基于DSP控制的三相逆变电源设计

基于DSP控制的三相逆变电源设计 易 柳1，黄辉先1，苏浩2 (1．湘潭大学信息工程学院， 湖南湘潭411105；2．北京理工大学宇航科学技术学院，北京 100081) 摘要：提出了由鬻r流模块，逆变模块和控制模块t部分组成的逆变电源系统。采用数字信号处理器(DSP)对电源系统进行全数字 控制，透过改变PWM波形的脉冲宽度和凋制周期可以达到调压和变频的且的。采用功率MOSFET和IGBT专用马f《动芯片IR2136 驱动i相桥式逆变电路，取代r传统的模拟驱动电路和模块化桥臂电路设计，降低了开发成本，并融合了多元化的保护功能使逆 变电源系统的驱动电路变得简单可靠。 关键词：i相逆变；脉宽调制；逆变器驱动；逆变电源 中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1009—9492f2009)09—0079-04 1引言 许多行业的用电设备不是直接使用通用交流电网提供 的交流电作为电能源。而是通过各种形式对其进行变换． 从而得到各自所需的电能形式。其幅值、频辛；稳定度及变 化方式因用电设备的不同而不尽相同，例如通信电源、不 间断电源、医用电源等都是通过整流和逆变组合电路对原 始电能进行变换后得到的。电力系统中，将电网交流电通 过整流技术变成直流电，然后通过逆变技术。将直流变成 高频交流，再通过高频变压器降压，就达到缩小变压器体 积和提高供电质量的目的了⋯。工控行业中，应用广泛的 交流伺服电机的驱动单元使用的是频率百n周的三相交流 电，而电网提供的交流电是不变的，为了得到幅值和频率 可调的三相交流电．需要进行交一直一交变换。 三相逆变技术广泛应用于交流传动、无功补偿等领 域。在三相PWM交流伺服系统中，一般采用三个桥臂的 结构，即逆变桥主电路有6个功率开关器件(功率MOS． FET或IGBT)构成，若每个开关器件都用一个单独的驱动 电路驱动。则需6个驱动电路，至少要配备4个相互独立 的直流电源为其供电．使得系统硬件结构复杂，可靠性下 降[2】，且调试困难，设计成本偏高。本文采用了国际整流 器公司(IR)的专用驱动芯片IR2136来驱动IGBT桥臂． 使整个驱动电路变得简单可靠，降低了开发成本．并且融 合了多元化的保护功能，通过电流采样实现了电源的过流 和短路保护。具有良好的实用性。 2系统描述 该系统由三部分组成：控制模块、整流模块和逆变模 收稿日期：2008—09—1l 块。控制模块采用数字信号处理器(DSP)通过软件编程 产生PWM波形对电源系统进行全数字控制；整流模块采 用不可控单相桥式整流电路经电容滤波后提供直流电源． 供后级的逆变电路使用。逆变模块是由IGBT器件及其驱 动电路构成了三桥臂结构的逆变主电路．通过DSP输出的 PWM波形调制实现对直流电的三相逆变。 图l为结构框图，其中输入源为取自民用电网的单相 交流220V电，隔离变压器的作用是为了防止逆变电源发 生故障而影响到电网。三相负载可以为阻性负载或感性负 载。 图l 系统结构框图 2．1控制模块设计 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；(爹灵活性不够，硬件电路一旦设计完 成，控制策略就不能改变；(函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 万方数据 参数的漂移，从而给调试带来不便。因此，传统的逆变电 源在许多场合已不适应新的要求。随着数字信号处理器 (DSP)的问世。数字电源便出现了[31。 该电源的控制模块由DSP系统组成。包括了显示和按 键部分。CPU采用1rI公司的TM$320LF2407，它具有高速 度信号处理和数字化控制功能所必须的结构特点，可以为 各种类型电机提供高速和全变速的先进控制技术。另外， '131$2000系列的DSP具有8个16位的脉宽调制(PWM) 通道，能够实现：①三相反相器控制；②PWM的对称和 非对称波形输出。且当外部引脚PDPINTx出现低电平时能 够快速关闭PWM通道；③可编程的PWM死区控制以防止 上下两桥臂同时输入触发脉冲[41。 如图2所示．显示部分用M74HC2“芯片和i八译码 器驱动6个LED：M74HC244用来控制LED的段码； 74HCl38用来控制6个LED的位码。可以显示出电源的1： 作状态和参数。 