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基于DSP实现的一种新颖开关逆变电源

更新:2019-03-14

摘要:介绍了一种周波逆变器的结构及原理,并以TI的TMS320LF2407型数字旌旗灯号处置器作为控制焦点,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。实验成效证实此系统的控制获得了优秀的效果。
要害词:周波变换器;数字旌旗灯号处置器;高频链;数字电源



1引言
随着工业和科学技术的成长,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知足不了用户的要求,必需经过处置后才能使用,逆变技术在这类处置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连系的控制系统,其错误谬误为


1)控制电路的元器件比力多,体积庞年夜,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)调试比力麻烦,由于元器件特征的差异,致使电源一致性差,且模拟器件的工作点漂移,会致使系统参数的漂移,从而给调试带来未便。


是以,传统的逆变器在许多场所已不顺应新的要求。


随着高速、廉价的数字旌旗灯号处置器(DSP——DigitalSignalProcessor)的问世,因而便泛起了数字电源(DPS——DigitalPowerSupply)。其优点有


1)数字化更容易实现数字芯片的处置和控制,避免模拟旌旗灯号传递的畸变、失真,削减杂散旌旗灯号的干扰;
2)便于系统调试;
3)若是将网络通迅和电源软件调试技术相连系,可实现远程远感、远测、远调。


这些使得逆变电源数字化控制成为从此的成长趋向。


本文彩用TI公司专门为机电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。


2TMS320LF2407的结构特点


TMS320LF2407具有高速旌旗灯号处置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内核相连系,可觉得各类类型机电提供高速和全变速的进步前辈控制技术。其主要特点为


1)其系统运行主频达30MHz,使得指令周期缩短到33ns,尽年夜部份指令都可在单周期内完成,提高了控制器的实时能力。


2)2个事务经管器模块EVA和EVB,每一个包括2个16位通用按时器;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;当外部引脚泛起低电日常平凡快速关闭PWM通道;可编程的PWM死区控制以避免上下桥臂同时输进触发脉冲;16通道A/D转换器等功能。事务经管模块适用于控制交流感应机电、无刷直流机电、开关磁阻机电、步进机电、多级机电和逆变器。


3)10位A/D转换器小转换时间为500ns,可选择由两个事务经管器来触发两个8通道输进A/D转换器或一个16通道输进的A/D转换器。


4)高达40个可零丁编程或复用的通用输进/输出引脚(GPIO)。
3系统结构


本系统由主电路和控制电路两部门组成,如图1所示。主电路部门,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(PhaseControlledCycleConverter)。跟其它变换器相比,相控周波变换器始终都可以工作在第1、三象限,与移相技术相连系,可以极年夜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。全桥变换器部门,哄骗可饱和电感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,下降了消耗,提高了工作效率。Lr和Cr的选择可参考文献[4]。控制部门,采用快速、高效的DSP作为焦点控制器,经由过程光耦隔离,并有IGBT自庇护的专门驱动芯片EXB841来驱动主电路中的功率开关管。与采样电路,庇护电路配合,可对输出实行实时控制,具有较快的动态响应速度和优秀的输出特征。

4工作原理
Q1~Q4组成全桥,Q5、Q6组成周波变换器。开关管的驱动波形如图2所示。

整个工作进程可分为4个阶段,下面划分说明。
阶段Q1、Q4导通
当Q1、Q4(有相位差)导通,并让Q5提早导通,直流侧的能量即可传输到输出端。此时谐振电感储能,Q5软开通,削减了开关消耗。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,电感在阶段所保留的能量得以释放。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导通条件前导通。当Q2,Q3(Q1,Q2之间有死区)导通时,直流侧的能量即可传递到输出端,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,此时电流标的目的与第二阶段相反,当电感上的能量释放终了,关断Q6。此时一个周期便竣事,起头下一个周期。


从图1可以看出,不管变压器副边电压极性若何,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,即可控制输出真个极性,并可获得多种波形,例如交流、脉冲等波形都可实现。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响应地提早导通,即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的导通顺序交换即可,如图4所示。

5软件实现
TMS320LF2407的处置速度为30MIPS,几近所有的指令都可在50ns的单周期内完成,配合其壮大的指令运算功能,很容易实现各类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。
5.1PWM波的输出
本文彩用三角波作为载波的划定规矩采样法,来获得等高不等宽的矩形波,即脉冲。每一个脉冲的中点都与响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划分交于A点和B点,如图5所示。则有

δ=Tc(1+sinωrtD)/2

 

凭据这一关系式,若是一个周期内有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)

用周期和占空比划分往设定TMS320LF2407中PWM电路响应的寄存器,即可在PWMx(x=1,2,3,4,7,8)上获得所需的PWM脉冲波形,由这些PWM脉冲往控制响应的6个开关管,即可输出正弦波形。要注重的是,输出正弦波质量的凹凸与用作控制的正弦波的离散数目有关,若是离散数目越多,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。是以,对具体的运用场所,要选择合适的离散值。按时器T1,T3被设定为下溢和周期匹配中断方式,用作PWM输出时基,工作在接连增/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(每通道的小转换时间为500ns)。经由过程采样模块MAX122,将采样旌旗灯号转换为LF2407的ADC所需的0~3.3V电平。在一个工频周期中,将采样200次(开关频率为20kHz)。一旦有冲击性负载存在,将致使输出电流,或电压太高,使DSP能实时捕捉此突变。DSP将挪用响应的子法式来处置过压或过流情况,以庇护整个电路的正常运行。按时器T2被设定为下溢和周期中断方式,用作ADC采样的控制时基,工作在接连增/减记数模式。
6实验成效
凭据以上原理,初步设计了一台实验系统,并获得了比力好的效果。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,并提出了控制旌旗灯号的发生进程。实验成效证实了数字化实现的准确性,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连系的逆变用具有更强的优越性。数字化使得系统具有很强的可编程性,不管在调试,仍是在产物更新或升级等方面都具有传统逆变器所不成以对比的优势。