引言

逆變技術作為現代電子電力核心技術，集現代電子、信息和智能技術于一體。大部分的用電設備工作在工頻，但在一些特殊場合，斷路器、熔斷器、熱繼電器、磁力啟動器等保護性開關在線檢測以及蓄電池、燃料電池內阻的在線測試等等，就需要一種能在一個較寬的頻率范圍變化的電能形式。本文介紹了一種在TMS320F2812 上實現的輸出波形能在一個較寬的頻率范圍調節(jié)的逆變算法。

2 逆變技術研究

逆變控制技術經歷了一個不斷創(chuàng)新和完善的發(fā)展過程，逆變控制技術有許多種，如等脈寬PWM 調制、正弦波PWM（SPWM）調制以及空間矢量PWM（SVPWM）調制。SPWM法的基本思想是使輸出脈沖寬度按照正弦規(guī)律變化，因此能有效的抑制輸出電壓中的低次諧波分量，得到近乎正弦的交流電壓。SPWM 波形的產生有以下幾種方法：自然采樣法、規(guī)則采樣法以及直接面積等效法等。其中直接面積等效法兼顧計算精度和速度，特別是隨著具有強大運算能力的DSP 的出現，這種方法將被廣泛應用。

圖 1 直接面積等效法算法原理圖

3 寬頻逆變算法的研究與實現

3.1 SPWM 產生的設計思想

利用 TMS320F2812 生成SPWM 波的基本設計思想是利用事件管理器中的3 個全比較單元、通用定時器、死區(qū)發(fā)生單元以及輸出邏輯來生成單相4 路SPWM 波，經用4 個復用的I/O 引腳輸出。TMS320F2812 的定時器有4 種工作方式，用如圖2（a）所示的連續(xù)增減記數方式工作的時候，將會產生對稱的PWM 波形輸出。在這種記數方式下，計數器的值開始連續(xù)遞增，當達到周期寄存器值時開始連續(xù)遞減直到計數器值為0，計數器值為0 后又重新連續(xù)遞增，如此循環(huán)反復。在遞增和遞減的過程中，當計數器的值和比較寄存器的值相等時，即產生比較匹配時，輸出方波會發(fā)生電平翻轉。通過不斷改變比較寄存器中的值的大小，就會產生寬度不斷改變的方波序列，當方波序列寬度按照正弦規(guī)律變化就產生了與圖2(b)所示SPWM 波形。

圖2 數字SPWM 波形產生原理圖

3.2 寬頻調制算法研究與實現

特定頻率輸出的逆變算法其輸出波形在特定頻率附近小范圍變化，便于濾波電路的設計。逆變器濾波電路一經設計便不能更改，其只對某一小段頻率的波形有良好的濾波效果。

DSP 的寄存器中方便計算。以制作一張1024 個點的余弦表，輸出波形頻率f 在50Hz～3KHz變化為例。逆變算法開關頻率為1024 倍的輸出波形頻率，即開關頻率fc 在50KHz～3MKHz變化。由于每一個開關周期即1/fc 的時間內都要進行一次逆變算法，對于主頻為150MHzTMS320F2812 而言要求算法須在150/3=50 個指令周期內完成，同時低通濾波器設計時要求基波頻率3KHz,諧波頻率50KHz。進行較為復雜的運算50 個周期遠遠不夠，如果增加指令周期數比如提高到500 個周期，低通濾波器設計時要求基波頻率3KHz,諧波頻率5KHz。，顯然無法設計出滿足要求的濾波器。為了解決上述問題，采取分段方式設置開關頻率，如表 1 所示。

由上表可以知，當一個1024 個點的余弦表制作好后，在50Hz～100Hz 段，若前一個開關周期取第N 個數，則緊接著的這個周期取第N+1 個數；在100Hz～200Hz 段，若前一個開關周期取第N 個數，則緊接著的這個周期取第N+2；依此類推。

輸出波形的頻率在 50Hz～3KHz 變化，開關頻率范圍始終保持在51.2K～102.4K 之間變化。在LC 低通濾波器中取L=1m H，C=0.47ｕF,則其截止頻率約為7.3KHz 對整個頻率范圍都能達到較好的濾波效果。同時指令周期數為150M/100K=1500 個，可以很好的滿足較為復雜的算法的需求。

主程序流程如圖3（a）所示。主程序先進行系統(tǒng)初始化，主要包括清零所有的CPU 級中斷標志寄存器同時設置CPU 級中斷屏蔽寄存器，設置事件管理器中的一些控制寄存器外,給部分變量賦初值并需將四個復用的I/ O 引腳設置為PWM 波輸出引腳。完成所有的初始化工作后,再進行頻率幅值的設置，本文為每次預先設置好輸出波形的頻率與幅值再將整個程序編譯燒進DSP片中進行實驗，而在實際應用中一般采用外部擴展鍵盤或者外部擴展通訊接口進行實時設置。開相應中斷，本文為開計數器連續(xù)增減模式下的下溢中斷，啟動計數器同時主程序進入一個循環(huán)程序等待，當不滿足循環(huán)條件時整個程序結束。

中斷服務子程序如圖3(b)所示。當程序進入中斷服務子程序后,進行中斷現場的保護，采集輸入電壓，輸出電壓與電流值，判斷系統(tǒng)是否過載。如果系統(tǒng)處于過載的狀態(tài)下立即將四個復用的I/ O 引腳設置為高阻態(tài)從而關斷整個逆變橋起到保護作用。如果系統(tǒng)處于正常狀態(tài)則取給定的頻率對照分段表選取相應的讀余弦表的方法結合輸入電壓，采用直接面積等效法計算出開關管的開關時間，計算出的時間為理論時間結合實際采樣值進行PID控制算法計算出開關管實際開關時間，將實際開關時間換算成比較寄存器相應的值，設置比較寄存器來改變下一個中斷周期里各相脈沖的占空比，從而產生單相四路SPWM波形輸出，最后開中斷并返回等待下一個中斷產生。

圖3 程序流程圖

4 硬件系統(tǒng)構建及實驗結果

根據上述設計，使用TMS320F2812 控制芯片以及相應的全橋逆變電路，濾波電路，采樣電路，驅動電路搭建了變頻實驗系統(tǒng)。其硬件結構如圖4 所示。

圖 4 硬件結構圖

如圖所示整個系統(tǒng)以 TMS320F2812 為核心控制器，Vdc 為一外接的穩(wěn)定直流電壓通過全橋逆變生成SPWM 波形，再通過LC 低通濾波器生成正弦波Uo。采集輸入電壓，輸出電流及電壓做算法用，同時作為過載時的軟保護用。I/O 口輸出的四路SPWM 信號通過功率放大隔離電路驅動逆變全橋。

在此硬件系統(tǒng)上采用上述寬頻逆變算法實現了頻率在 50Hz～3KHz 變化的正弦波的輸出。輸出波形如圖6 所示，（a）和（b）分別為幅值5V 頻率為50Hz 和1000Hz 的輸出波形圖，雖然頻率相差20 倍，但在相同的硬件系統(tǒng)下輸出波形的正弦度都非常好，同時幅值和頻率的精度都滿足要求。

圖5 實驗輸出波形圖

5 結論

研究表明 DSP 本身的PWM 模塊極大的方便了控制系統(tǒng)的開發(fā)，同時DSP 的高速運算能力，能夠支持更為復雜的算法使輸出波形更佳。