基于DSP 的宽频逆变算法的研究与实现

摘 要：以直接面积等效法为基础，通过对频率进行分段处理设计并实现了以DSP 为控制核心的宽频逆变实验系统。首先分析算法的原理，然后讨论基于DSP 的逆变软件流程，最后构建硬件系统并给出实验波形。实验结果表明该系统既满足控制精度要求又满足实时控制要求，验证了算法的可行性。
1 引言
逆变技术作为现代电子电力核心技术，集现代电子、信息和智能技术于一体。大部分的用电设备工作在工频，但在一些特殊场合，断路器、熔断器、热继电器、磁力启动器等保护性开关在线检测以及蓄电池、燃料电池内阻的在线测试等等，就需要一种能在一个较宽的频率范围变化的电能形式。本文介绍了一种在TMS32F2812 上实现的输出波形能在一个较宽的频率范围调节的逆变算法。
2 逆变技术研究
逆变控制技术经历了一个不断创新和完善的发展过程，逆变控制技术有许多种，如等脉宽PWM 调制、正弦波PWM（SPWM）调制以及空间矢量PWM（SVPWM）调制。SPWM法的基本思想是使输出脉冲宽度按照正弦规律变化，因此能有效的抑制输出电压中的低次谐波分量，得到近乎正弦的交流电压。SPWM 波形的产生有以下几种方法：自然采样法、规则采样法以及直接面积等效法等。其中直接面积等效法兼顾计算精度和速度，特别是随着具有强大运算能力的DSP 的出现，这种方法将被广泛应用。

图 1 直接面积等效法算法原理图

3 宽频逆变算法的研究与实现
3.1 SPWM 产生的设计思想
利用 TMS320F2812 生成SPWM 波的基本设计思想是利用事件管理器中的3 个全比较单元、通用定时器、死区发生单元以及输出逻辑来生成单相4 路SPWM 波，经用4 个复用的I/O 引脚输出。TMS320F2812 的定时器有4 种工作方式，用如图2（a）所示的连续增减记数方式工作的时候，将会产生对称的PWM 波形输出。在这种记数方式下，计数器的值开始连续递增，当达到周期寄存器值时开始连续递减直到计数器值为0，计数器值为0 后又重新连续递增，如此循环反复。在递增和递减的过程中，当计数器的值和比较寄存器的值相等时，即产生比较匹配时，输出方波会发生电平翻转。通过不断改变比较寄存器中的值的大小，就会产生宽度不断改变的方波序列，当方波序列宽度按照正弦规律变化就产生了与图2(b)所示SPWM 波形。

图2 数字SPWM 波形产生原理图
3.2 宽频调制算法研究与实现
特定频率输出的逆变算法其输出波形在特定频率附近小范围变化，便于滤波电路的设计。逆变器滤波电路一经设计便不能更改，其只对某一小段频率的波形有良好的滤波效果。

DSP 的寄存器中方便计算。以制作一张1024 个点的余弦表，输出波形频率f 在50Hz～3KHz变化为例。逆变算法开关频率为1024 倍的输出波形频率，即开关频率fc 在50KHz～3MKHz变化。由于每一个开关周期即1/fc 的时间内都要进行一次逆变算法，对于主频为150MHzTMS20F2812 而言要求算法须在150/3=50 个指令周期内完成，同时低通滤波器设计时要求基波频率3KHz,谐波频率50KHz。进行较为复杂的运算50 个周期远远不够，如果增加指令周期数比如提高到500 个周期，低通滤波器设计时要求基波频率3KHz,谐波频率5KHz。，显然无法设计出满足要求的滤波器。为了解决上述问题，采取分段方式设置开关频率，如表 1 所示。

由上表可以知，当一个1024 个点的余弦表制作好后，在50Hz～100Hz 段，若前一个开关周期取第N 个数，则紧接着的这个周期取第N+1 个数；在100Hz～200Hz 段，若前一个开关周期取第N 个数，则紧接着的这个周期取第N+2；依此类推。
输出波形的频率在 50Hz～3KHz 变化，开关频率范围始终保持在51.2K～102.4K 之间变化。在LC 低通滤波器中取L=1m H，C=0.47ｕF,则其截止频率约为7.3KHz 对整个频率范围都能达到较好的滤波效果。同时指令周期数为150M/100K=1500 个，可以很好的满足较为复杂的算法的需求。
主程序流程如图3（a）所示。主程序先进行系统初始化，主要包括清零所有的CPU 级中断标志寄存器同时设置CPU 级中断屏蔽寄存器，设置事件管理器中的一些控制寄存器外,给部分变量赋初值并需将四个复用的I/ O 引脚设置为PWM 波输出引脚。完成所有的初始化工作后,再进行频率幅值的设置，本文为每次预先设置好输出波形的频率与幅值再将整个程序编译烧进DSP片中进行实验，而在实际应用中一般采用外部扩展键盘或者外部扩展通讯接口进行实时设置。开相应中断，本文为开计数器连续增减模式下的下溢中断，启动计数器同时主程序进入一个循环程序等待，当不满足循环条件时整个程序结束。
中断服务子程序如图3(b)所示。当程序进入中断服务子程序后,进行中断现场的保护，采集输入电压，输出电压与电流值，判断系统是否过载。如果系统处于过载的状态下立即将四个复用的I/ O 引脚设置为高阻态从而关断整个逆变桥起到保护作用。如果系统处于正常状态则取给定的频率对照分段表选取相应的读余弦表的方法结合输入电压，采用直接面积等效法计算出开关管的开关时间，计算出的时间为理论时间结合实际采样值进行PID控制算法计算出开关管实际开关时间，将实际开关时间换算成比较寄存器相应的值，设置比较寄存器来改变下一个中断周期里各相脉冲的占空比，从而产生单相四路SPWM波形输出，最后开中断并返回等待下一个中断产生。

图3 程序流程图
4 硬件系统构建及实验结果
根据上述设计，使用TMS320F2812 控制芯片以及相应的全桥逆变电路，滤波电路，采样电路，驱动电路搭建了变频实验系统。其硬件结构如图4 所示。

图 4 硬件结构图
如图所示整个系统以 TMS320F2812 为核心控制器，Vdc 为一外接的稳定直流电压通过全桥逆变生成SPWM 波形，再通过LC 低通滤波器生成正弦波Uo。采集输入电压，输出电流及电压做算法用，同时作为过载时的软保护用。I/O 口输出的四路SPWM 信号通过功率放大隔离电路驱动逆变全桥。
在此硬件系统上采用上述宽频逆变算法实现了频率在 50Hz～3KHz 变化的正弦波的输出。输出波形如图6 所示，（a）和（b）分别为幅值5V 频率为50Hz 和1000Hz 的输出波形图，虽然频率相差20 倍，但在相同的硬件系统下输出波形的正弦度都非常好，同时幅值和频率的精度都满足要求。

图5 实验输出波形图
5 结论
研究表明 DSP 本身的PWM 模块极大的方便了控制系统的开发，同时DSP 的高速运算能力，能够支持更为复杂的算法使输出波形更佳。