袁开发，蒋怀刚，何志伟
华南理工大学电力学院雅达电源实验室
摘 要： 介 绍 了 一 种 周 波 逆 变 器 的 结 构 及 原 理 ， 并 以 TI的 TMS320LF2407型 数 字 信 号 处 理 器 作 为 控 制 核 心 ， 取 代 传 统 的 模 拟 控 制 方 式 ， 且 给 出 了 硬 件 和 软 件 的 设 计 方 案 。 实 验 结 果 证 明 此 系 统 的 控 制 获 得 了 良 好 的 效 果 。
关键词： 周 波 变 换 器 ； 数 字 信 号 处 理 器 ； 高 频 链 ； 数 字 电 源
1 引 言
随 着 工 业 和 科 学 技 术 的 发 展 ， 用 户 对 电 能 质 量 的 要 求 越 来 越 高 。 包 括 市 电 在 内 的 所 有 原 始 电 能 可 能 满 足 不 了 用 户 的 要 求 ， 必 须 经 过 处 理 后 才 能 使 用 ， 逆 变 技 术 在 这 种 处 理 中 起 到 了 重 要 的 作 用 。 传 统 的 逆 变 技 术 多 为 模 拟 控 制 或 模 拟 与 数 字 相 结 合 的 控 制 系 统 ， 其 缺 点 为
1） 控 制 电 路 的 元 器 件 比 较 多 ， 体 积 庞 大 ， 结 构 复杂 ；
2） 灵 活 性 不 够 ， 硬 件 电 路 一 旦 设 计 完 成 ， 控 制 策略 就 不 能 改 变 ；
3） 调 试 比 较 麻 烦 ， 由 于 元 器 件 特 性 的 差 异 ， 致 使电 源 一 致 性 差 ， 且 模 拟 器 件 的 工 作 点 漂 移 ， 会 导 致 系 统 参 数 的 漂 移 ， 从 而 给 调 试 带 来 不 便 。
因 此 ， 传 统 的 逆 变 器 在 许 多 场 合 已 不 适 应 新 的 要 求 。
随 着 高 速 、 廉 价 的 数 字 信 号 处 理 器 （ DSP— — Digital Signal Processor） 的 问 世 ， 于 是 便 出 现 了 数 字 电 源 （ DPS— — Digital Power Supply） 。 其 优 点 有
1） 数 字 化 更 容 易 实 现 数 字 芯 片 的 处 理 和 控 制 ， 避 免 模 拟 信 号 传 递 的 畸 变 、 失 真 ， 减 少 杂 散 信 号 的 干 扰 ；
2） 便 于 系 统 调 试 ；
3） 如 果 将 网 络 通 迅 和 电 源 软 件 调 试 技 术 相 结合 ， 可 实 现 远 程 遥 感 、 遥 测 、 遥 调 。
这 些 使 得 逆 变 电 源 数 字 化 控 制 成 为 今 后 的 发 展 趋 势 。
本 文 采 用 TI公 司 专 门 为 电 机 及 电 力 电 子 领 域 设 计 的 TMS320LF2407型 DSP作 为 控 制 器 ， 介 绍 数 字 化 周 波 逆 变 器 的 硬 件 设 计 和 软 件 设 计 。
2 TMS320LF2407的 结 构 特 点
TMS320LF2407具 有 高 速 信 号 处 理 和 数 字 化 控 制 功 能 所 必 需 的 结 构 特 点 。 将 其 优 化 的 外 设 单 元 和 高 性 能 的 DSP内 核 相 结 合 ， 可 以 为 各 种 类 型 电 机 提 供 高 速 和 全 变 速 的 先 进 控 制 技 术 。 其 主 要 特 点 为
1） 其 系 统 运 行 主 频 达 30 MHz， 使 得 指 令 周 期 缩短 到 33 ns， 绝 大 部 份 指 令 均 可 在 单 周 期 内 完 成 ， 提 高 了 控 制 器 的 实 时 能 力 。
