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基于DSP實現的一種新穎開關逆變電源

2019-11-03 09:58:47
字體：大 中 小
來源：轉載
供稿：網友
袁開發，蔣懷剛，何志偉

華南理工大學電力學院雅達電源實驗室


　　摘 要： 介 紹 了 一 種 周 波 逆 變 器 的 結 構 及 原 理 ， 并 以 TI的 TMS320LF2407型 數 字 信 號 處 理 器 作 為 控 制 核 心 ， 取 代 傳 統 的 模 擬 控 制 方 式 ， 且 給 出 了 硬 件 和 軟 件 的 設 計 方 案 。 實 驗 結 果 證 明 此 系 統 的 控 制 獲 得 了 良 好 的 效 果 。

　　關鍵詞： 周 波 變 換 器 ； 數 字 信 號 處 理 器 ； 高 頻 鏈 ； 數 字 電 源

1 引 言

　　隨 著 工 業 和 科 學 技 術 的 發 展 ， 用 戶 對 電 能 質 量 的 要 求 越 來 越 高 。 包 括 市 電 在 內 的 所 有 原 始 電 能 可 能 滿 足 不 了 用 戶 的 要 求 ， 必 須 經 過 處 理 后 才 能 使 用 ， 逆 變 技 術 在 這 種 處 理 中 起 到 了 重 要 的 作 用 。 傳 統 的 逆 變 技 術 多 為 模 擬 控 制 或 模 擬 與 數 字 相 結 合 的 控 制 系 統 ， 其 缺 點 為

　　1） 控 制 電 路 的 元 器 件 比 較 多 ， 體 積 龐 大 ， 結 構 復雜 ；

　　2） 靈 活 性 不 夠 ， 硬 件 電 路 一 旦 設 計 完 成 ， 控 制 策略 就 不 能 改 變 ；

　　3） 調 試 比 較 麻 煩 ， 由 于 元 器 件 特 性 的 差 異 ， 致 使電 源 一 致 性 差 ， 且 模 擬 器 件 的 工 作 點 漂 移 ， 會 導 致 系 統 參 數 的 漂 移 ， 從 而 給 調 試 帶 來 不 便 。

　　因 此 ， 傳 統 的 逆 變 器 在 許 多 場 合 已 不 適 應 新 的 要 求 。

　　隨 著 高 速 、 廉 價 的 數 字 信 號 處 理 器 （ DSP— — Digital Signal PRocessor） 的 問 世 ， 于 是 便 出 現 了 數 字 電 源 （ DPS— — Digital Power Supply） 。 其 優 點 有

　　1） 數 字 化 更 容 易 實 現 數 字 芯 片 的 處 理 和 控 制 ， 避 免 模 擬 信 號 傳 遞 的 畸 變 、 失 真 ， 減 少 雜 散 信 號 的 干 擾 ；

　　2） 便 于 系 統 調 試 ；

　　3） 如 果 將 網 絡 通 迅 和 電 源 軟 件 調 試 技 術 相 結合 ， 可 實 現 遠 程 遙 感 、 遙 測 、 遙 調 。

　　這 些 使 得 逆 變 電 源 數 字 化 控 制 成 為 今 后 的 發 展 趨 勢 。

　　本 文 采 用 TI公 司 專 門 為 電 機 及 電 力 電 子 領 域 設 計 的 TMS320LF2407型 DSP作 為 控 制 器 ， 介 紹 數 字 化 周 波 逆 變 器 的 硬 件 設 計 和 軟 件 設 計 。

2 TMS320LF2407的 結 構 特 點

　　TMS320LF2407具 有 高 速 信 號 處 理 和 數 字 化 控 制 功 能 所 必 需 的 結 構 特 點 。 將 其 優 化 的 外 設 單 元 和 高 性 能 的 DSP內 核 相 結 合 ， 可 以 為 各 種 類 型 電 機 提 供 高 速 和 全 變 速 的 先 進 控 制 技 術 。 其 主 要 特 點 為

　　1） 其 系 統 運 行 主 頻 達 30 MHz， 使 得 指 令 周 期 縮短 到 33 ns， 絕 大 部 份 指 令 均 可 在 單 周 期 內 完 成 ， 提 高 了 控 制 器 的 實 時 能 力 。

