DSP在高频开关电源的控制

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                    　　数字信号处理器（ＤＳＰ）已广泛应用在高频开关电源的控制，采取ＤＳＰ作为变频电源的控制核心，可以用最少的软硬件实现灵活、准确的在线控制。数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７既有一般ＤＳＰ芯片的特点，还在片内集成了许多外设电路，使其可以很方便地实现变频电源控制。本文中，控制系统采用了工程应用较多的正弦脉宽凋制技术，该技术具有算法简单，硬件实现容易，谐波较小等优点，可以充分发挥ＤＳＰ的高速性、实时性、可靠性等方面的特点，结合相应的软件，应用一些改进的算法实现了ＳＰＷＭ调制，输出了质量较好、频率和幅值可任意改变的控制信号。
　　１　系统的结构
　　变频电源采用高频ＳＰＷＭ技术和通用电压型单相全桥逆变电路，选取ＩＣＢＴ功率模块作为开关器件，控制电路采用全数字化设计。
　　输出电压和电感电流通过采样网络，将输入信号转换为ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７所需要的电平，接至ＴＭＳ３２０１Ｆ２４０７的Ａ／Ｄ转换口。通过键盘键入所要求的输出电压值、频率值，由ＳＣＩ模块与ＤＳＰ实现通讯。得到逆变器当前工作的基准电压信号，经过电压电流调节器获得实际的正弦调制信号，与ＤＳＰ定时器产生的三角波载波信号相交截，输出带有一定死区的驱动控制信号，经驱动单元进行隔离放大后送到ＩＧＢＴ。ＤＳＰ可以把当前时刻的输出电压、频率值送给单片机并在８位ＬＥＤ上显示出来。为了保证过压、欠压、过流（过载）的情况下能有效地保护功率开关和负载，在本系统中设置了保护电路，一旦出现故障，ＰＤＰＩＮＴ引脚为低电平状态，封锁驱动脉冲控制信号，切断变频电源输出。
　　２　ＳＰＷＭ波的软件设计
　　变频电源研制的核心是ＳＰＷＭ波的生成，可利用ＤＳＰ通过软件来实现，系统采用了双闭环反馈的控制策略，其外环为输出电压反馈，电压调节器一般采用ＰＩ形式，电感电流反馈构成内环，电流环设计为比例环节。由图ｌ可以看出，输出电压的信号经调理采样生成Ｖｆ后直接反馈，与参考正弦电压Ｖｒｅｆ比较后，经ＰＩ调节后作为电流内环的给定信号Ｉｇ。其与电感电流反馈值Ｉｆ比较得到的误差经Ｐ调节，作为调制波与三角载波进行交截产生ＳＰＷＭ开关信号。为了便丁变频器在线调试，所生成的ＳＰＷＭ波调制比必须可在一定范围任意改变，且误差较小。由上所述，可知ＳＰＷＭ波的生成涉及３个方面：获得参考止弦电压Ｖｒｅｆ、实现电压电流双闭环控制、产生三角载波。其中，三角载波的实现很简单，可由ＤＳＰ中的通用定时器产生，本设计中，使用了通用定时器ｌ，可根据载波频率确定定时器ｌ中的周期寄存器ＴＩＰＲ的值。下面着重介绍前两个方面所涉及的没计和算法。
　　２．ｌ　基准正弦电压信号的生成
　　ＤＳＰ实时地从单片机读取所需要的电压的频率和幅值作为当前输出电压的基准（给定）。获取当前时刻的正弦值，基准正弦信号是通过查表法产生的。在数字控制系统中正弦基准信号就是一个正弦数据表格，故应将正弦波按其表达式制成０°～３６０°的表格供查用，在本设计中，正弦数据表格中数据点数选为１０２４，可将其数值放在片外数据存储器。有如卜关系式：
