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基于DSP的逆变电源控制器的设计
作者：王瑞熙,沈涛
来源：《科技传播》2011年第16期
摘要 本文讨论的逆变电源控制器采用数字信号处理器（DSP）对逆变电源系统进行全数字控制，通过改变PWM波形的脉冲宽度和调制周期可以达到调压和变频的目的，并融合了多元化的保护功能使逆变电源系统的驱动电路变得简单可靠。 关键词 逆变；脉宽调制；SVPWM；控制器
中图分类号TM4 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）49-0184-02
许多行业的用电设备不是直接使用通用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。其幅值、频率稳定度及变化方式因用电设备的不同而不尽相同，例如通信电源、不间断电源、医用电源等都是通过整流和逆变组合电路对原始电能进行变换后得到的。电力系统中，将电网交流电通过整流技术变成直流电，然后通过逆变技术，将直流变成高频交流，再通过高频变压器降压，就达到缩小变压器体积和提高供电质量的目的了[1]。工控行业中，应用广泛的交流伺服电机的驱动单元使用的是频率可调的三相交流电，而电网提供的交流电是不变的，为了得到幅值和频率可调的三相交流电，我们需要进行直交变换。本文采用了TI公司生产的32位定点DSP控制器TMS320F2812作为控制器主处理器，采用先进的SVPWM空间矢量控制算法，并且融合了多元化的保护功能，通过电流采样实现了逆变电源的过流和短路保护，具有良好的实用性。 1 系统结构
逆变器中的变流器由三组IGBT组成，在其运行的过程中，IGBT的通断频率是很高的，这就需要驱动信号发生器有较高的运算速度，能够产生所需频率的驱动信号，而高性能控制器DSP可以满足这个要求。TI公司生产的32位定点DSP控制器TMS320F2812，其工作频率高达150Mz，高性能的32位CPU，大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力，是目前控制领域最先进的处理器之一，其PWM发生电路可以根据需要直接改变PWM输出频率，随时改变PWM的脉宽，能够满足逆变器的控制要求。同时，可以利用MATLAB中的Simulink对TMS320F2812进行图形化编程，用MATLAB直接编译出TMS320F2812的代码进行应用，这样可以使逆变器的控制算法可读性高，易于修改，并且可以减少软件的开发周期，降低产品成本。另外，通过定义MATLAB中的subsystem，可以使编译出的程序模块化，这样，除了可以增加程序的可读性，而且灵活性高，可以很好的适应不同系统带来的变化，可移植性也高[2]。以TMS320F2812为核心的逆变电源控制系统如图1所示：
TMS320F2812具有丰富的片内外围设备：两个事件管理器（EV）模块：EVA和EVB，每一个模块都包含两个16位定时器；8个16位脉宽调制（PWM）通道；3个捕获单元等，可
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以完成PWM信号产生、信号指示和故障保护等功能;最小转换时间为80ns的12位ADC，可以完成数据采集；CAN，SCI和SPI通信接口，可以完成快速通信功能；单个指令周期为6.67ns。TMS320F2812具有强大的数学运算和控制功能，丰富的接口外设，数据处理能力强，可以很好地满足逆变电源的实时控制要求。 2 控制器设计 2.1电源电路的设计
逆变电源控制器中的电源板的作用是对主电源进行调理从而得到控制器所需要的各种电源电压，同时为各传感器提供相应的电源。控制器所需电压有±15V，因此，电源调理板应提供此相应的电压。
根据经验我们选择1 000uF的电解电容和0.1uF的瓷片电容，其作用分别是： C2:防止输入引线较长带来电感效应而产生的自激。 C4:减小负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。
