基于TMS320F2812的新型數(shù)字變頻器設(shè)計(jì)

韓素賢

摘要：為了提高變頻器的靜、動(dòng)態(tài)特性以及性價(jià)比，提出了一種基于TMS320F2812的新型數(shù)字變頻器設(shè)計(jì)方案，以空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)作為理論基礎(chǔ)，本論文主要是硬件的實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該新型變頻器結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，并具有較好的靜、動(dòng)態(tài)性能。對于研究和開發(fā)太陽能熱氣流發(fā)電具有重要意義。

關(guān)鍵詞：TMS320F2812 整流電路 變頻器 逆變電路

中圖分類號：TN773 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0174-02

隨著微處理器和全控型功率器件的發(fā)展，PWM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于變頻器、有源電力濾波器等領(lǐng)域。PWM變頻器常見的調(diào)制方法有空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM和正弦脈寬調(diào)制SPWM。其中，SVPWM技術(shù)具有直流側(cè)的電壓利用率高、輸出電壓諧波小以及便于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。TMS320F2812是TI公司生產(chǎn)的電機(jī)控制專用芯片，它的事件管理器（Event Manager，簡稱EV）中帶有硬件SVPWM波形生成電路，所以用芯片TMS320F2812生成SVPWM波形具有硬件結(jié)構(gòu)簡單，控制精度較高，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。本設(shè)計(jì)結(jié)合烏海金沙灣太陽能熱氣流發(fā)電工程，主要致力于全數(shù)字變頻器的設(shè)計(jì)及研究。

1 變頻器結(jié)構(gòu)

基于TMS320F2812的新型數(shù)字變頻器可分為主電路、控制電路和控制電源等部分。主電路主要由整流電路、濾波電路、緩沖電路及逆變電路組成，用于實(shí)現(xiàn)變壓和變頻功能，從而給異步電機(jī)提供頻率和電壓均可調(diào)的交流電源；控制電路以TMS320F2812為核心，包括交流側(cè)電流檢測模塊、交直流側(cè)電壓檢測模塊、驅(qū)動(dòng)電路等，用于給主電路提供各種邏輯控制信號，同時(shí)DSP計(jì)算是否有過流、過壓或欠壓等故障產(chǎn)生，以便產(chǎn)生故障信號，從而封鎖PWM輸出信號；輔助電源的功能是給控制電路提供各種所需的電壓等級的直流電源。

2 變頻器硬件設(shè)計(jì)

2.1 主電路的設(shè)計(jì)

該變頻器的主電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1.1 整流電路

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為鼠籠異步電機(jī)，參數(shù)為：，，，，。

在SVPWM交流變頻電路中，整流電路是給逆變電路提供直流母線電壓的。整流電路將電網(wǎng)供給的電壓為380V、頻率為50Hz的交流電變成方向不變，而大小隨時(shí)間變化的脈沖直流電壓。

整流電路采用不可控二極管組成三相整流橋。整流二極管的參數(shù)選取如下：

流過整流二極管的峰值電流也就是異步電機(jī)最大負(fù)載時(shí)的峰值電流，是電機(jī)電流額定值的5～6倍，取，通過整流二極管的電流有效值由下式?jīng)Q定：

2.1.2 中間濾波電路

整流電路輸出的直流電壓含有脈動(dòng)成分，另外由于負(fù)載變化和逆變電路產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也會使電流產(chǎn)生脈動(dòng)，為了將其中的交流成分濾掉，使其成為平滑的直流電，必須在整流電路后加一個(gè)低通濾波器。本設(shè)計(jì)中采用的是電容濾波電路，在整流輸出端并大電容，在直流電源和逆變電路負(fù)載之間提供無功功率緩沖。由于整流部分輸出的直流電壓含有比較多的偶次諧波，頻率越高，電容容抗越小，其分流作用就越大，諧波被濾掉的也就越多，從而輸出的電壓平均值就越大。所以濾波電容值在理論上是越大越好的，由于考慮到成本和電容的體積，該實(shí)驗(yàn)選用兩組CEB系列螺栓式日立電容（高紋波電流產(chǎn)品）6800MFD 400VDC串聯(lián)，每組又由兩個(gè)電容并聯(lián)而成。每個(gè)電容并聯(lián)一個(gè)型號為5W51KJ的電阻作為均壓電阻。

