引言

逆變技術(shù)作為現(xiàn)代電子電力核心技術(shù)，集現(xiàn)代電子、信息和智能技術(shù)于一體。大部分的用電設(shè)備工作在工頻，但在一些特殊場(chǎng)合，斷路器、熔斷器、熱繼電器、磁力啟動(dòng)器等保護(hù)性開(kāi)關(guān)在線檢測(cè)以及蓄電池、燃料電池內(nèi)阻的在線測(cè)試等等，就需要一種能在一個(gè)較寬的頻率范圍變化的電能形式。本文介紹了一種在TMS320F2812 上實(shí)現(xiàn)的輸出波形能在一個(gè)較寬的頻率范圍調(diào)節(jié)的逆變算法。

2 逆變技術(shù)研究

逆變控制技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新和完善的發(fā)展過(guò)程，逆變控制技術(shù)有許多種，如等脈寬PWM 調(diào)制、正弦波PWM（SPWM）調(diào)制以及空間矢量PWM（SVPWM）調(diào)制。SPWM法的基本思想是使輸出脈沖寬度按照正弦規(guī)律變化，因此能有效的抑制輸出電壓中的低次諧波分量，得到近乎正弦的交流電壓。SPWM 波形的產(chǎn)生有以下幾種方法：自然采樣法、規(guī)則采樣法以及直接面積等效法等。其中直接面積等效法兼顧計(jì)算精度和速度，特別是隨著具有強(qiáng)大運(yùn)算能力的DSP 的出現(xiàn)，這種方法將被廣泛應(yīng)用。

圖 1 直接面積等效法算法原理圖

3 寬頻逆變算法的研究與實(shí)現(xiàn)

3.1 SPWM 產(chǎn)生的設(shè)計(jì)思想

利用 TMS320F2812 生成SPWM 波的基本設(shè)計(jì)思想是利用事件管理器中的3 個(gè)全比較單元、通用定時(shí)器、死區(qū)發(fā)生單元以及輸出邏輯來(lái)生成單相4 路SPWM 波，經(jīng)用4 個(gè)復(fù)用的I/O 引腳輸出。TMS320F2812 的定時(shí)器有4 種工作方式，用如圖2（a）所示的連續(xù)增減記數(shù)方式工作的時(shí)候，將會(huì)產(chǎn)生對(duì)稱的PWM 波形輸出。在這種記數(shù)方式下，計(jì)數(shù)器的值開(kāi)始連續(xù)遞增，當(dāng)達(dá)到周期寄存器值時(shí)開(kāi)始連續(xù)遞減直到計(jì)數(shù)器值為0，計(jì)數(shù)器值為0 后又重新連續(xù)遞增，如此循環(huán)反復(fù)。在遞增和遞減的過(guò)程中，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值和比較寄存器的值相等時(shí)，即產(chǎn)生比較匹配時(shí)，輸出方波會(huì)發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)。通過(guò)不斷改變比較寄存器中的值的大小，就會(huì)產(chǎn)生寬度不斷改變的方波序列，當(dāng)方波序列寬度按照正弦規(guī)律變化就產(chǎn)生了與圖2(b)所示SPWM 波形。

圖2 數(shù)字SPWM 波形產(chǎn)生原理圖

3.2 寬頻調(diào)制算法研究與實(shí)現(xiàn)

特定頻率輸出的逆變算法其輸出波形在特定頻率附近小范圍變化，便于濾波電路的設(shè)計(jì)。逆變器濾波電路一經(jīng)設(shè)計(jì)便不能更改，其只對(duì)某一小段頻率的波形有良好的濾波效果。

DSP 的寄存器中方便計(jì)算。以制作一張1024 個(gè)點(diǎn)的余弦表，輸出波形頻率f 在50Hz～3KHz變化為例。逆變算法開(kāi)關(guān)頻率為1024 倍的輸出波形頻率，即開(kāi)關(guān)頻率fc 在50KHz～3MKHz變化。由于每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期即1/fc 的時(shí)間內(nèi)都要進(jìn)行一次逆變算法，對(duì)于主頻為150MHzTMS320F2812 而言要求算法須在150/3=50 個(gè)指令周期內(nèi)完成，同時(shí)低通濾波器設(shè)計(jì)時(shí)要求基波頻率3KHz,諧波頻率50KHz。進(jìn)行較為復(fù)雜的運(yùn)算50 個(gè)周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，如果增加指令周期數(shù)比如提高到500 個(gè)周期，低通濾波器設(shè)計(jì)時(shí)要求基波頻率3KHz,諧波頻率5KHz。，顯然無(wú)法設(shè)計(jì)出滿足要求的濾波器。為了解決上述問(wèn)題，采取分段方式設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率，如表 1 所示。