　　2） 2個 事 件 管 理 器 模 塊 EVA和 EVB， 每 個 包 括2個 16位 通 用 定 時 器 ； 8個 16位 的 脈 寬 調 制 （ PWM） 通 道 。 它 們 能 夠 實 現 三 相 反 相 器 控 制 ； PWM的 對 稱 和 非 對 稱 波 形 ； 當 外 部 引 腳 出 現 低 電 平 時 快 速 關 閉 PWM通 道 ； 可 編 程 的 PWM死 區 控 制 以 防 止 上 下 橋 臂 同 時 輸 入 觸 發 脈 沖 ； 16通 道 A/D轉 換 器 等 功 能 。 事 件 管 理 模 塊 適 用 于 控 制 交 流 感 應 電 機 、 無 刷 直 流 電 機 、 開 關 磁 阻 電 機 、 步 進 電 機 、 多 級 電 機 和 逆 變 器 。

　　3） 10位 A/D轉 換 器 最 小 轉 換 時 間 為 500 ns， 可選 擇 由 兩 個 事 件 管 理 器 來 觸 發 兩 個 8通 道 輸 入 A/D轉 換 器 或 一 個 16通 道 輸 入 的 A/D轉 換 器 。

　　4） 高 達 40個 可 單 獨 編 程 或 復 用 的 通 用 輸 入 /輸出 引 腳 (GPIO)。

3 系 統 結 構

　　本 系 統 由 主 電 路 和 控 制 電 路 兩 部 分 組 成 ， 如 圖 1所 示 。 主 電 路 部 分 ， 采 用 移 相 式 零 電 壓 、 零 電 流 （ PS－ ZVZCS） 全 橋 變 換 器 和 相 控 周 波 變 換 器 PCCYC （ Phase Controlled Cycle Converter） 。 跟 其 它 變 換 器 相 比 ， 相 控 周 波 變 換 器 始 終 都 可 以 工 作 在 第 一 、 三 象 限 ， 與 移 相 技 術 相 結 合 ， 可 以 極 大 地 提 高 高 頻 變 壓 器 的 工 作 效 率 。 同 時 ， 采 用 高 頻 環 進 行 逆 變 ， 因 而 無 須 采 用 工 頻 變 壓 器 ， 使 體 積 減 小 。 全 橋 變 換 器 部 分 ， 利 用 可 飽 和 電 感 Lr和 隔 直 電 容 Cr實 現 對 環 流 的 阻 斷 ， 可 以 在 很 寬 的 負 載 范 圍 內 實 現 超 前 橋 臂 的 ZVS和 滯 后 橋 臂 的 ZCS， 減 小 了 開 關 應 力 ， 降 低 了 損 耗 ， 提 高 了 工 作 效 率 。 Lr和 Cr的 選 擇 可 參 考 文 獻 [4]。 控 制 部 分 ， 采 用 快 速 、 高 效 的 DSP作 為 核 心 控 制 器 ， 通 過 光 耦 隔 離 ， 并 有 IGBT自 保 護 的 專 門 驅 動 芯 片 EXB841來 驅 動 主 電 路 中 的 功 率 開 關 管 。 與 采 樣 電 路 ， 保 護 電 路 配 合 ， 可 對 輸 出 實 行 實 時 控 制 ， 具 有 較 快 的 動 態 響 應 速 度 和 良 好 的 輸 出 特 性 。



4 工 作 原 理

　　Q1～ Q4構 成 全 橋 ， Q5、 Q6組 成 周 波 變 換 器 。 開 關 管 的 驅 動 波 形 如 圖 2所 示 。



　　整 個 工 作 過 程 可 分 為 4個 階 段 ， 下 面 分 別 說 明 。

　　第 一 階 段 Q1、 Q4導 通

　　當 Q1、 Q4（ 有 相 位 差 ） 導 通 ， 并 讓 Q5提 前 導 通 ， 直 流 側 的 能 量 便 可 傳 輸 到 輸 出 端 。 此 時 諧 振 電 感 儲 能 ， Q5軟 開 通 ， 減 少 了 開 關 損 耗 。 如 圖 2中 ug5所 示 。

　　第 二 階 段 諧 振

　　由 于 電 路 隔 直 電 容 和 諧 振 電 感 （ 包 括 變 壓 器 中 漏 感 ） 諧 振 ， 電 感 在 第 一 階 段 所 保 存 的 能 量 得 以 釋 放 。 當 諧 振 電 流 到 零 時 ， 關 斷 Q1。 此 階 段 Q2、 Q4導 通 ， Q5延 遲 一 段 時 間 再 關 斷 。 如 圖 2中 ug5所 示 。

