基于數(shù)字信號處理器TMS320LF2407實現(xiàn)SPWM變頻電源數(shù)字控制設計

數(shù)字信號處理器（DSP）已廣泛應用在高頻開關電源的控制，采取DSP作為變頻電源的控制核心，可以用最少的軟硬件實現(xiàn)靈活、準確的在線控制。數(shù)字信號處理器TMS320LF2407既有一般DSP芯片的特點，還在片內(nèi)集成了許多外設電路，使其可以很方便地實現(xiàn)變頻電源控制。本文中，控制系統(tǒng)采用了工程應用較多的正弦脈寬凋制技術，該技術具有算法簡單，硬件實現(xiàn)容易，諧波較小等優(yōu)點，可以充分發(fā)揮DSP的高速性、實時性、可靠性等方面的特點，結(jié)合相應的軟件，應用一些改進的算法實現(xiàn)了SPWM調(diào)制，輸出了質(zhì)量較好、頻率和幅值可任意改變的控制信號。

1 系統(tǒng)的結(jié)構

圖l為變頻電源基本控制電路硬件框圖。變頻電源采用高頻SPWM技術和通用電壓型單相全橋逆變電路，選取ICBT功率模塊作為開關器件，控制電路采用全數(shù)字化設計。

輸出電壓和電感電流通過采樣網(wǎng)絡，將輸入信號轉(zhuǎn)換為TMS320LF2407所需要的電平，接至TMS3201F2407的A/D轉(zhuǎn)換口。通過鍵盤鍵入所要求的輸出電壓值、頻率值，由SCI模塊與DSP實現(xiàn)通訊。得到逆變器當前工作的基準電壓信號，經(jīng)過電壓電流調(diào)節(jié)器獲得實際的正弦調(diào)制信號，與DSP定時器產(chǎn)生的三角波載波信號相交截，輸出帶有一定死區(qū)的驅(qū)動控制信號，經(jīng)驅(qū)動單元進行隔離放大后送到IGBT。DSP可以把當前時刻的輸出電壓、頻率值送給單片機并在8位LED上顯示出來。為了保證過壓、欠壓、過流（過載）的情況下能有效地保護功率開關和負載，在本系統(tǒng)中設置了保護電路，一旦出現(xiàn)故障，PDPINT引腳為低電平狀態(tài)，封鎖驅(qū)動脈沖控制信號，切斷變頻電源輸出。

2 SPWM波的軟件設計

變頻電源研制的核心是SPWM波的生成，可利用DSP通過軟件來實現(xiàn)，系統(tǒng)采用了雙閉環(huán)反饋的控制策略，其外環(huán)為輸出電壓反饋，電壓調(diào)節(jié)器一般采用PI形式，電感電流反饋構成內(nèi)環(huán)，電流環(huán)設計為比例環(huán)節(jié)。由圖l可以看出，輸出電壓的信號經(jīng)調(diào)理采樣生成Vf后直接反饋，與參考正弦電壓Vref比較后，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)的給定信號Ig。其與電感電流反饋值If比較得到的誤差經(jīng)P調(diào)節(jié)，作為調(diào)制波與三角載波進行交截產(chǎn)生SPWM開關信號。為了便丁變頻器在線調(diào)試，所生成的SPWM波調(diào)制比必須可在一定范圍任意改變，且誤差較小。由上所述，可知SPWM波的生成涉及3個方面：獲得參考止弦電壓Vref、實現(xiàn)電壓電流雙閉環(huán)控制、產(chǎn)生三角載波。其中，三角載波的實現(xiàn)很簡單，可由DSP中的通用定時器產(chǎn)生，本設計中，使用了通用定時器l，可根據(jù)載波頻率確定定時器l中的周期寄存器TIPR的值。下面著重介紹前兩個方面所涉及的沒計和算法。

2.l 基準正弦電壓信號的生成

DSP實時地從單片機讀取所需要的電壓的頻率和幅值作為當前輸出電壓的基準（給定）。獲取當前時刻的正弦值，基準正弦信號是通過查表法產(chǎn)生的。在數(shù)字控制系統(tǒng)中正弦基準信號就是一個正弦數(shù)據(jù)表格，故應將正弦波按其表達式制成0°～360°的表格供查用，在本設計中，正弦數(shù)據(jù)表格中數(shù)據(jù)點數(shù)選為1024，可將其數(shù)值放在片外數(shù)據(jù)存儲器。有如圖關系式：

式中：fs為當前時刻調(diào)制頻率;

t為采樣時刻;

N為當前時刻處在整個調(diào)制周期的第N個脈沖。

由于本系統(tǒng)系變頻電源，即fS是在變化的，且系統(tǒng)采用的是異步調(diào)制，所以N也是隨fS變化而變化的。由此必須實時變化定時時間T以確保整個周期的脈沖數(shù)最大限度地接近整數(shù)，以避免或減少輸出波形含有基波的子諧波;此外，還須實時地改變脈沖序列，以保證輸出電壓值不發(fā)生較大的跳變。

2.1.1 實時改變定時時間

假設fS=400 Hz，則頻率

凋制比Mf為

由于整個周期的脈沖數(shù)NE超過1，所以NE只能選用定標為Q0，即NE只能為整數(shù)，所以NE=62，從而在脈沖數(shù)上出現(xiàn)了相差了0.5個，反映在橋臂輸出電壓上，有正負輸出所含的脈沖數(shù)不相同。由此會產(chǎn)生基頻的子諧波。

如果我們以當前的脈沖數(shù)NE回推出開關頻率，則有fc=62x400=24.8kHz，這樣確定的開關頻率，就最大限度地保汪了正負調(diào)制周期的脈沖數(shù)近似相同。設計中，定時器1的工作方式設定為連續(xù)增減計數(shù)方式，故

其中fcpu=20 MHz為時鐘頻率，開關頻率25 kHz時可得定時時間T為40μs，T1PR為400;而開關頻率為24.8 kHz時可得定時時間T為40.65μs，T1PR為403.225，T1PR定標為Q0，所以只能為整數(shù)403，故求得頻率調(diào)制比

所以正負調(diào)制周期的脈沖數(shù)相差極少，為0.035，這樣就最大限度的消除了基頻的子諧波。

2.1.2 實時改變脈沖序列