本文实现了基于TMS320F28335的变频电源数字控制管理系统的设计,通过有效利用TMS320F28335丰富的片上硬件资源,实现了SPWM的不规则采样,并采用PID算法使系统产生高品质的正弦波,具有运算速度快、精度高、灵活性好、系统扩展能力强等优点。
根据结构不同,变频电源可分为直接变频电源与间接变频电源两大类。本文所研究的变频电源采用间接变频结构即交-直-交变换过程。首先通过单相全桥整流电路完成交-直变换,然后在DSP控制下把直流电源转换成三相SPWM波形供给后级滤波电路,形成标准的正弦波。变频系统控制器采用TI公司推出的业界首款浮点数字信号控制器TMS320F28335,它具有150MHz高速解决能力,具备32位浮点处理单元,单指令周期32位累加运算,可满足应用对于更快代码开发与集成高级控制器的浮点CPU性能的要求。与上一代领先的数字信号处理器相比,最新的F2833x浮点控制器不仅可将性能平均提升50%,还具有精度更高、简化软件开发、兼容定点C28x TM控制器软件的特点。系统总体框图如图1所示。
(1)整流滤波模块:对电网输入的交流电进行整流滤波,为变换器提供波纹较小的直流电压。
(2)三相桥式逆变器模块:把直流电压变换成交流电。其中功率级采用智能型IPM功率模块,具有电路简单、可靠性高等特点。
(4)控制电路模块:检测输出电压、电流信号后,按照一定的控制算法和控制策略产生SPWM控制信号,去控制IPM开关管的通断从而保持输出电压稳定,同时通过SPI接口完成对输入电压信号、电流信号的程控调理。捕获单元完成对输出信号的测频。
(5)电压、电流检测模块:根据要求,需要实时检测线电压及相电流的变化,所以要三路电压检测和三路电流检测电路。所有的检测信号都经过电压跟随器隔离后由TMS320F28335的A/D通道输入。
(6)辅助电源模块:为控制电路提供满足一定技术方面的要求的直流电源,以保证系统工作稳定可靠。
变频电源的硬件电路主要包含6个模块:整流电路模块、IPM电路模块、IPM隔离驱动模块、输出滤波模块、电压检测模块和TMS320F28335数字信号处理模块。
采用二极管不可控整流电路以提高网侧电压功率因数,整流所得直流电压用大电容稳压为逆变器提供直流电压,该电路由6只整流二极管和吸收负载感性无功的直流稳压电容组成。整流电路原理图如图2所示。
IPM由高速、低功率IGBT、优选的门级驱动器及保护电路组成。IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流比较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低,很适合应用于直流电压。因而IPM具有高电流密度、低饱和电压、高耐压、高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。本文选用的IPM是日本富士公司的型号为6MBP20RH060的智能功率模块,该智能功率模块由6只IGBT管子组成,其IGBT的耐压值为600V,最小死区导通时间为3μs。
由于逆变桥的工作电压较高,因此DSP的弱电信号很难直接控制逆变桥进行逆变。美国国际整流器公司生产的三相桥式驱动集成电路IR2130,只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件。
IR2130驱动其中1个桥臂的电路原理图如图3所示。C1是自举电容,为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量,D1可防止上桥臂导通时直流电压母线的电源上而使器件损坏。R1和R2是IGBT的门极驱动电阻,一般可采用十到几十欧姆。R3和R4组成过流检测电路,其中R3是过流取样电阻,R4是作为分压用的可调电阻。IR2130的HIN1~HIN3、LIN1~LIN3作为功率管的输入驱动信号与TMS320F8335的PWM连接,由TMS320F8335控制产生PWM控制信号的输入,FAULT与TMS320F8335引脚PDPINA连接,如果出现故障则触发功率保护中断,在中断程序中封锁PWM信号。
采用SPWM控制的逆变电路,输出的SPWM波中含有大量的高频谐波。为了能够更好的保证输出电压为纯正的正弦波,一定要采用输出滤波器。本文采用LC滤波电路,其中截止频率取基波频率的4.5倍,L=12mH,C=10μF。
电压检测是完成闭环控制的重要环节,为了精确的测量线的SPI总线及GPIO口控制对输入的线电压进行衰减/放大的比例以满足A/D模块对输入信号电平(0-3V)的要求。电压检测模块采用256抽头的数字电位器AD5290和高速运算放大器AD8202组成程控信号放大/衰减器,每个输入通道的输入特性为1MΩ输入阻抗+30pF。电压检测模块电路原理图如图4所示。
系统上电后按照选定的模式自举加载程序,跳转到主程序入口,进行有关变量、控制寄存器初始化设置和正弦表初始化等工作。接着使能需要的中断,启动定时器,然后循环进行故障检测和保护,并等待中断。最重要的包含三部分内容:定时器周期中断子程序、A/D采样子程序和数据处理算法。主程序流程图如图5所示。
主要进行PI调节,更新占空比,产生SPWM波。定时器周期中断流程图如图6所示。
主要完成线电流采样和线电压采样。为确保电压与电流信号间没有相对相移,本部分利用TMS320F28335片上ADC的同步采样方式。为提高采样精度,在A/D中断子程序中采用均值滤波的方法。 对A相电压和电流A/D的同步采样部分代码如下: