基于DSP的三相SPWM变频电源的设计

　　系统软件设计

　　系统上电后按照选定的模式自举加载程序，跳转到主程序入口，进行相关变量、控制寄存器初始化设置和正弦表初始化等工作。接着使能需要的中断，启动定时器，然后循环进行故障检测和保护，并等待中断。主要包括三部分内容：定时器周期中断子程序、A/D采样子程序和数据处理算法。主程序流程图如图5所示。

　　图5 主程序流程图

　　定时器周期中断子程序

　　主要进行PI调节，更新占空比，产生SPWM波。定时器周期中断流程图如图6所示。

　　图6 定时器周期中断流程图

　　A/D采样子程序

　　主要完成线电流采样和线电压采样。为确保电压与电流信号间没有相对相移，本部分利用TMS320F28335片上ADC的同步采样方式。为提高采样精度，在A/D中断子程序中采用均值滤波的方法。

　　对A相电压和电流A/D的同步采样部分代码如下：

　　interrupt void adc_isr(void)

　　{

　　if(counter==0)

　　{

　　receive_a0_data[i++] = AdcRegs.ADCRESULT0>>4; //右移四位

　　receive_b0_data[j++] = AdcRegs.ADCRESULT1>>4; //右移四位

　　}

　　if(counter>=1)

　　{ // 对结果取平均，平滑滤波

　　receive_a0_data[i++] = (receive_a0_data[i0++]+(AdcRegs.ADCRESULT0>>4))/2;

　　receive_b0_data[j++] = (receive_b0_data[j0++]+(AdcRegs.ADCRESULT1>>4))/2;

　　}

　　if(i==512) {i=0;i0=0;}

　　if(j==512) {j=0;j0=0; counter++;}

　　AdcRegs.ADCTRL2.bit.RST_SEQ1 = 1; // 复位排序器

　　AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR = 1; // 清中断标志位

　　PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1;// 开中断应答

　　}

　　数据处理算法

　　本系统主要用到以下算法：(1)SVPWM算法(2)PID调节算法(3)频率检测算法

　　SVPWM算法

　　变频电源的核心就是SVPWM波的产生，SPWM波是以正弦波作为基准波(调制波)，用一列等幅的三角波(载波)与基准正弦波相比较产生PWM波的控制方式。当基准正弦波高于三角波时，使相应的开关器件导通;当基准正弦波低于三角波时，使相应的开关器件截止。由此，逆变器的输出电压波形为脉冲列，其特点是：半个周期中各脉冲等距等幅不等宽，总是中间宽，两边窄，各脉冲面积与该区间正弦波下的面积成比例。这种脉冲波经过低通滤波后可得到与调制波同频率的正弦波，正弦波幅值和频率由调制波的幅值和频率决定。

　　本文采用不对称规则采样法，即在三角波的顶点位置与低点位置对正弦波进行采样，它形成的阶梯波更接近正弦波。不规则采样法生成SPWM波原理如图7所示。图中，Tc是载波周期，M是调制度，N为载波比，Ton为导通时间。

　　由图7得：

　　当k为偶数时代表顶点采样，k为奇数时代表底点采样。

　　SVPWM算法实现过程：

　　利用F28335内部的事件管理器模块的3个全比较单元、通用定时器1、死区发生单元及输出逻辑可以很方便地生成三相六路SPWM波形。实际应用时在程序的初始化部分建立一个正弦表，设置通用定时器的计数方式为连续增计数方式，在中断程序中调用表中的值即可产生相应的按正弦规律变化的SPWM波。SPWM波的频率由定时时间与正弦表的点数决定。

　　SVPWM算法的部分代码如下：

　　void InitEv(void)

　　{

　　EALLOW;

　　GpioMuxRegs.GPAMUX.all=0x00FF;

　　EDIS;

　　EvaRegs.EVAIFRA.all = 0xFFFF; // 清除中断标志

　　EvaRegs.T1PR= 2500; //定时器1周期值,定时0.4us*2500=1ms

　　EvaRegs.T1CMPR = XPWM; //比较值初始化

　　EvaRegs.T1CNT = 0; EvaRegs.T1CON.all = 0xF54E; //增模式, TPS系数80M/32=2.5M,T1使能,

　　EvaRegs.ACTR.all = 0x0006; //PWM1,2低有效

　　EvaRegs.DBTCONA.all = 0x0534; //使能死区定时器1,分频80M/32=2.5M,死区时

　　//间5*0.4us=2us

　　EvaRegs.COMCONA.all = 0xA600; //比较控制寄存器

　　EvaRegs.EVAIMRA.all = 0x0080;

　　}

PID调节算法

　　在实际控制中很多不稳定因素易造成增量较大，进而造成输出波形的不稳定性，因此必须采用增量式PID算法对系统进行优化。PID算法数学表达式为

　　Upresat(t)= Up(t)+ Ui(t)+ Ud(t)

　　其中，Up(t)是比例调节部分，Ui(t)是积分调节部分，Ud(t)是微分调节部分。

　　本文通过对A/D转换采集来的电压或电流信号进行处理，并对输出的SPWM波进行脉冲宽度的调整，使系统输出的电压保持稳定。

　　PID调节算法的部分代码如下：

　　float PIDCalc( PID *pp, int NextPoint )

　　{

　　int dError,Error;

　　Error=pp->SetPoint*10-NextPoint; // 偏差

　　pp->SumError+= Error; // 积分

　　dError=pp->LastError-pp->PrevError; // 当前微分

　　pp->PrevError = pp->LastError;

　　pp->LastError = Error;

　　return

　　((pp->Proportion) * Error // 比例项

　　+ (pp->Integral) * (pp->SumError) // 积分项

　　+ (pp->Derivative) * dError); // 微分项

　　}

　　频率检测算法

　　频率检测算法用来检测系统输出电压的频率。用TMS320F28335片上事件管理器模块的捕获单元捕捉被测信号的有效电平跳变沿，并通过内部的计数器记录一个周波内标频脉冲个数，最终进行相应的运算后得到被测信号频率。

　　实验结果

　　测量波形

　　在完成上述硬件设计的基础上，本文采用特定的PWM控制策略，使逆变器拖动感应电机运行，并进行了短路、电机堵转等实验，证明采用逆变器性能稳定，能可靠地实现过流和短路保护。图8是电机在空载条件下，用数字示波器记录的稳态电压波形。幅度为35V，频率为60Hz。

　　图7 不规则采样法生成SPWM波原理图

　　图8 输出线电压波形

　　测试数据

　　在不同频率及不同线电压情况下的测试数据如表1所示。

　　表1 不同输出频率及不同线电压情况下实验结果

　　结果分析

　　由示波器观察到的线电压波形可以看出，波形接近正弦波，基本无失真;由表中数据可以看出，不同频率下，输出线电压最大的绝对误差只有0.6V，相对误差为1.7%。

　　结束语

　　本文设计的三相正弦波变频电源，由于采用了不对称规则采样算法和PID算法使输出的线电压波形基本为正弦波，其绝对误差小于1.7%;同时具有故障保护功能，可以自动切断输入交流电源。因此本系统具有电路简单、抗干扰性能好、控制效果佳等优点，便于工程应用，具有较大的实际应用价值。