基于TMS320F28027小型逆變器控制模塊的研制——(II) 軟件設(shè)計

傅 平，鐘梁成

(閩江學(xué)院物理學(xué)與電子信息工程系，350108)

0 引言

本系統(tǒng)采用高性能數(shù)字信號處理(DSP)芯片TMS320F28027作為控制芯片，與傳統(tǒng)的單片機相比，數(shù)字信號處理芯片采用哈佛結(jié)構(gòu)，把程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開，這種結(jié)構(gòu)可有效地提高運行速度與處理能力。在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，DSP芯片廣泛采用流水線操作以減少指令執(zhí)行時間，從而進一步增強了處理器的數(shù)據(jù)處理能力，為電源采用全數(shù)字雙環(huán)控制提供了可行性解決方案。TMS320F28027還具有功能強大的EPWM模塊，ADC模塊和ECAP模塊。近幾年來，正弦脈寬調(diào)制SPWM（Sine Pulse Width Modulation）技術(shù)在逆變器中得到了廣泛的應(yīng)用，本系統(tǒng)依靠TMS320F28027的EPWM模塊和高速處理能力，在線生成SPWM波形來控制絕緣柵雙極型晶體管，實現(xiàn)逆變器的功能，減小了系統(tǒng)的體積。本文主要介紹系統(tǒng)軟件設(shè)計的思路：包括SPWM波生成控制方案、死區(qū)控制方案、上位機顯示方案等，最后為系統(tǒng)的測試結(jié)果。

1 總體方案

本逆變器的主控方案采用TI公司的TMS320F28027開發(fā)平臺，其中輸入的電壓模擬量為0-400V，需要實現(xiàn)輸出電壓的從0V開始起調(diào)。系統(tǒng)帶有死區(qū)控制，通過上位機軟件可以設(shè)置死區(qū)時間，最大可為3μs。上位機軟件用于實時通信，發(fā)送接收顯示輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、輸出頻率和機體溫度等。

F28027產(chǎn)生二路的SPWM波經(jīng)過IR2113S來產(chǎn)生四路可以驅(qū)動功率晶體管器件的SPWM波。在逆變主回路的輸入端與輸出端對電流進行采樣回送到ADC模塊，用于過流保護。同時在輸出端再對電壓和溫度進行采樣，用于過壓、欠壓和過溫保護。上位機軟件通過SCI（UART）和F28027來進行通信。

F28027的增強型脈沖寬度調(diào)制器（EPWM）外設(shè)是電力電子系統(tǒng)的關(guān)鍵控制單元。通過設(shè)置EPWM模塊來產(chǎn)生SPWM波，只需要用一個模塊（本系統(tǒng)使用EPWM4）的死區(qū)發(fā)生器控制寄存器（DBCTL）設(shè)置為主高互補（AHC）模式來產(chǎn)生兩路互補的SPWM波，再通過IR2113S來產(chǎn)生四路SPWM波。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 軟件總體方案

在這個控制系統(tǒng)中，用到的主要模塊有：EPWM4輸出兩路互補的SPWM波，TIMER0用于定時計數(shù)改變寄存器CMPA的值，使輸出的占空比改變,ADC模塊用于采樣電壓、電流與溫度，ADC0中斷用于處理采樣的溫度，ADC1用于處理采樣的電流和電壓。開始時系統(tǒng)先進行各個模塊的初始化，首先是系統(tǒng)時鐘的初始化（系統(tǒng)頻率設(shè)置為50MHz），ADC初始化及中斷處理，串口通訊初始化及數(shù)據(jù)處理，EPWM初始化及中斷處理，TIMER0初始化，外設(shè)初始化等，然后系統(tǒng)等待TIMER0中斷、ADC中斷、SCI中斷、EPWM中斷。

2.2 SPWM波生成與控制方案

PWM控制就是輸入一系列等值不等寬的脈沖，來控制逆變主回路功率器件的通斷，從而輸出一系列寬度不相等而幅值相等的脈沖，根據(jù)面積等效原理就可用這一系列等幅不等寬的脈沖來等效正弦波形。逆變電路引入這種控制技術(shù)后，只要控制輸入的PWM波就可以改變逆變電路的輸出頻率和輸出電壓。DSP由內(nèi)部的EPWM模塊定時器進行計數(shù),定時器的周期寄存器裝載三角載波周期所需要的計數(shù)值,同時將正弦波各個比較點的幅值取出, 送給EPWM的比較寄存器,當(dāng)定時器的計數(shù)值與比較寄存器的值相等時,發(fā)生比較匹配，定時器繼續(xù)計數(shù)直至達到周期寄存器的值,發(fā)生周期匹配,一個三角載波周期結(jié)束。在F28027的EPWM模塊中，只要改變對應(yīng)的PRD（周期寄存器）和CMPX(比較寄存器)中的值，就可以方便的產(chǎn)生所需要的PWM波。SPWM調(diào)制技術(shù)是指使輸出脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化且正弦波等效的脈寬調(diào)制技術(shù)。逆變控制中引入SPWM技術(shù)所起的重要作用是它較好地抑制了諧波。本系統(tǒng)采用了雙極性調(diào)制波。

2.3 死區(qū)控制方案

死區(qū)時間是PWM輸出時，為了使H橋或半H橋的上下管不會因為開關(guān)速度問題發(fā)生同時導(dǎo)通而設(shè)置的一個保護時段。由于功率器件本身都有一定的結(jié)電容，當(dāng)給這些器件通斷電時，功率器件并不會及時的導(dǎo)通或者關(guān)斷，而是存在著一定的延遲，這就是功率器件導(dǎo)通關(guān)斷的延遲現(xiàn)象。延遲現(xiàn)象會造成逆變主回路的同一個橋臂的上下兩個器件同時導(dǎo)通，這樣就會造成短路直通。本系統(tǒng)在設(shè)計硬件電路上加入結(jié)電容釋放回路來盡可能地降低該影響，由于F28027的EPWM模塊有專門的死區(qū)控制，使得死區(qū)時間可以靈活設(shè)置，也使功率器件工作更加可靠，有效避免系統(tǒng)炸機的危險。

2.4 ADC采樣中斷

此中斷用于來處理系統(tǒng)的電流、電壓和溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)所測值超過給定的閥值時，需要進行過流保護、輸出過壓欠壓保護與過溫保護。

2.5 SCI通信

此模塊主要目的在于把控制系統(tǒng)中的有關(guān)數(shù)據(jù)（輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、輸出頻率和機體溫度等）送給上位機，同時判斷數(shù)據(jù)的正確性。

圖1 通信流程圖Figure 1 flow chart of communication

圖2 上位機界面Figure 2 PC interface

2.6 上位機軟件

上位機軟件通過SCI（UART）和F28027進行通信，實時顯示逆變器的各種工作狀態(tài)值與控制逆變器工作狀態(tài)，從而使本裝置的相關(guān)性能測試和操作更加人性化。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

圖3為系統(tǒng)輸出的波形圖，其中（a）圖表示所產(chǎn)生的調(diào)制波，（b）圖表示輸出波形。表1為系統(tǒng)在不同負(fù)載下的測試結(jié)果。圖4為逆變器的實物圖，其中（a）圖為二路SPWM波形。經(jīng)過測試，系統(tǒng)輸出基本達到預(yù)期效果。

圖3 波形圖Figure 3 figure of the signal

表1 結(jié)果Table1 results

圖4 實物圖Figure 4 figure of the system

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