2） 2个 事 件 管 理 器 模 块 EVA和 EVB， 每 个 包 括2个 16位 通 用 定 时 器 ； 8个 16位 的 脉 宽 调 制 （ PWM） 通 道 。 它 们 能 够 实 现 三 相 反 相 器 控 制 ； PWM的 对 称 和 非 对 称 波 形 ； 当 外 部 引 脚 出 现 低 电 平 时 快 速 关 闭 PWM通 道 ； 可 编 程 的 PWM死 区 控 制 以 防 止 上 下 桥 臂 同 时 输 入 触 发 脉 冲 ； 16通 道 A/D转 换 器 等 功 能 。 事 件 管 理 模 块 适 用 于 控 制 交 流 感 应 电 机 、 无 刷 直 流 电 机 、 开 关 磁 阻 电 机 、 步 进 电 机 、 多 级 电 机 和 逆 变 器 。
3） 10位 A/D转 换 器 最 小 转 换 时 间 为 500 ns， 可选 择 由 两 个 事 件 管 理 器 来 触 发 两 个 8通 道 输 入 A/D转 换 器 或 一 个 16通 道 输 入 的 A/D转 换 器 。
4） 高 达 40个 可 单 独 编 程 或 复 用 的 通 用 输 入 /输出 引 脚 (GPIO)。
3 系 统 结 构
本 系 统 由 主 电 路 和 控 制 电 路 两 部 分 组 成 ， 如 图 1所 示 。 主 电 路 部 分 ， 采 用 移 相 式 零 电 压 、 零 电 流 （ PS－ ZVZCS） 全 桥 变 换 器 和 相 控 周 波 变 换 器 PCCYC （ Phase Controlled Cycle Converter） 。 跟 其 它 变 换 器 相 比 ， 相 控 周 波 变 换 器 始 终 都 可 以 工 作 在 第 一 、 三 象 限 ， 与 移 相 技 术 相 结 合 ， 可 以 极 大 地 提 高 高 频 变 压 器 的 工 作 效 率 。 同 时 ， 采 用 高 频 环 进 行 逆 变 ， 因 而 无 须 采 用 工 频 变 压 器 ， 使 体 积 减 小 。 全 桥 变 换 器 部 分 ， 利 用 可 饱 和 电 感 Lr和 隔 直 电 容 Cr实 现 对 环 流 的 阻 断 ， 可 以 在 很 宽 的 负 载 范 围 内 实 现 超 前 桥 臂 的 ZVS和 滞 后 桥 臂 的 ZCS， 减 小 了 开 关 应 力 ， 降 低 了 损 耗 ， 提 高 了 工 作 效 率 。 Lr和 Cr的 选 择 可 参 考 文 献 [4]。 控 制 部 分 ， 采 用 快 速 、 高 效 的 DSP作 为 核 心 控 制 器 ， 通 过 光 耦 隔 离 ， 并 有 IGBT自 保 护 的 专 门 驱 动 芯 片 EXB841来 驱 动 主 电 路 中 的 功 率 开 关 管 。 与 采 样 电 路 ， 保 护 电 路 配 合 ， 可 对 输 出 实 行 实 时 控 制 ， 具 有 较 快 的 动 态 响 应 速 度 和 良 好 的 输 出 特 性 。
4 工 作 原 理
Q1～ Q4构 成 全 桥 ， Q5、 Q6组 成 周 波 变 换 器 。 开 关 管 的 驱 动 波 形 如 图 2所 示 。
整 个 工 作 过 程 可 分 为 4个 阶 段 ， 下 面 分 别 说 明 。
第 一 阶 段 Q1、 Q4导 通
当 Q1、 Q4（ 有 相 位 差 ） 导 通 ， 并 让 Q5提 前 导 通 ， 直 流 侧 的 能 量 便 可 传 输 到 输 出 端 。 此 时 谐 振 电 感 储 能 ， Q5软 开 通 ， 减 少 了 开 关 损 耗 。 如 图 2中 ug5所 示 。
第 二 阶 段 谐 振
由 于 电 路 隔 直 电 容 和 谐 振 电 感 （ 包 括 变 压 器 中 漏 感 ） 谐 振 ， 电 感 在 第 一 阶 段 所 保 存 的 能 量 得 以 释 放 。 当 谐 振 电 流 到 零 时 ， 关 断 Q1。 此 阶 段 Q2、 Q4导 通 ， Q5延 迟 一 段 时 间 再 关 断 。 如 图 2中 ug5所 示 。
第 三 阶 段 Q2， Q3导 通