图2 DSP系统的显示模块 按键部分是由8个按键通过上拉电阻分别接到 TMS320LF2407的I／O管脚上，包括复位键和参数设定键， 如图3所示。通过软件编程。可以利用状态键盘的方式来 实现对电源的各种控制操作。 2．2整流模块设计 整流模块是采用不可控单相桥式整流电路经电容滤波 后提供直流电源，供后级的逆变电路使用。该设计结合实 际应用的经验．在传统的整流滤波电路中加入了一个启动 继电器及其驱动电路，如图4所示．作用是为了防止电流 在瞬间升高，造成电路器件损坏。在电路中串连一个限流 电阻，先对电容小电流充电，当充电到一定程度时，使三 极管导通，从而使继电器闭合，使电路完全导通。起到了 缓冲电流的作用。 限流电阻 图4 带继电器的桥式整流滤波电路 2．3逆变模块设计 逆变模块是逆变电源的核心部分。逆变电路中．电子 器件的性能直接影响着电源的性能和指标参数。现阶段广 泛应用于交流电气传动、UPS等技术领域的逆变电路，其 主电路开关器件常采用IGBT或MOSFET等全控型器件。 该类器件的开关动作需要靠独立的驱动电路来实现。并且 要求驱动电路的供电电源彼此隔离(如单相桥式逆变主电 路需3组独立电源．三相桥式逆变主电路需4组独立电 源)，这无疑增加了辅助电源的设计困难和成本。同时也 使驱动电路变得复杂．降低了逆变电路的可靠性。 2．3．1IGBT驱动电路设计 该设计抛弃了传统的模拟驱动电路。采用了美国国际 整流器公司(IR公司)的专用驱动芯片IR2136，使整个 驱动电路变得简单可靠。如图5所示。IR2136是功率 MOSFET和IGBT专用栅极驱动集成芯片，其驱动IGBT电 路具有如下优势：①独有的HVIC(HighVoltageIntegrat． 图3 DSP系统的按键模块 edCireuit)技术使得它可用作驱动 工作在母线电压高达600V的电路 中的功率MOS器件：②其内部采用 自举技术．使得功率元件的驱动电 路仅需输入一个直流电源．实现了 对功率MOSn’T和IGBT的最优驱 动；(萤具有完善的欠压保护和过流 保护功能，并能产生驱动信号使其 关闭tsl。它们的应用可提高系统的 集成度和可靠性，大大简化了驱动 电路的设计。 万方数据 图5 IR2136驱动IGBT原理图 2．3．2光耦隔离电路设计 整个系统可以分为强电和弱电两个部分。其中控制系 统为弱电侧，逆变部分和整流部分为强电侧。强电和弱电 部分必须要有隔离系统进行必要的保护。如果IR2136采 用不隔离的驱动方式，若主电路功率器件损坏。高压将直 接串入IR2136。引起其永久性损坏，严重时还会将 IR2136前级电路击穿。因此当IR2136的输入信号来自微 处理器时，必须采取隔离措施。由于IR2136采用高压侧 驱动，因此可在低压侧使用普通光电耦合器进行隔离，以 降低成本。 图6 光耦隔离系统 电源的控制部分和逆变、 整流部分之间的隔离系统如图 6所示。用6个光耦分别隔离 6路PWM信号。光耦电路需 两路电源供电，弱电侧需要一 个+3．3V电压。由DSP系统提 供；强电侧需要一个+5V电 压。由独立电源提供【引。 需要特别注意的是。弱电 侧和强电侧的电源要各自独 立。否则就失去了隔离的意 义。 2．3．3过流保护电路设计 IR2136芯片的FAULT管 脚有过流或欠压故障输出功 能，利用该信号可以实现电源 的软件保护功能。ⅡRIP管脚 为过流信号输人端，可以接采 样电流，如果检测到过流情况发生．就会荚断所有逻辑输 出并使FAULT和RCIN变为有效低电平。利用FAULT、 矾IP、RCIN这三个管脚可以实现电源系统的过流保护。 电路设计如图7所示．采样电流由小电阻R23和可变 电阻R24获得经电容滤波后送给RCIN管脚。报警信号经 过光耦隔离后送给DSP．DSP检测到该信号后就会及时的 关断程序来保护系统。 图7 过流保护系统 3实验结果与分析 采用合众达SEED-XDSpp仿真器在CCS2000编译环 境下对DSP控制器进行实时调试。该仿真器支持TMS320 全系列DSP的仿真，具有JTAG／MPsD标准仿真接口和高 效的驱动程序，可支持DSP片上Flash烧录。 通过C语言编程使DSP的PWM管脚产生六路PWM 控制脉冲。图8为其中一路PWM的波形，利用该脉冲信 号来驱动IGBT实现对直流电的三相逆变。 在IGBT逆变电路后级串联一个电感滤波器。可以对 输H{的波形滤波，最终产生正弦波形。采用三相交流电灯 万方数据 图8 DSP产生的PWM波形 组充当阻性负载．