　　第 三 階 段 Q2， Q3導 通

　　在 此 階 段 ， 使 Q6在 Q2， Q3導 通 前 提 前 導 通 。 當 Q2， Q3（ Q1， Q2之 間 有 死 區 ） 導 通 時 ， 直 流 側 的 能 量 便 可 傳 遞 到 輸 出 端 ， 此 時 Q6為 軟 開 通 。 如 圖 2中 ug6所 示 。

　　第 四 階 段 諧 振

　　工 作 原 理 同 第 二 階 段 類 似 ， 此 時 電 流 方 向 與 第 二 階 段 相 反 ， 當 電 感 上 的 能 量 釋 放 完 畢 ， 關 斷 Q6。 此 時 一 個 周 期 便 結 束 ， 開 始 下 一 個 周 期 。

　　從 圖 1可 以 看 出 ， 無 論 變 壓 器 副 邊 電 壓 極 性 如 何 ， 若 Q5導 通 、 Q6關 斷 ， 則 輸 出 端 OUT1為 正 ， OUT2為 負 ； 若 Q6導 通 ， 而 Q5關 斷 ， 則 OUT2為 正 ， 而 OUT1為 負 。 所 以 ， 控 制 Q5， Q6的 導 通 順 序 ， 即 可 控 制 輸 出 端 的 極 性 ， 并 可 獲 得 多 種 波 形 ， 例 如 交 流 、 脈 沖 等 波 形 均 可 實 現 。 如 要 輸 出 正 弦 波 的 正 半 周 時 ， PULS1控 制 Q1， Q4， PULS2控 制 Q2， Q3， 并 同 時 讓 Q5， Q6相 應 地 提 前 導 通 ， 便 可 輸 出 正 弦 波 的 正 半 周 ， 如 圖 3所 示 。



　　要 輸 出 正 弦 波 的 負 半 周 ， 只 需 讓 Q5， Q6的 導 通 順 序 交 換 便 可 ， 如 圖 4所 示 。



5 軟 件 實 現

　　TMS320LF2407的 處 理 速 度 為 30MipS， 幾 乎 所 有 的 指 令 都 可 在 50 ns的 單 周 期 內 完 成 ， 配 合 其 強 大 的 指 令 運 算 功 能 ， 很 容 易 實 現 各 種 控 制 算 法 及 高 速 的 實 時 采 樣 ， 可 提 高 系 統 的 工 作 效 率 。 為 了 改 善 系 統 的 動 態 品 質 ， 并 減 小 系 統 的 靜 差 ， 采 用 了 閉 環 來 實 現 各 個 功 率 變 換 環 節 的 控 制 。

5.1 PWM波 的 輸 出

　　本 文 采 用 三 角 波 作 為 載 波 的 規 則 采 樣 法 ， 來 獲 得 等 高 不 等 寬 的 矩 形 波 ， 即 脈 沖 。 每 個 脈 沖 的 中 點 都 與 相 應 的 三 角 波 的 中 點 相 對 應 ， 在 三 角 波 的 負 峰 值 時 刻 tD對 正 弦 調 制 波 采 樣 而 得 D點 ， 過 D點 作 一 水 平 直 線 和 三 角 波 分 別 交 于 A點 和 B點 ， 如 圖 5所 示 。 則 有

δ =Tc(1＋ sinω rtD)/2

　


根 據 這 一 關 系 式 ， 如 果 一 個 周 期 內 有 N個 矩 形 波 ， 則 第 i個 矩 形 波 的 占 空 比 為

Dr=0.5＋ 0.5sin(i＊ 2π /N)

　　用 周 期 和 占 空 比 分 別 去 設 定 TMS320LF2407中 PWM電 路 相 應 的 寄 存 器 ， 便 可 在 PWMx (x=1,2,3,4,7,8)上 獲 得 所 需 的 PWM脈 沖 波 形 ， 由 這 些 PWM脈 沖 去 控 制 相 應 的 6個 開 關 管 ， 便 可 輸 出 正 弦 波 形 。 要 注 意 的 是 ， 輸 出 正 弦 波 質 量 的 高 低 與 用 作 控 制 的 正 弦 波 的 離 散 數 量 有 關 ， 如 果 離 散 數 量 越 多 ， 則 輸 出 的 正 弦 波 就 越 平 滑 ， 但 卻 增 加 了 DSP的 運 算 量 。 反 之 輸 出 會 越 差 。 因 此 ， 對 具 體 的 應 用 場 合 ， 要 選 擇 合 適 的 離 散 值 。 定 時 器 T1， T3被 設 定 為 下 溢 和 周 期 匹 配 中 斷 方 式 ， 用 作 PWM輸 出 時 基 ， 工 作 在 連 續 增 /減 記 數 模 式 。