在 此 阶 段 ， 使 Q6在 Q2， Q3导 通 前 提 前 导 通 。 当 Q2， Q3（ Q1， Q2之 间 有 死 区 ） 导 通 时 ， 直 流 侧 的 能 量 便 可 传 递 到 输 出 端 ， 此 时 Q6为 软 开 通 。 如 图 2中 ug6所 示 。
第 四 阶 段 谐 振
工 作 原 理 同 第 二 阶 段 类 似 ， 此 时 电 流 方 向 与 第 二 阶 段 相 反 ， 当 电 感 上 的 能 量 释 放 完 毕 ， 关 断 Q6。 此 时 一 个 周 期 便 结 束 ， 开 始 下 一 个 周 期 。
从 图 1可 以 看 出 ， 无 论 变 压 器 副 边 电 压 极 性 如 何 ， 若 Q5导 通 、 Q6关 断 ， 则 输 出 端 OUT1为 正 ， OUT2为 负 ； 若 Q6导 通 ， 而 Q5关 断 ， 则 OUT2为 正 ， 而 OUT1为 负 。 所 以 ， 控 制 Q5， Q6的 导 通 顺 序 ， 即 可 控 制 输 出 端 的 极 性 ， 并 可 获 得 多 种 波 形 ， 例 如 交 流 、 脉 冲 等 波 形 均 可 实 现 。 如 要 输 出 正 弦 波 的 正 半 周 时 ， PULS1控 制 Q1， Q4， PULS2控 制 Q2， Q3， 并 同 时 让 Q5， Q6相 应 地 提 前 导 通 ， 便 可 输 出 正 弦 波 的 正 半 周 ， 如 图 3所 示 。
要 输 出 正 弦 波 的 负 半 周 ， 只 需 让 Q5， Q6的 导 通 顺 序 交 换 便 可 ， 如 图 4所 示 。
5 软 件 实 现
TMS320LF2407的 处 理 速 度 为 30MIPS， 几 乎 所 有 的 指 令 都 可 在 50 ns的 单 周 期 内 完 成 ， 配 合 其 强 大 的 指 令 运 算 功 能 ， 很 容 易 实 现 各 种 控 制 算 法 及 高 速 的 实 时 采 样 ， 可 提 高 系 统 的 工 作 效 率 。 为 了 改 善 系 统 的 动 态 品 质 ， 并 减 小 系 统 的 静 差 ， 采 用 了 闭 环 来 实 现 各 个 功 率 变 换 环 节 的 控 制 。
5.1 PWM波 的 输 出
本 文 采 用 三 角 波 作 为 载 波 的 规 则 采 样 法 ， 来 获 得 等 高 不 等 宽 的 矩 形 波 ， 即 脉 冲 。 每 个 脉 冲 的 中 点 都 与 相 应 的 三 角 波 的 中 点 相 对 应 ， 在 三 角 波 的 负 峰 值 时 刻 tD对 正 弦 调 制 波 采 样 而 得 D点 ， 过 D点 作 一 水 平 直 线 和 三 角 波 分 别 交 于 A点 和 B点 ， 如 图 5所 示 。 则 有
δ =Tc(1＋ sinω rtD)/2
根 据 这 一 关 系 式 ， 如 果 一 个 周 期 内 有 N个 矩 形 波 ， 则 第 i个 矩 形 波 的 占 空 比 为
Dr=0.5＋ 0.5sin(i＊ 2π /N)
用 周 期 和 占 空 比 分 别 去 设 定 TMS320LF2407中 PWM电 路 相 应 的 寄 存 器 ， 便 可 在 PWMx (x=1,2,3,4,7,8)上 获 得 所 需 的 PWM脉 冲 波 形 ， 由 这 些 PWM脉 冲 去 控 制 相 应 的 6个 开 关 管 ， 便 可 输 出 正 弦 波 形 。 要 注 意 的 是 ， 输 出 正 弦 波 质 量 的 高 低 与 用 作 控 制 的 正 弦 波 的 离 散 数 量 有 关 ， 如 果 离 散 数 量 越 多 ， 则 输 出 的 正 弦 波 就 越 平 滑 ， 但 却 增 加 了 DSP的 运 算 量 。 反 之 输 出 会 越 差 。 因 此 ， 对 具 体 的 应 用 场 合 ， 要 选 择 合 适 的 离 散 值 。 定 时 器 T1， T3被 设 定 为 下 溢 和 周 期 匹 配 中 断 方 式 ， 用 作 PWM输 出 时 基 ， 工 作 在 连 续 增 /减 记 数 模 式 。
5.2 实 时 采 样
