基于TMS320F2812的逆變電源控制器的設計與研究

摘要：隨著用電設備對高品質(zhì)的電源和電能質(zhì)量的需求日益增多，高性能逆變電源的研究越來越受到關(guān)注。首先介紹了逆變電源技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，在介紹了TMS320F2812芯片的特性之后，詳細分析了基于TMS320F2812逆變電源控制器的硬件和軟件設計，并對仿真結(jié)果進行分析總結(jié)。結(jié)果表明，該逆變電源能夠得到穩(wěn)定的正弦波輸出。
關(guān)鍵詞：TMS320F2812；逆變電源；控制器；正弦波

在電力電子技術(shù)的應用及各種電源系統(tǒng)中，逆變電源技術(shù)均處于核心地位。逆變電源是一種采用開關(guān)方式的電能變換裝置，它從交流或直流輸入獲得穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的交流輸出。近年來，現(xiàn)代逆變電源越來越趨向于高頻化，高性能，模塊化，數(shù)字化和智能化。
文中研制的逆變電源控制系統(tǒng)以TMS320F2812作為控制核心，它是一種支持實時仿真的32位微控制器，內(nèi)部具有UART、SCI總線、SPI總線、PWM、定時器、ADC、CAN總線控制器等眾多外圍部件，功能強大。主要實現(xiàn)PWM產(chǎn)生、AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換、SCI、開關(guān)量檢測、繼電器驅(qū)動以及其他信號控制。

1 基于TMS320F2812逆變電源的總體設計
1．1 DSP控制器TMS320F2812性能
TMS320F2812芯片是TMS320C28x系列中的一種，它采用先進的改進型哈佛結(jié)構(gòu)，其程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器具有各自的總線結(jié)構(gòu)，從而它的處理能力達到最大；它的指令執(zhí)行速度為150 MIPS，這種高性能使復雜控制算法的實時執(zhí)行成為可能。同時，其CPU支持基于C／C++編程，很大程度上減輕了開發(fā)者的負擔。TMS320F2812芯片的主要性能如下：
1)高性能靜態(tài)CMOS(Srate CMOS)技術(shù)
時鐘頻率為150 MHz，時鐘周期為6．67 ns。
低功耗(核心電壓1．8V，I／O口電壓和flash編程電壓均為3．3 V)
2)高性能32位中央處理器
32位算術(shù)邏輯單元(ALU)，可得64位計算結(jié)果，哈佛總線結(jié)構(gòu)，八級流水線，獨立存儲器空間，可達4 M字的程序地址和數(shù)據(jù)地址
3)片內(nèi)存儲器和外部存儲器接口
片內(nèi)存儲器包含：128 k Flash存儲器，1 k OTP型只讀存儲器，18 k SARAM
外部存儲器接口包括：多達1M的存儲器，可編程等待狀態(tài)數(shù)，可編程讀寫選通(Strobe Timing)，3個獨立的片選端
4)最多有56個獨立的可編程、多用途輸入輸出(GPIO)引腳
5)豐富的串口外圍設備
串行外圍接口SPI，采用標準的UART的串行通信接口SCIS，改進的局域網(wǎng)絡eCAN以及多通道緩沖串行接口McBSP
1．2 電源總體結(jié)構(gòu)
本文研究的是基于TMS320F2812的電源系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由主電路和控制電路組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1．3 主回路結(jié)構(gòu)
主回路由兩大部分組成：整流濾波電路和三相全橋逆變電路。整流濾波電路將三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。主回路結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖中U、V、W為三相交流電源輸入，采用了三相可控整流電路，通過改變直流母線電壓的方式來改變輸出脈沖的電壓。整流部分采用了2組晶閘管整流模塊，分別為逆變器輸出的正脈沖和負脈沖供電。通過控制晶閘管的觸發(fā)角就能控制直流母線電壓。逆變電路是該系統(tǒng)的核心部分，輸出脈沖的頻率、占空比、脈沖個數(shù)、死區(qū)時間、加工模式以及加工時間段都是通過逆變電路進行控制。