由上表可以知，當(dāng)一個(gè)1024 個(gè)點(diǎn)的余弦表制作好后，在50Hz～100Hz 段，若前一個(gè)開(kāi)關(guān)周期取第N 個(gè)數(shù)，則緊接著的這個(gè)周期取第N+1 個(gè)數(shù)；在100Hz～200Hz 段，若前一個(gè)開(kāi)關(guān)周期取第N 個(gè)數(shù)，則緊接著的這個(gè)周期取第N+2；依此類推。

輸出波形的頻率在 50Hz～3KHz 變化，開(kāi)關(guān)頻率范圍始終保持在51.2K～102.4K 之間變化。在LC 低通濾波器中取L=1m H，C=0.47ｕF,則其截止頻率約為7.3KHz 對(duì)整個(gè)頻率范圍都能達(dá)到較好的濾波效果。同時(shí)指令周期數(shù)為150M/100K=1500 個(gè)，可以很好的滿足較為復(fù)雜的算法的需求。

主程序流程如圖3（a）所示。主程序先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，主要包括清零所有的CPU 級(jí)中斷標(biāo)志寄存器同時(shí)設(shè)置CPU 級(jí)中斷屏蔽寄存器，設(shè)置事件管理器中的一些控制寄存器外,給部分變量賦初值并需將四個(gè)復(fù)用的I/ O 引腳設(shè)置為PWM 波輸出引腳。完成所有的初始化工作后,再進(jìn)行頻率幅值的設(shè)置，本文為每次預(yù)先設(shè)置好輸出波形的頻率與幅值再將整個(gè)程序編譯燒進(jìn)DSP片中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而在實(shí)際應(yīng)用中一般采用外部擴(kuò)展鍵盤或者外部擴(kuò)展通訊接口進(jìn)行實(shí)時(shí)設(shè)置。開(kāi)相應(yīng)中斷，本文為開(kāi)計(jì)數(shù)器連續(xù)增減模式下的下溢中斷，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器同時(shí)主程序進(jìn)入一個(gè)循環(huán)程序等待，當(dāng)不滿足循環(huán)條件時(shí)整個(gè)程序結(jié)束。

中斷服務(wù)子程序如圖3(b)所示。當(dāng)程序進(jìn)入中斷服務(wù)子程序后,進(jìn)行中斷現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)，采集輸入電壓，輸出電壓與電流值，判斷系統(tǒng)是否過(guò)載。如果系統(tǒng)處于過(guò)載的狀態(tài)下立即將四個(gè)復(fù)用的I/ O 引腳設(shè)置為高阻態(tài)從而關(guān)斷整個(gè)逆變橋起到保護(hù)作用。如果系統(tǒng)處于正常狀態(tài)則取給定的頻率對(duì)照分段表選取相應(yīng)的讀余弦表的方法結(jié)合輸入電壓，采用直接面積等效法計(jì)算出開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)時(shí)間，計(jì)算出的時(shí)間為理論時(shí)間結(jié)合實(shí)際采樣值進(jìn)行PID控制算法計(jì)算出開(kāi)關(guān)管實(shí)際開(kāi)關(guān)時(shí)間，將實(shí)際開(kāi)關(guān)時(shí)間換算成比較寄存器相應(yīng)的值，設(shè)置比較寄存器來(lái)改變下一個(gè)中斷周期里各相脈沖的占空比，從而產(chǎn)生單相四路SPWM波形輸出，最后開(kāi)中斷并返回等待下一個(gè)中斷產(chǎn)生。

圖3 程序流程圖

4 硬件系統(tǒng)構(gòu)建及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，使用TMS320F2812 控制芯片以及相應(yīng)的全橋逆變電路，濾波電路，采樣電路，驅(qū)動(dòng)電路搭建了變頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖 4 硬件結(jié)構(gòu)圖

如圖所示整個(gè)系統(tǒng)以 TMS320F2812 為核心控制器，Vdc 為一外接的穩(wěn)定直流電壓通過(guò)全橋逆變生成SPWM 波形，再通過(guò)LC 低通濾波器生成正弦波Uo。采集輸入電壓，輸出電流及電壓做算法用，同時(shí)作為過(guò)載時(shí)的軟保護(hù)用。I/O 口輸出的四路SPWM 信號(hào)通過(guò)功率放大隔離電路驅(qū)動(dòng)逆變?nèi)珮颉?/p>

在此硬件系統(tǒng)上采用上述寬頻逆變算法實(shí)現(xiàn)了頻率在 50Hz～3KHz 變化的正弦波的輸出。輸出波形如圖6 所示，（a）和（b）分別為幅值5V 頻率為50Hz 和1000Hz 的輸出波形圖，雖然頻率相差20 倍，但在相同的硬件系統(tǒng)下輸出波形的正弦度都非常好，同時(shí)幅值和頻率的精度都滿足要求。

圖5 實(shí)驗(yàn)輸出波形圖

5 結(jié)論

研究表明 DSP 本身的PWM 模塊極大的方便了控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，同時(shí)DSP 的高速運(yùn)算能力，能夠支持更為復(fù)雜的算法使輸出波形更佳。