基于DSP的三相SPWM變頻電源的設計

　　系統軟件設計

　　系統上電后按照選定的模式自舉加載程序，跳轉到主程序入口，進行相關變量、控制寄存器初始化設置和正弦表初始化等工作。接著使能需要的中斷，啟動定時器，然后循環進行故障檢測和保護，并等待中斷。主要包括三部分內容：定時器周期中斷子程序、A/D采樣子程序和數據處理算法。主程序流程圖如圖5所示。

　　圖5 主程序流程圖

　　定時器周期中斷子程序

　　主要進行PI調節，更新占空比，產生SPWM波。定時器周期中斷流程圖如圖6所示。

　　圖6 定時器周期中斷流程圖

　　A/D采樣子程序

　　主要完成線電流采樣和線電壓采樣。為確保電壓與電流信號間沒有相對相移，本部分利用TMS320F28335片上ADC的同步采樣方式。為提高采樣精度，在A/D中斷子程序中采用均值濾波的方法。

　　對A相電壓和電流A/D的同步采樣部分代碼如下：

　　interrupt void adc_isr(void)

　　{

　　if(counter==0)

　　{

　　receive_a0_data[i++] = AdcRegs.ADCRESULT0>>4; //右移四位

　　receive_b0_data[j++] = AdcRegs.ADCRESULT1>>4; //右移四位

　　}

　　if(counter>=1)

　　{ // 對結果取平均，平滑濾波

　　receive_a0_data[i++] = (receive_a0_data[i0++]+(AdcRegs.ADCRESULT0>>4))/2;

　　receive_b0_data[j++] = (receive_b0_data[j0++]+(AdcRegs.ADCRESULT1>>4))/2;

　　}

　　if(i==512) {i=0;i0=0;}

　　if(j==512) {j=0;j0=0; counter++;}

　　AdcRegs.ADCTRL2.bit.RST_SEQ1 = 1; // 復位排序器

　　AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR = 1; // 清中斷標志位

　　PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1;// 開中斷應答

　　}

　　數據處理算法

　　本系統主要用到以下算法：(1)SVPWM算法(2)PID調節算法(3)頻率檢測算法

　　SVPWM算法

　　變頻電源的核心就是SVPWM波的產生，SPWM波是以正弦波作為基準波(調制波)，用一列等幅的三角波(載波)與基準正弦波相比較產生PWM波的控制方式。當基準正弦波高于三角波時，使相應的開關器件導通;當基準正弦波低于三角波時，使相應的開關器件截止。由此，逆變器的輸出電壓波形為脈沖列，其特點是：半個周期中各脈沖等距等幅不等寬，總是中間寬，兩邊窄，各脈沖面積與該區間正弦波下的面積成比例。這種脈沖波經過低通濾波后可得到與調制波同頻率的正弦波，正弦波幅值和頻率由調制波的幅值和頻率決定。

　　本文采用不對稱規則采樣法，即在三角波的頂點位置與低點位置對正弦波進行采樣，它形成的階梯波更接近正弦波。不規則采樣法生成SPWM波原理如圖7所示。圖中，Tc是載波周期，M是調制度，N為載波比，Ton為導通時間。

　　由圖7得：

　　當k為偶數時代表頂點采樣，k為奇數時代表底點采樣。

　　SVPWM算法實現過程：

　　利用F28335內部的事件管理器模塊的3個全比較單元、通用定時器1、死區發生單元及輸出邏輯可以很方便地生成三相六路SPWM波形。實際應用時在程序的初始化部分建立一個正弦表，設置通用定時器的計數方式為連續增計數方式，在中斷程序中調用表中的值即可產生相應的按正弦規律變化的SPWM波。SPWM波的頻率由定時時間與正弦表的點數決定。

　　SVPWM算法的部分代碼如下：

　　void InitEv(void)

　　{

　　EALLOW;

　　GpioMuxRegs.GPAMUX.all=0x00FF;

　　EDIS;

　　EvaRegs.EVAIFRA.all = 0xFFFF; // 清除中斷標志

　　EvaRegs.T1PR= 2500; //定時器1周期值,定時0.4us*2500=1ms

　　EvaRegs.T1CMPR = XPWM; //比較值初始化

　　EvaRegs.T1CNT = 0; EvaRegs.T1CON.all = 0xF54E; //增模式, TPS系數80M/32=2.5M,T1使能,

　　EvaRegs.ACTR.all = 0x0006; //PWM1,2低有效

　　EvaRegs.DBTCONA.all = 0x0534; //使能死區定時器1,分頻80M/32=2.5M,死區時

　　//間5*0.4us=2us

　　EvaRegs.COMCONA.all = 0xA600; //比較控制寄存器

　　EvaRegs.EVAIMRA.all = 0x0080;

　　}

　　PID調節算法

　　在實際控制中很多不穩定因素易造成增量較大，進而造成輸出波形的不穩定性，因此必須采用增量式PID算法對系統進行優化。PID算法數學表達式為

　　Upresat(t)= Up(t)+ Ui(t)+ Ud(t)

　　其中，Up(t)是比例調節部分，Ui(t)是積分調節部分，Ud(t)是微分調節部分。

　　本文通過對A/D轉換采集來的電壓或電流信號進行處理，并對輸出的SPWM波進行脈沖寬度的調整，使系統輸出的電壓保持穩定。

　　PID調節算法的部分代碼如下：

　　float PIDCalc( PID *pp, int NextPoint )

　　{

　　int dError,Error;

　　Error=pp->SetPoint*10-NextPoint; // 偏差

　　pp->SumError+= Error; // 積分

　　dError=pp->LastError-pp->PrevError; // 當前微分

　　pp->PrevError = pp->LastError;

　　pp->LastError = Error;

　　return

　　((pp->Proportion) * Error // 比例項

　　+ (pp->Integral) * (pp->SumError) // 積分項

　　+ (pp->Derivative) * dError); // 微分項

　　}

　　頻率檢測算法

　　頻率檢測算法用來檢測系統輸出電壓的頻率。用TMS320F28335片上事件管理器模塊的捕獲單元捕捉被測信號的有效電平跳變沿，并通過內部的計數器記錄一個周波內標頻脈沖個數，最終進行相應的運算后得到被測信號頻率。

　　實驗結果

　　測量波形

　　在完成上述硬件設計的基礎上，本文采用特定的PWM控制策略，使逆變器拖動感應電機運行，并進行了短路、電機堵轉等實驗，證明采用逆變器性能穩定，能可靠地實現過流和短路保護。圖8是電機在空載條件下，用數字示波器記錄的穩態電壓波形。幅度為35V，頻率為60Hz。

　　圖7 不規則采樣法生成SPWM波原理圖

　　圖8 輸出線電壓波形

　　測試數據

　　在不同頻率及不同線電壓情況下的測試數據如表1所示。

　　表1 不同輸出頻率及不同線電壓情況下實驗結果

　　結果分析

　　由示波器觀察到的線電壓波形可以看出，波形接近正弦波，基本無失真;由表中數據可以看出，不同頻率下，輸出線電壓最大的絕對誤差只有0.6V，相對誤差為1.7%。

　　結束語

　　本文設計的三相正弦波變頻電源，由于采用了不對稱規則采樣算法和PID算法使輸出的線電壓波形基本為正弦波，其絕對誤差小于1.7%;同時具有故障保護功能，可以自動切斷輸入交流電源。因此本系統具有電路簡單、抗干擾性能好、控制效果佳等優點，便于工程應用，具有較大的實際應用價值。