通过改变控制参数可以调整PWM波的 脉冲宽度和调制周期．从而改变输出三相正弦波的电压和 频率。图9为A相的相电压波形，输出频率为10Hz。峰 值电压为45V。 ● II·lIIl·lI·I，IIlI·I·4．-fIlII··I·ll}Il‘ll··扣 图9 A相电压波形 在该输fIj电压下．可以点亮交流灯组。当电压没有达 到交流灯组的额定电压时，灯组亮度很低。加宽PWM脉 冲宽度提高输出电压．可以观察到交流灯组变亮。 采用Maflab／Simulink软件对上述结构的逆变电源系统 控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 进行建模和仿真，最终输出的三相正弦波形如图 10所示。图ll为实验条件下测得的相位差为1200的A、 图lO 仿真输出波形 B相相电压波形。经过比较．由于PWM调制波形存在一 些毛刺现象．使得输出的i相正弦波在某些时刻有轻微的 失真现象。经过电容滤波后，毛刺现象得到改善，输出的 波形与仿真波形基本一致。 T ．’。。l’’’●’’。-’’’I’1’’ i ! ! ： ?⋯1。‘：⋯。：‘‘’‘：’‘4＼．m．胝JnAm瓜 WU∥＼X／VVU∥j ? 一： ‘一一+‘+’‘‘+一● }{．．{．01{ ! ： { ?‘‘‘!⋯’：⋯’；¨。。；⋯j 图1l 实验条件下A、B相相电压波形 4结束语 基于数字化设计的逆变电源系统采用了IR2136芯片 作为PWM控制技术下的IGBT电路的驱动器，取代了模拟 驱动电路和模块化桥臂电路设计，降低了开发成本。 由于输出电压和频率可以通过控制参数调整．该i相 逆变电源具有广阔的应用卒间。可广泛应用于交流调速系 统和伺服电机的驱动单元中。具有很好的开发前景和现实 意义。 参考文献： [1]杨志刚，李永富．基于Matlab／Simulink的三相逆变器控制策 略的仿真研究[J]．电源技术，2006(10)：56--70． [2】曾建安．曾岳南，暨绵浩．MOSFET和IGBT驱动器IR2136 及其在电机控制中的应用[J]．电机技术。2005(01)：14一 15． [3]陈国呈．PWM变频调速及软开关电力变换技术[M]．北京： 机械工业出版社．2001． 【4]TEXASINSTRUMENTS(．11)．DigitalMolorControlSoftware Library[Z]．DigitalControlSystems(DCS)Group。August 2003． [5]InternationalRectifier(IR)．IR2136ApplieationHandbook [EB／OL]．WWW．irf．com，2003。DataSheetNo．PD60166_Q． [6]马志溪．新型应急电源EPS[J]．工程建设与设计．2003 (10)：37-39． 第一作者简介：易柳，女．1983年生，湖南岳阳人．硕士研究 生。研究领域：智能信息处理及控制。 (编辑：梁 玉) 万方数据 基于DSP控制的三相逆变电源设计 作者： 易柳， 黄辉先， 苏浩， Yi Liu， HUANG Hui-xian， SU Hao 作者单位： 易柳,黄辉先,Yi Liu,HUANG Hui-xian(湘潭大学信息工程学院,湖南湘潭,411105)， 苏浩 ,SU Hao(北京理工大学宇航科学技术学院,北京,100081) 刊名： 机电工程技术 英文刊名： MECHANICAL & ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2009,38(9) 参考文献(6条) 1.杨志刚.李永富 基于Matlab/Simulink的三相逆变器控制策略的仿真研究 2006(10) 2.曾建安.曾岳南.暨绵浩 MOSFET和IGBT驱动器IR2136及其在电机控制中的应用 2005(01) 3.陈国呈 PWM变频调速及软开关电力变换技术 2001 4.TEXAS INSTRUMENTS Digital Motor Control Software Library 2003 5.Internatianal Rectifier IR2136 Application Handbook 6.马志溪 新型应急电源EPS 2003(10) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxkf200909029.aspx