采 用 TMS320LF2407中 集 成 的 16路 ADC转 换 电 路 实 现 电 压 、 电 流 采 样 （ 每 一 通 道 的 最 小 转 换 时 间为 500 ns） 。 通 过 采 样 模 块 MAX122， 将 采 样 信 号 转 换 为 LF2407的 ADC所 需 的 0～ 3.3 V电 平 。 在 一 个 工 频 周 期 中 ， 将 采 样 200次 （ 开 关 频 率 为 20 kHz） 。 一 旦 有 冲 击 性 负 载 存 在 ， 将 导 致 输 出 电 流 ， 或 电 压 过 高 ， 使 DSP能 及 时 捕 获 此 突 变 。 DSP将 调 用 相 应 的 子 程 序 来 处 理 过 压 或 过 流 情 况 ， 以 保 护 整 个 电 路 的 正 常 运 行 。 定 时 器 T2被 设 定 为 下 溢 和 周 期 中 断 方 式 ， 用 作 ADC采 样 的 控 制 时 基 ， 工 作 在 连 续 增 /减 记 数 模 式 。
6 实 验 结 果
根 据 以 上 原 理 ， 初 步 设 计 了 一 台 实 验 系 统 ， 并 获 得 了 比 较 好 的 效 果 。 其 主 要 技 术 参 数 如 表 1所 列 。
图 6为 全 桥 电 路 中 隔 直 电 容 上 的 电 压 ， 图 7为 变 压 器 一 次 侧 中 性 点 电 压 及 变 压 器 一 次 侧 电 流 波 形 。
可 以 看 出 ， 全 桥 电 路 中 的 开 关 管 在 隔 直 电 容 和 饱 和 电 感 谐 振 作 用 下 ， 实 现 了 软 开 通 和 软 关 断 。 图 8为 输 出 电 压 波 形 。
7 结 语
本 文 介 绍 了 基 于 DSP数 字 化 控 制 的 相 控 周 波 变 换 器 电 路 拓 扑 结 构 ， 分 析 了 其 工 作 原 理 ， 并 提 出 了 控 制 信 号 的 产 生 过 程 。 实 验 结 果 证 明 了 数 字 化 实 现 的 正 确 性 ， 并 取 得 了 较 好 的 效 果 。 可 以 肯 定 ， 采 用 数 字 化 实 现 的 高 频 链 周 波 变 换 器 比 传 统 的 基 于 模 拟 或 模 拟 与 数 字 相 结 合 的 逆 变 器 具 有 更 强 的 优 越 性 。 数 字 化 使 得 系 统 具 有 很 强 的 可 编 程 性 ， 无 论 在 调 试 ， 还 是 在 产 品 更 新 或 升 级 等 方 面 都 具 有 传 统 逆 变 器 所 不 可 以 比 拟 的 优 势 。
参 考 文 献
[1] Yamato I.,et al. New Conversion System for UPS Using HighFrequency Link[C].IEEE PESC'98,1998:6581～ 663.
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[3] 张 劲 松 .基 于 DSP的 全 数 字 化 单 相 在 线 式 UPS的 设 计 〖J〗 .电 力 电 子 技 术 ， 2001， 35(3):56～ 58.
[4] 阮 新 波 ， 严 仰 光 .直 流 开 关 电 源 的 软 开 关 技 术 [M].北 京 :科 学 出 版 社 ， 2000.
[5] 黄 俊 ， 王 兆 安 .电 力 电 子 变 流 技 术 （ 第 三 版 ） [M].北 京 :机 械 工 为 出 版 社 ， 1999.
[6] 刘 和 平 .TMS320LF240x DSP结 构 、 原 理 及 应 用 [M].北 京 :北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 ， 2002.
摘自 北极星电技术网
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