摘要:介紹了基于DSP TMS320F2812的三相正弦波變頻電源系統(tǒng),詳細(xì)的分析以及設(shè)計(jì)了主回路、控制回路的軟件和硬件部分,并且對(duì)控制策略、電源系統(tǒng)控制的三種工作模式進(jìn)行了探討，討論了利用TMS320F2812產(chǎn)生頻率和幅值可按需要改變的SPWM波的程序設(shè)計(jì)策略和算法,擴(kuò)展TMS320F2812的隨機(jī)存儲(chǔ)器,通過SPLC501液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示線電壓、線電流的有效值以及正弦波的頻率。實(shí)驗(yàn)效果良好，滿足了變頻電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求。 關(guān)鍵詞： DSP、TMS320F2812、SPWM、變頻、調(diào)制度、功率保護(hù)、缺相保護(hù) Abstract：It introduced the Frequency Converter Power System of the three-phase sine wave Based on DSP TMS320F2812, detailedly analyzed and designed load software and the hardware part of the main circuit, controlling circuit, discussed the variable frequency and amplitude algorithms SPWM, that used TMS320F2812, expanded RAM based on TMS320F2812 , displayed line voltage, line current RMS, as well as sinusoidal wave frequencies using SPLC501 LCD. The test was correct, the designing satisfied all the request the Frequency Converter Power System.. Key Words: DSP TMS320F2812 SPWM Frequency Conversion Modulation Power Protection the Protection of Lack Phase 一、引言 隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，正弦波輸出變頻電源已被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中，與此同時(shí)對(duì)變頻電源的輸出電壓波形質(zhì)量也提出了越來(lái)越高的要求。在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)部門，三相正弦波變頻電源常用于各種測(cè)量和控制電路中，產(chǎn)生單相或三相正弦波信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)，基準(zhǔn)正弦波的波形質(zhì)量直接影響到測(cè)量和控制的精度。對(duì)于一個(gè)良好的正弦信號(hào)源，要求其輸出的基準(zhǔn)正弦波信號(hào)幅值、頻率高度穩(wěn)定、失真度小、帶負(fù)載能力強(qiáng)、幅值可調(diào)，對(duì)于三相正弦波信號(hào)還要求三相對(duì)稱度好。兼顧這些要求往往使電路變得復(fù)雜。因此，研究開發(fā)既簡(jiǎn)單又具有優(yōu)良動(dòng)、靜態(tài)性能的逆變器控制策略，已成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。 二、工作原理 系統(tǒng)總體電路結(jié)構(gòu)由主回路、控制電路、采樣電路、反饋電路和各類保護(hù)電路等部分組成，總體原理圖如圖2-1： [align=center] 圖2-1 系統(tǒng)原理圖[/align] 2.1 主回路及工作原理 主回路中有三大部分組成：整流濾波電路、三相全橋逆變電路和三相無(wú)源濾波電路。整流濾波電路將單相交流電變成直流電,三相全橋逆變電路將直流電變成三相交流電，三相交流電經(jīng)過三相濾波電路后得到標(biāo)準(zhǔn)的三相正弦波電源，主回路如圖2-2所示， [align=center] 圖2-2 主回路原理圖[/align] 2.2 控制回路工作原理 控制電路調(diào)制波采用SPWM波，對(duì)正弦波輸出變頻電源SPWM調(diào)制方式及數(shù)字化控制策略進(jìn)行了分析，以TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器為主控芯片，實(shí)現(xiàn)電源的最佳控制，控制回路工作原理如圖2-3所示： [align=center] 圖 2-3控制回路原理圖[/align] 2.3 控制策略 電源利用TMS320F2812中的事件管理器，采用SPWM調(diào)制的方式，逆變器輸出信號(hào)經(jīng)三相無(wú)源濾波后得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波?？