5.2 實 時 采 樣

　　采 用 TMS320LF2407中 集 成 的 16路 ADC轉 換 電 路 實 現 電 壓 、 電 流 采 樣 （ 每 一 通 道 的 最 小 轉 換 時 間為 500 ns） 。 通 過 采 樣 模 塊 MAX122， 將 采 樣 信 號 轉 換 為 LF2407的 ADC所 需 的 0～ 3.3 V電 平 。 在 一 個 工 頻 周 期 中 ， 將 采 樣 200次 （ 開 關 頻 率 為 20 kHz） 。 一 旦 有 沖 擊 性 負 載 存 在 ， 將 導 致 輸 出 電 流 ， 或 電 壓 過 高 ， 使 DSP能 及 時 捕 獲 此 突 變 。 DSP將 調 用 相 應 的 子 程 序 來 處 理 過 壓 或 過 流 情 況 ， 以 保 護 整 個 電 路 的 正 常 運 行 。 定 時 器 T2被 設 定 為 下 溢 和 周 期 中 斷 方 式 ， 用 作 ADC采 樣 的 控 制 時 基 ， 工 作 在 連 續 增 /減 記 數 模 式 。6 實 驗 結 果

　　根 據 以 上 原 理 ， 初 步 設 計 了 一 臺 實 驗 系 統 ， 并 獲 得 了 比 較 好 的 效 果 。 其 主 要 技 術 參 數 如 表 1所 列 。







　　圖 6為 全 橋 電 路 中 隔 直 電 容 上 的 電 壓 ， 圖 7為 變 壓 器 一 次 側 中 性 點 電 壓 及 變 壓 器 一 次 側 電 流 波 形 。

　　可 以 看 出 ， 全 橋 電 路 中 的 開 關 管 在 隔 直 電 容 和 飽 和 電 感 諧 振 作 用 下 ， 實 現 了 軟 開 通 和 軟 關 斷 。 圖 8為 輸 出 電 壓 波 形 。



7 結 語

　　本 文 介 紹 了 基 于 DSP數 字 化 控 制 的 相 控 周 波 變 換 器 電 路 拓 撲 結 構 ， 分 析 了 其 工 作 原 理 ， 并 提 出 了 控 制 信 號 的 產 生 過 程 。 實 驗 結 果 證 明 了 數 字 化 實 現 的 正 確 性 ， 并 取 得 了 較 好 的 效 果 。 可 以 肯 定 ， 采 用 數 字 化 實 現 的 高 頻 鏈 周 波 變 換 器 比 傳 統 的 基 于 模 擬 或 模 擬 與 數 字 相 結 合 的 逆 變 器 具 有 更 強 的 優 越 性 。 數 字 化 使 得 系 統 具 有 很 強 的 可 編 程 性 ， 無 論 在 調 試 ， 還 是 在 產 品 更 新 或 升 級 等 方 面 都 具 有 傳 統 逆 變 器 所 不 可 以 比 擬 的 優 勢 。

參 考 文 獻

[1] Yamato I.,et al. New Conversion System for UPS Using HighFrequency Link[C].IEEE PESC'98,1998:6581～ 663.

[2] Hua Chihchiang. Two level Switching Pattern Deadbeat DSPControlled PWM Inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1995,10(3) :310～ 317.

[3] 張 勁 松 .基 于 DSP的 全 數 字 化 單 相 在 線 式 UPS的 設 計 〖J〗 .電 力 電 子 技 術 ， 2001， 35(3):56～ 58.

[4] 阮 新 波 ， 嚴 仰 光 .直 流 開 關 電 源 的 軟 開 關 技 術 [M].北 京 :科 學 出 版 社 ， 2000.

[5] 黃 俊 ， 王 兆 安 .電 力 電 子 變 流 技 術 （ 第 三 版 ） [M].北 京 :機 械 工 為 出 版 社 ， 1999.

[6] 劉 和 平 .TMS320LF240x DSP結 構 、 原 理 及 應 用 [M].北 京 :北 京 航 空 航 天 大 學 出 版 社 ， 2002.


摘自　北極星電技術網

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