基于DSP的特定消諧變頻器的設計方法研究

孫澄宇，鄒 剛

(1.吉林化工學院教務處，吉林吉林132022;2.國家電網公司吉林供電公司發展策劃部，吉林吉林132011)

在工業調速領域中，與傳統的機械調速相比，通用變頻器調速以其智能化、數字化、網絡化等諸多優點越來越受到人們的青睞.變頻器的關鍵技術是將直流電變為交流電的逆變技術.與其他消諧技術相比，特定消諧(Selective Harmonic Elimination，簡稱SHE)技術具有消除諧波次數多、殘余的諧波分量幅值小、輸出波形質量好、功率開關器件開關頻率低、損耗小、效率高以及能有效降低因低次諧波而引起諧振的可能性等優點［1-4］，廣泛用于變頻調速、光伏逆變和有源濾波等裝置.

本文設計了一種基于TMS320F2812的特定消諧PWM脈沖及控制電路的變頻器［5-6］，利用DSP內部的事件管理器實現雙極性特定消諧脈沖的發生、變頻及死區的生成.簡化了控制電路及外圍器件的結構，提高了變頻器的可靠性和實時性.

1 SHE技術

消除特定諧波法是1973年F.G.Turnbull提出的［7］.SHE技術是直接利用輸出電壓的數學模型來求解開關角.通過對電壓波形進行傅利葉級數展開，令基波幅值為一給定值，再令某些特定次諧波幅值為零，從而得到一個反映脈沖相位角度關系的非線性方程組，求解該非線性方程組，并按求得的脈沖相位角度加以控制，即可消除特定的低次諧波［8-9］.圖1為單相SHEPWM輸出的雙極性電壓波形，對其進行傅利葉分析.建立并求解方程組，得到一組在［0，π/2］區間內的脈沖開關角，再由輸出波形的奇諧對稱性，可以求得整個周期內的開關角位置.

圖1 雙極性SHEPWM輸出電壓波形

以15開關角為例，求解方程組，得表1所示角度:

表1 特定消諧方程的解(N=15，q=1，單位:度)

2 基本電路結構

特定消諧變頻器的基本結構如圖2所示.

圖2 特定消諧變頻器基本結構圖

主電路采用電壓型逆變拓撲結構，如圖3所示.IGBT開關管選用IKW50N60T.驅動電路采用IR2233增強控制信號的驅動能力.同時IR2233具有過壓保護、過流保護、欠壓保護功能.為實現DSP與驅動電路之間的電平轉換和提高抗干擾能力，在控制電路和驅動電路間采用6N137快速光耦進行隔離.

圖3 主電路拓撲圖

3 DSP控制電路設計

3.1 DSP控制電路

DSP控制電路由主控電路和輔助電路組成.主控電路以TI公司的TMS320F2812為核心，實現特定消諧PWM脈沖信號發生、變頻控制和保護控制功能.為提高主控電路響應速度，增強電路擴展性和通用性，同時針對不同應用環境提供不同開關角度，設計輔助控制電路.由于CPLD具有集成度高、編程靈活等特點，電路設計可根據不同需求通過軟件編程直接實現相應硬件邏輯，從而降低了DSP控制外圍電路響應時間.因此輔助電路的控制部分采用XILINX公司的XC95144系列CPLD作為核心控制器件，實現鍵盤操作、溫度采集、時鐘電路、數據顯示及開關角數據存儲等功能，結構如圖4所示.

圖4 DSP控制電路結構圖

SHE-PWM脈沖信號是由DSP內部的事件管理器來實現［10］.為了進行數控，必須對所求得的開關角進行數字化處理［11］.首先求出 α1-αn中相鄰最小差δmin，利用式(1)得到每個αi所包含的δmin個數 ni

將ni以數組的形式存儲到DSP中依此生成SHE-PWM脈沖.通過改變周期寄存器值實現變頻功能.周期寄存器的值根據式(2)求得，

其中fclk為系統時鐘，f為逆變頻率，T為周期寄存器的值.當啟動變頻器工作且無故障信號時，DSP啟動事件管理器工作輸出PWM脈沖，為防止工作在雙極性方式時同一橋臂上下開關器件直通而造成短路情況的發生，必須通過設置死區寄存器在輸出脈沖中人為加入死區時間，死區時間的長短主要由功率開關器件的關斷時間決定.在一個逆變周期內，如果要改變輸出脈沖的頻率，只有等到當前逆變周期結束下一個逆變周期開始時頻率才發生改變，這樣就保證了輸出信號的完整性.由于TMS320F2812主頻可達到150 MHz，因此逆變器可以在很大的頻帶范圍內實現變頻.

3.2 故障檢測

由于TMS320F2812自身集成12位A/D模塊，因此可以直接采樣來自電流傳感器、電壓傳感器和逆變器的信號，無需外加模數轉換電路，通過對采樣信號進行判斷，如果超過正常工作范圍，使能控制電路中的故障檢測信號對主電路進行保護，以免燒損功率器件.

3.3 誤差分析

由于特定消諧開關角數據及變頻數據的求得都是經過數字化處理的，因此必然存在誤差.表2是DSP系統時鐘為10 MHz、100 MHz時變頻器輸出頻率對比分析.由表2的對比分析可以看出，當系統時鐘頻率較高時，其誤差變化較小，能夠滿足以1 Hz為步進單位的變頻要求.因此為了獲得較好的變頻頻率應選用較高的系統時鐘.

fclR 80.17 90.42 99.69 100 MHz 10.00 20.00 30.00 40.00 50.01 60.00 69.10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10 MHz 9.99 19.99 30.02 40.08 49.85 59.82 70.05 f 99 80.00 90.00 99.95

4 實驗結果

為了驗證SHE-PWM技術理論所得結果消除諧波的效果及本設計的可行性，根據上述原理設計變頻器.控制電路采用 TI公司生產的TMS320F2812為核心控制器件，編程采用 C語言.圖5(a)、圖6(a)分別示出15個開關角50 Hz和40 Hz變頻器輸出電壓波形.使用FLUKE43B電能質量分析儀對該波形進行頻譜分析，得到圖5(b)和6(b)所示的結果.

圖5 15開關角50 Hz實測變頻器輸出電壓波形及頻譜

圖6 15開關角40 Hz實測變頻器輸出電壓波形及頻譜

由實驗結果可見，35次以下諧波基本全被消除掉.

5 結 論

通過實驗分析表明，根據SHE原理求得的開關角而設計的基于TMS320F2812特定消諧式變頻器具有電路結構簡單，自動生成死區，精度高，可靠性好，開關頻率低，損耗小，應用范圍廣的特點.可被直接用于變頻調速、有源濾波和光伏逆變等領域.同時逆變器輸出可有效消除特定的低次諧波，且諧波分布向高次諧波轉移.由于高次諧波的感抗比較大，這樣就很大程度上降低了諧波的影響.能有效消除或減少逆變器輸出中的諧波含量.

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