刂圃韴D如圖2-4所示： [align=center] 圖 2-4控制原理圖[/align] 2.4 軟啟動(dòng)功能及故障處理 電源系統(tǒng)設(shè)置了軟啟動(dòng)功能、開路保護(hù)、短路保護(hù)、MOSFET過流保護(hù)、缺相保護(hù)和負(fù)載不對(duì)稱保護(hù)。 電源控制系統(tǒng)有三種工作模式：正常工作模式，啟動(dòng)模式及保護(hù)模式。 當(dāng)電源開始工作或者在故障后啟動(dòng)的時(shí)候，為了防止負(fù)載側(cè)電壓上升過快而導(dǎo)致電路故障，我們采用軟啟動(dòng)的方法，這時(shí)，控制系統(tǒng)處于啟動(dòng)模式下。軟啟動(dòng)包括兩個(gè)部分，首先，在輸入側(cè)通過對(duì)輸入的三相電壓慢慢升壓的方式，我們可以保證逆變電路不會(huì)因母線電壓直接加上去而導(dǎo)致故障的發(fā)生。另外，在逆變電路的控制過程中，我們需要采用閉環(huán)控制方法，通過采樣記錄分析的數(shù)據(jù)調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率，當(dāng)負(fù)載側(cè)電壓上升到一定值的時(shí)候，我們?cè)賹㈦娐忿D(zhuǎn)入正常工作的模式之下，所以在軟啟動(dòng)條件下，負(fù)載側(cè)不會(huì)因瞬間出現(xiàn)的高電壓而發(fā)生故障。 在電源運(yùn)行的過程中，由于短路故障，工作電流將急劇升高，若不采取措施，將會(huì)使電路中許多元器件被過電流破壞。過電流發(fā)生時(shí)，電路中的過流保護(hù)裝置會(huì)動(dòng)作，這時(shí)，控制電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)將被閉鎖，驅(qū)動(dòng)信號(hào)停發(fā)，電路由正常工作模式轉(zhuǎn)入保護(hù)控制模式。保護(hù)模式下，控制系統(tǒng)會(huì)在閉鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，再經(jīng)過一個(gè)定時(shí)階段，自動(dòng)地進(jìn)行重啟動(dòng)，如果再發(fā)生過電流，電源將停止工作。 三、軟件設(shè)計(jì) 3.1軟件總體設(shè)計(jì) 軟件部分主要包括SPWM的產(chǎn)生，A/D轉(zhuǎn)換，PID調(diào)節(jié)，頻率捕獲，軟啟動(dòng)和保護(hù)。主要功能是通過正弦脈寬調(diào)制技術(shù)控制三相橋式逆變器，使其輸出頻率可調(diào)、幅值穩(wěn)定的三相正弦電壓，通過A/D轉(zhuǎn)換對(duì)輸出的電壓和電流進(jìn)行采樣，對(duì)輸出電壓、電流實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)電流超過3.6A時(shí)切斷三相逆變橋的輸出，對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)。通過PID調(diào)節(jié)使輸出電壓變化時(shí)也能及時(shí)的做出反應(yīng)，使輸出電壓穩(wěn)定在36V。在系統(tǒng)的啟動(dòng)過程中使用軟啟動(dòng)減少電壓和電流對(duì)系統(tǒng)回路的沖擊。 主程序流程圖如圖3-1所示: [align=center] 圖 3-1 主程序流程圖[/align] 3.2 SPWM生成原理 利用這些寄存器可以在TMS320F2812中很容易是實(shí)現(xiàn)如圖XXX所示的波形。在程序的初始化部分建立一個(gè)正弦表，在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候可以通過查表的方式得到想要的數(shù)據(jù)。假設(shè)在一個(gè)正弦波周期內(nèi)采樣的次數(shù)為NX，則在第i個(gè)點(diǎn)的采樣值為 其中PR為周期寄存器中的計(jì)數(shù)周期值。 對(duì)yi取整，從i=1到i=NX，得到NX個(gè)正弦采樣值的表格，設(shè)置通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)方式為連續(xù)增減計(jì)數(shù)方式，在中斷程序中調(diào)用表中的值即可產(chǎn)生相應(yīng)的按正弦規(guī)律變化的方波信號(hào)。 這里NX取180，載波比為3的整數(shù)倍（載波比=調(diào)制波頻率/載波頻率），這樣可以使三相輸出波形嚴(yán)格對(duì)稱，減少諧波對(duì)輸出電壓波形的影響。 [align=center] 圖 3-2 SPWM流程圖[/align] 3.3 顯示電路 為了提高產(chǎn)品的人機(jī)交互性，系統(tǒng)中加了顯示電路，經(jīng)過比較，我們采用SPLC501A液晶顯示屏完成顯示工作，顯示電路與DSP2812連接框圖如圖3-3所示： [align=center] 圖 3-3 液晶顯與DSP連接框圖[/align] TMS320F2812對(duì)任何一個(gè)映射在XINTF區(qū)的外部器件進(jìn)行讀/寫訪問都可劃分為三個(gè)階段:建立階段、激活階段和跟蹤階段。