2 控制系統(tǒng)硬件設計
2．1 控制器的組成
控制器以TMS320F2812數(shù)字信號處理器為主控芯片，主要實現(xiàn)PWM產(chǎn)生、AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換、SCI、開關(guān)量檢測、繼電器驅(qū)動以及其他信號控制。
A／D轉(zhuǎn)換部分：信號前端處理，分別采集正負脈沖電壓值和電流值
D／A轉(zhuǎn)換部分：將設置值轉(zhuǎn)換為晶閘管的觸發(fā)角，并把該值送到相應的晶閘管模塊
輸入輸出部分：產(chǎn)生一些輸入和輸出信號，主要是PWM、開關(guān)量以及繼電器驅(qū)動
控制器總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

2．2 IGBT的選型
逆變電路承擔功率輸出的任務。每一個橋臂上采用多個較小開關(guān)容量的IGBT進行并聯(lián)，用多組IGBT實現(xiàn)脈沖功率信號的輸出。
2．2．1 IGBT額定電壓UCEP的確定
IGBT位于逆變橋上，其輸入端與電力電容并聯(lián)，起到了緩沖波動和干擾的作用，因此，在設計時可以適當?shù)慕档桶踩?。最大集射間電壓為：

式中，1．1為過電壓保護系數(shù)；α為安全系數(shù)，一般取1．1；100為di／dt引起的尖峰電壓。
選取時必須使額定電壓UCEP≥UCESP，考慮到IGBT的實際電壓等級，這里取UCEP=1 700 V。
2．2．2 IGBT額定電流IC的確定
流過IGBT的最大峰值電流為：

式中，Id(max)為最大平均電流；α為輸出脈沖的占空比，α=0．1時為最小占空比，ICM為最大峰值電流。最大峰值電流持續(xù)的時間為10 ms。考慮到電源輸出的平均電流較小，而峰值電流持續(xù)的時間短的特點，本設計選用德國英飛凌公司的IGBT模塊，型號：FF1200R17KE3(其耐壓值為1 700 V，額定電流1 200 A)。

3 控制系統(tǒng)軟件設計
3．1 軟件的總體結(jié)構(gòu)
軟件部分主要包括SPWM的產(chǎn)生、A／D轉(zhuǎn)換、PID調(diào)節(jié)、軟啟動和保護。基于TMS320F2812的控制電路是電源系統(tǒng)的核心，電源輸出的正負脈沖個數(shù)、占空比、頻率、加工時間、工作方式、加工時間段等參數(shù)都是由該控制電路的軟件實現(xiàn)。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。下面主要介紹主程序模塊和SPW產(chǎn)生模塊。

在主程序中，需檢測系統(tǒng)是否出現(xiàn)過壓、欠壓、過流故障，如果出現(xiàn)則把相應的標志寄存器置位，當查詢到故障標志置位后，切除故障源。主程序流程圖如圖4所示。
3．2 PWM生成原理
為了產(chǎn)生PWM信號，使用一個定時器來重復PWM的周期，用一個比較寄存器來存放調(diào)制值。定時器計數(shù)器的值不斷地與比較寄存器進行比較，當兩值匹配時，相關(guān)輸出產(chǎn)生從低到高(或從高到低)的變化。當?shù)诙纹ヅ洚a(chǎn)生或周期結(jié)束時，相關(guān)引腳會產(chǎn)生另一個變化(從高到低或從低到高)。輸出信號的變化時間由比較寄存器的值決定。這個過程在每個定時器周期按照比較寄存器不同的值重復，這樣便產(chǎn)生了PWM信號。
3．3 仿真設計
在DSP開發(fā)環(huán)境中測試三相全控整流電路輸出電壓波形，負載兩端電壓波形。輸出5個正脈沖、占空比50％，5個負脈沖、占空比90％時的DSP輸出的波形和逆變器帶負載時的波形如圖5、6所示。

從圖中可以看出電源利用TMS320F2812中的事件管理器，采用SPWM調(diào)制的方式，逆變器輸出信號接近于標準的正弦波。加上負載后電壓波形出現(xiàn)了畸變，這是由于整流后濾波電容充放電的結(jié)果。

4 結(jié)束語
本文概述了逆變電源的數(shù)字控制策略，分析了各自的優(yōu)缺點，并詳細介紹了基于TMS320F2812的主回路和控制回路的硬件和軟件設計。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SPWM程序進行設計和改進算法，可以有效的調(diào)節(jié)逆變電源輸出的頻率和有效值。通過對系統(tǒng)的逐漸完善，可進一步提高電源的可靠性和穩(wěn)定性。