C1、C3:是容量较大的电解电容，用来进一步减小输出脉动和低频干扰。 2.2信号调理电路的设计
所谓信号调理，就是将被测的模拟信号或数字（离散）信号通过放大、滤波等功能变换为适合测量或后端电路要求的信号。从传感器采集过来的电网中的信号为电流信号，要求输送到DSP中的是0V~3V的电压信号，所以需要一步信号转换，信号调理板的功能就是实现这一转换。把从电网中采集到的电流信号（-50mA~50mA）经过采集，放大，限幅，跟随，形成稳定的电压信号（0V~3V）,送给处理器DSP。
信号调理电路的原理为：该图实现的功能是把从传感器出来的信号，经过这个电路，整理成具有箝位、稳压、跟随特点的信号，然后输入到DSP（数字信号处理器）中。其中最重要的器件就是运放OPA2822，箝位稳压管。假如从传感器出来的信号是-1.5V—+1.5V，要得到0—+3V的稳定的电压，要经过一级运算放大电路的放大，铅位，与基准电压（≥2.5V）的相加，电压跟随这几个步骤得到。箝位稳压管的作用是将信号稳定在一个范围之内，最低不能低于-3V,最高不能高于+3V。 2.3驱动电路设计
功率管的驱动电路采用美国IR公司推出的IR2110专用功率驱动芯片。该芯片具有体积小、集成度高、驱动能力强、响应快、偏值电压高、内设欠压封锁、成本低等显著特点。因为上管驱动采用外部自举电容上电，使得驱动电源数目大大少于其他IC芯片。对于6管构成的
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三相全桥逆变电路，3片IR2110驱动三个桥臂仅需一路15V的电源，这样大大减少了控制变压器体积和供电电源数目，同时性价比得到了很大提高。
D1、C4分别为自举充电二极管和自举充电电容。当Q2开通时，Vcc经D1、C4、负载以及Q2给C4充电，以确保Q2关闭、Q1开通时，Q1管的栅极靠C4上的储能来驱动，从而实现自举式驱动。C3为下桥臂功率器件栅极供电电源的去耦电容。自举充电二极管和自举充电电容必须进行严格的设计，其中自举二极管应能阻断直流母线上的高压，二极管承受的电流是栅极电荷与开关频率之积，其耐压能力必须大于高端母线电压的峰值。为了减少电荷损失，应选用漏电流小的快恢复二极管或者超快恢复二极管。因为自举充电二极管的瞬态正向压降导致关断时产生尖峰电压，如果二极管反向恢复的时间长，高频交换动作时二极管产生的损耗就会变大，二极管反向恢复将会变得急剧，反向恢复动作时开关管Q1栅源间的驱动电压将产生急剧的大幅震荡。自举电容需要能够提供给自举电路足够的电荷，并且能保持其电压，否则电压将有比较大的纹波，使高端开关无法正常工作。本设计选取1μF的钽电容作为自举电容。电阻R7、R9为保护电阻，限制MOSFET的门极和源极的电压差值，以保护管子不被烧坏。 2.4电流检测电路设计
进行电流检测的方法很多，如采样电流互感器、采样电阻等。前者增加了设备成本，安装不当会影响检测精度；后者如果采用一般的电阻，采样精度不高，并且难以实现电流检测信号的隔离。本系统采用ACS712ELCTR-30A-T芯片来检测电路中的电流。电流检测的应用电路如图2所示。
2.5保护电路设计
一个可靠的控制系统，由于受到各种干扰的影响，有可能发生故障。当出现故障时，如果不及时处理，就会造成损坏功率开关器件以及其它设备的严重后果，所以保护环节非常重要。当系统出现异常情况时应及时检测并快速封锁系统的输出，切断主回路电源，使系统停止工作，以保护控制系统免受更大的损坏。本系统设置了过压、过流等保护环节，根据简单可靠原则设计了该系统具体的保护电路。 2.5.1过压保护电路的设计
半导体开关器件在关断瞬间会产生尖峰电压，如果不加以限制会超过元件的极限参数，造成元件的永久性损坏，因而必须采用有效的保护措施消除可能产生的尖峰，并将器件的大部分开关损耗转移到保护电路中。由于MOSFET的开关速度较高，在MOSFET关断时，将会产生很高的浪涌电压，如果其峰值超过了MOSFET的耐压，将损坏MOSFET。为了抑制此浪涌电压，本文增设了RCD缓冲电路。RCD缓冲电路并接在直流母线侧，且靠近逆变桥。其中D2为快恢复二极管FR607，C为无感吸收电容，R为10Ω、2W电阻。RCD缓冲电路可有效吸收浪涌电压，抑制电压尖峰-[3]。