這次設(shè)計(jì)中LCD映射到了XINTF0,默認(rèn)情況下三個(gè)階段的周期分別為6個(gè)XTIMCLK 周期，14個(gè)XTIMCLK周期和6個(gè)XTIMCLK周期,如果將XTIMCLK的頻率設(shè)置為SYSCLKOUT的1/2,則讀/寫周期的最大值為180ns。三個(gè)階段的讀寫時(shí)序圖如圖3-4所示： [align=center] 圖3-4 TMS320F2812讀寫時(shí)序圖[/align] 凌陽(yáng)SPLC501液晶模塊的使能信號(hào)CS的周期最小為166ns,時(shí)序圖如圖3-5所示。由前面分析可得,DSP的讀寫周期最大值為180ns,液晶模塊的讀寫周期最小為166ns，DSP的讀/寫時(shí)序能滿足該液晶模塊的要求。 [align=center] 圖3-5 SPLC501讀寫時(shí)序[/align] 四 、創(chuàng)新點(diǎn)設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用交-直-交變頻方式，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)，將變頻電源的各部分很好的結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)變頻輸出；高精度顯示電壓、電流、頻率、有功功率,所測(cè)信號(hào)數(shù)值為真有效值,電壓輸出精度高，誤差保證在小于5%，輸出三相正弦波失真度小，并且具有過壓、過流保護(hù)、缺相保護(hù)等功能，性能穩(wěn)定，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于: 1. 結(jié)合TMs320LF2812芯片的AD單元，對(duì)三相變頻電源的輸出線電壓、線電流進(jìn)行采樣，外擴(kuò)隨即存儲(chǔ)器，通過SPLC501液晶顯示器顯示電壓、電流以及頻率的值，可以實(shí)現(xiàn)自主采樣和數(shù)據(jù)傳輸,大大提高數(shù)據(jù)采集效率，實(shí)時(shí)的顯示變頻電源的電壓、電流的有效值,顯示精度高,實(shí)時(shí)性好。 2. 結(jié)合TMS320F2812事件管理器EV單元，采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)，通過對(duì)SPWM程序進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)算法，可以有效的調(diào)節(jié)三相變頻電源輸出的頻率和有效值，實(shí)時(shí)性好，精度高。 3. 變頻電源系統(tǒng)控制部分完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化,控制精度更高,抗干擾能力強(qiáng)。 五、測(cè)試結(jié)果 5.1、測(cè)量波形

5.2、結(jié)果分析 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們?cè)囍屏藰悠罚墒静ㄆ饔^察到的相電壓和線電壓波形可以看出，波形基本上沒有失真，并且通過調(diào)節(jié)調(diào)制度和正弦波的頻率可以改變輸出電壓的大小，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 六、結(jié)論 研制的數(shù)字化三相變頻電源，經(jīng)過兩次試制，其間經(jīng)過多次試驗(yàn)，并且對(duì)控制原理、電路結(jié)構(gòu)、等方面進(jìn)行改進(jìn)，現(xiàn)已逐步完善并經(jīng)過考驗(yàn)，證明了本電源的有效性及可靠性。 參考文獻(xiàn) [1]（美）Muhammad H.Rashid 電力電子技術(shù)手冊(cè) 機(jī)械工業(yè)出版社 2005.6。 [2]張衛(wèi)寧.TMs320C28:系列DSp的CPU與外設(shè)（上，下）.清華大學(xué)出版社。 [3]羅聞，王峻峰，史鐵林.基于McBsP的高速串行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)IJ]微計(jì)算機(jī)信息2006-8一2-176-178。 [4]張鵬程，一種基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)[J]應(yīng)用科技2006,15一16。 [5]劉和平，TMs320LF240Xdsp c代語(yǔ)言開發(fā)應(yīng)用,北京航空航天大學(xué)出版社。 [6] 蘇奎峰 TMS320F2812原理與開發(fā) 電子工業(yè)出版社 2005.4 [7] 趙同賀 主編，開關(guān)電源設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例。北京，人民郵電出版社，2007.6。 [8].陳堅(jiān). 《電力電子學(xué)》 高等數(shù)學(xué)教育出版社 2002.1。 [9].王兆安，黃俊. 《電力電子技術(shù)》第四版 機(jī)械工業(yè)出版社. [10] Keith Billings 著 張占松 汪仁煌 謝麗萍 譯，《開關(guān)電源手冊(cè)》，人民郵電出版社，2006.12。 姓名：梅建偉 電話：13972458242 通訊地址：湖北省十堰市湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣工程系