　　式中：ｆｓ为当前时刻调制频率；
　　ｔ为采样时刻；
　　Ｎ为当前时刻处在整个调制周期的第Ｎ个脉冲。
　　由于本系统系变频电源，即ｆＳ是在变化的，且系统采用的是异步调制，所以Ｎ也是随ｆＳ变化而变化的。由此必须实时变化定时时间Ｔ以确保整个周期的脉冲数最大限度地接近整数，以避免或减少输出波形含有基波的子谐波；此外，还须实时地改变脉冲序列，以保证输出电压值不发生较大的跳变。
　　２．１．１　实时改变定时时间
　　假设ｆＳ＝４００　Ｈｚ，则频率凋制比Ｍｆ为
　　由于整个周期的脉冲数ＮＥ超过１，所以ＮＥ只能选用定标为Ｑ０，即ＮＥ只能为整数，所以ＮＥ＝６２，从而在脉冲数上出现了相差了Ｏ．５个，反映在桥臂输出电压上，有正负输出所含的脉冲数不相同。由此会产生基频的子谐波。
　　如果我们以当前的脉冲数ＮＥ回推出开关频率，则有ｆｃ＝６２ｘ４００＝２４．８ｋＨｚ，这样确定的开关频率，就最大限度地保汪了正负调制周期的脉冲数近似相同。设计中，定时器１的工作方式设定为连续增减计数方式，故其中ｆｃｐｕ＝２０　ＭＨｚ为时钟频率，开关频率２５　ｋＨｚ时可得定时时间Ｔ为４０μｓ，Ｔ１ＰＲ为４００；而开关频率为２４．８　ｋＨｚ时可得定时时间Ｔ为４０．６５μｓ，Ｔ１ＰＲ为４０３．２２５，Ｔ１ＰＲ定标为Ｑ０，所以只能为整数４０３，故求得频率调制比所以正负调制周期的脉冲数相差极少，为０．０３５，这样就最大限度的消除了基频的子谐波。
　　２．１．２　实时改变脉冲序列
　　当频率不发生改变时，ＤＳＰ按原来的输出序列（Ｎ＝１，２，…ＮＥ）循环输出脉冲，设在第Ｎ个周期时，频率发生改变，则ＤＳＰ应按新的脉冲序列（Ｎ′＝ｌ，２，…ＮＥ′）输出脉冲。
　　在Ｎ＝２５时刻频率从５００Ｈｚ变化到２５０Ｈｚ，由于Ｎ＝２５对应输出频率５００Ｈｚ为零点处，对应于输出频率２５０Ｈｚ为正峰值处，所以如果不改变输出脉冲序列，则会导致输出电压相位和电压值都出现跳变，为了保证在频率切换过程中电压的相位变化最小，输出电压值不发生较大的跳变，应按下式来确定新的脉冲序列中起始的脉冲序号Ｎ′，即令：
　　具体流程如图３所示。
　　２．２　双闭环控制实现
　　在实际应用中，考虑到一些具体情况，还需对电压调节器的数字ＰＩ调节及电流调节器的数字Ｐ调节加以一定的限制，针对不同的情况采取最佳控制方法。
　　３　实验结果
　　根据上述基本编程思路，编制了一个凋制比Ｎ可任意改变的通用ＳＰＷＭ产生软件，只要通过按键输入相应的数据，就可以根据负载的需要产生任意输出频率和电压幅值的ＳＰＷＭ波。研制了一台容量为５０００ＶＡ的变频器样机，并进行了实验，实验结果表明，输出电压波形光滑，波形失真度低，输出电压的ＴＨＤ≤２％。通过实时改变给定频率以调节输出电压频率，频率由低逐渐增高，通过实时改变给定电压幅值以调节输出电压，电压由低逐渐增高。从频率、电压的动态过程可以看出系统实现了实时变频和变压。
　　４　结语
　　本文以ＤＳＰ作为主控芯片，设计并实现了ＳＰＷＭ变频电源数字化控制，该方式控制灵活、调试方便、可靠性高。在使用双闭环控制策略的变频电源中，应用适合于ＤＳＰ特点的一些算法，编程产生了可以变频变压的ＳＰＷＭ波信号，设计的方法是可行的。数字化使得系统具有很强的可编程性，这样系统更易于更新和升级，并获得了比较好的实验效果