2.1.3 逆變電路IGBT模塊的選型

IGBT模塊接于直流母線上，工作時(shí)一對橋臂的上橋臂的IGBT和下橋臂的IGBT輪流導(dǎo)通，所以即為關(guān)斷時(shí)IGBT兩端承受的電壓。由于IGBT管關(guān)斷時(shí)，線路上的分布電感產(chǎn)生尖峰電壓，并且還要有一定的裕量，取1.8倍的安全系數(shù)，IGBT的耐壓值取1200V。

依據(jù)上述求得的IGBT的的耐壓值及流過的電流，該逆變電路選用的是德國西門康IGBT模塊SKM 100GB124D。

2.1.4 緩沖電路

緩沖電路（又叫吸收電路）的主要功能是為了抑制IGBT等功率元件的關(guān)斷浪涌電壓以及續(xù)流二極管的恢復(fù)浪涌電壓，減少元器件的開關(guān)損耗，從而可以有效利用IGBT的極限功率。吸收電路將開關(guān)損耗從元器件轉(zhuǎn)移到緩沖器上，目的是保證功率元件的安全工作，但是總開關(guān)損耗沒有減少。本設(shè)計(jì)選用的是充放電型RCD吸收電路。

2.1.5 快速短路保護(hù)電路

遇到輸出線路短路的情況，一般的保護(hù)措施是關(guān)斷所有的IGBT，但對于650V的直流電源，短路電流上升得特別快，關(guān)斷信號還未來得及起作用，IGBT可能就已經(jīng)燒壞。為了確保IGBT的安全，必須采取其他措施。本文設(shè)計(jì)的主電路中在輸出端串聯(lián)電感，根據(jù)電感的固有特性去抑制短路電流的上升速度，爭取時(shí)間在IGBT的電流達(dá)到所能承受的最大值之前，使保護(hù)電路將IGBT完全關(guān)斷。

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路采用的是TMS320F2812芯片，用來完成SVPWM波形的生成及故障檢測、串行通信等。該芯片具有外設(shè)集成度高、A/D轉(zhuǎn)換速度快、控制算法實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在異步電機(jī)的全數(shù)字控制系統(tǒng)中。以TMS320F2812為核心的變頻器控制電路原理框圖如圖2所示。

控制電路工作原理：采用先進(jìn)的SVPWM算法，把異步電機(jī)和逆變器作為一整體，利用TMS320F2812A的EV生成6路SVPWM信號，通過功率驅(qū)動(dòng)模塊IR2130D來驅(qū)動(dòng)逆變器實(shí)現(xiàn)變頻、變壓控制；并且對電流、電壓以及轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行檢測，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，能夠及時(shí)做出相應(yīng)反應(yīng)。

3 硬件實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

利用上述設(shè)計(jì)方案完成了變頻器的制作。在變頻器的測試過程中，程序在TMS320F2812硬件基礎(chǔ)上，用C語言實(shí)現(xiàn)SVPWM的調(diào)制。使用CCS3.3軟件把程序通過仿真器加載到TMS320F2812目標(biāo)板上。在給定輸出頻率、直流母線電壓后，通過示波器觀測到濾波后的異步電機(jī)線電壓波形如圖3所示。

在基于TMS320F2812的SVPWM變頻器控制下，異步電機(jī)運(yùn)行性能良好、線電壓波形好、諧波成分少并且直流側(cè)電壓利用率高，從而驗(yàn)證了該變頻器設(shè)計(jì)方案的正確性，實(shí)現(xiàn)了對異步電機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)字化控制。

參考文獻(xiàn)

[1]周有為，劉和平，楊利輝.基于TMS320F2812的SVPWM的研究[J].電氣應(yīng)用，2005（2）：98-98.

[2]任寶華.基于DSP的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與算法研究[D].武漢理工大學(xué)，2007.

[3]任玉才.基于DSP和SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的研制[D].大連：大連海市大學(xué)，2005.

[4]楊岳峰，張奕黃.IGBT的瞬態(tài)保護(hù)和緩沖電路[J].電機(jī)電器技術(shù)，2003（03）.