或者LC低通濾波后就能輸出高精度的、帶死區(qū)控制的三相正弦SPWM波形(Sinusoidal Pulse Width Modulation)，從而實(shí)現(xiàn)三相逆變器的SPWM控制。該方法簡(jiǎn)單可靠，成本低廉，而且生成的正弦波精度較高。 DSP系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圖41主程序流程圖主程序的任務(wù)主要是系統(tǒng)初始化、EVA初始化、A/D初始化、變量初始化、啟動(dòng)定時(shí)器、中斷允許、循環(huán)等待等。在主程序中，首先程序?qū)σ恍┘拇嫫鬟M(jìn)行必要的設(shè)置，并且初始化所有的變量。然后使其符合所需要的中斷、啟動(dòng)定時(shí)器、循環(huán)等待。如圖41所示。初始化模塊設(shè)置主要包括A/D轉(zhuǎn)換控制寄存器，主要設(shè)置轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)時(shí)鐘、轉(zhuǎn)換通道選擇、轉(zhuǎn)換啟?？刂坪虯/D中斷的設(shè)置；I/O管腳設(shè)置需要在寄存器中事先編程確定功能是否做I/O口，I/O方向和I/O狀態(tài)等；看門狗和實(shí)時(shí)中斷模塊設(shè)置主要實(shí)現(xiàn)看門狗的啟動(dòng)和禁止，確定實(shí)時(shí)中斷時(shí)間間隔，起到正確抗系統(tǒng)軟件干擾的作用；中斷設(shè)置主要包括中斷向量的設(shè)置，標(biāo)志寄存器的復(fù)位和中斷屏蔽寄存器的設(shè)置，屏蔽不用的中斷和需要開放的中斷。事件管理器EVA是用來(lái)產(chǎn)生SPWM邏輯驅(qū)動(dòng)信號(hào)的部分，必須進(jìn)行初始化。事件管理器的寄存器比較多，主要包括通用定時(shí)器控制寄存器TxCON，內(nèi)容有定時(shí)器計(jì)數(shù)時(shí)鐘源選擇、計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率設(shè)定、比較寄存器重載條件選擇和定時(shí)器的使能/禁止；比較控制寄存器COMCON，主要內(nèi)容有禁止/使能比較操作、全比較寄存器重載條件和輸出方式選擇。全比較動(dòng)作控制寄存器ACT，主要內(nèi)容為規(guī)定各比較寄存器輸出腳的有效狀態(tài)。系統(tǒng)初始化流程圖42所示。圖42系統(tǒng)初始化流程圖當(dāng)頻率變化范圍不大，載波頻率很高時(shí)，本文采用了查表的方法來(lái)更新CMPRx的值。本文中采用查表法來(lái)生成SPWM脈沖。查表法適合非線性周期函數(shù)或已知非線性函數(shù)輸入值的范圍。在數(shù)字控制系統(tǒng)中正弦基準(zhǔn)信號(hào)就是一個(gè)正弦波值的表格，采樣數(shù)字控制中，由于控制器的運(yùn)算速度限制，難于進(jìn)行實(shí)時(shí)的正弦計(jì)算，采用事先算好的離散點(diǎn)代替正弦波值。故事先將確定的點(diǎn)數(shù)按正弦波表達(dá)式制成003600的表格以便查用。確定點(diǎn)數(shù)的主要依據(jù)是開關(guān)頻率和逆變器輸出的正弦信號(hào)的頻率的比值，計(jì)算出頻率調(diào)制比，即載波頻率與調(diào)制波（正弦波)頻率比值，其結(jié)果放在Mf(即為一個(gè)輸出周期內(nèi)含有的脈沖的個(gè)數(shù)中)?？汕蟪龅趇個(gè)脈沖處的正弦值的偏移地址，再求得正弦值的地址，得到相應(yīng)的正弦值。SPWM信號(hào)生成軟件流程圖如圖43所示。SPWM波形的產(chǎn)生需對(duì)事件管理寄存器進(jìn)行配置。圖43 SPWM信號(hào)生產(chǎn)軟件流程圖逆變模塊IPM設(shè)有故障報(bào)警輸出F0，在IPM逆變產(chǎn)生異常時(shí)，F(xiàn)0的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后送如DSP的PDPINT中斷源引腳，完成相應(yīng)的保護(hù)功能，具體過(guò)程見圖44所示。圖44故障中斷處理流程圖故障中斷處理流程圖如圖44所示，將取自主電路的電壓信號(hào)經(jīng)比較器與設(shè)定電壓比較，處理后接到DSP的引腳。在軟件中設(shè)置PDPINTA中斷響應(yīng)以及故障處理服務(wù)程序，當(dāng)超過(guò)與低于上下限設(shè)定值時(shí)，切斷主回路電源，同時(shí)向DSP發(fā)出緊急事