基于TMS320F2812的新型數字變頻器設計

韓素賢

摘要：為了提高變頻器的靜、動態特性以及性價比，提出了一種基于TMS320F2812的新型數字變頻器設計方案，以空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術作為理論基礎，本論文主要是硬件的實現。通過實驗驗證了該新型變頻器結構簡單，經濟實用，并具有較好的靜、動態性能。對于研究和開發太陽能熱氣流發電具有重要意義。

關鍵詞：TMS320F2812 整流電路 變頻器 逆變電路

中圖分類號：TN773 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0174-02

隨著微處理器和全控型功率器件的發展，PWM技術已廣泛應用于變頻器、有源電力濾波器等領域。PWM變頻器常見的調制方法有空間矢量脈寬調制SVPWM和正弦脈寬調制SPWM。其中，SVPWM技術具有直流側的電壓利用率高、輸出電壓諧波小以及便于數字化實現等諸多優點。TMS320F2812是TI公司生產的電機控制專用芯片，它的事件管理器（Event Manager，簡稱EV）中帶有硬件SVPWM波形生成電路，所以用芯片TMS320F2812生成SVPWM波形具有硬件結構簡單，控制精度較高，實時性較強等優點[1]。本設計結合烏海金沙灣太陽能熱氣流發電工程，主要致力于全數字變頻器的設計及研究。

1 變頻器結構

基于TMS320F2812的新型數字變頻器可分為主電路、控制電路和控制電源等部分。主電路主要由整流電路、濾波電路、緩沖電路及逆變電路組成，用于實現變壓和變頻功能，從而給異步電機提供頻率和電壓均可調的交流電源；控制電路以TMS320F2812為核心，包括交流側電流檢測模塊、交直流側電壓檢測模塊、驅動電路等，用于給主電路提供各種邏輯控制信號，同時DSP計算是否有過流、過壓或欠壓等故障產生，以便產生故障信號，從而封鎖PWM輸出信號；輔助電源的功能是給控制電路提供各種所需的電壓等級的直流電源。

2 變頻器硬件設計

2.1 主電路的設計

該變頻器的主電路結構圖如圖1所示。

2.1.1 整流電路

實驗樣機為鼠籠異步電機，參數為：，，，，。

在SVPWM交流變頻電路中，整流電路是給逆變電路提供直流母線電壓的。整流電路將電網供給的電壓為380V、頻率為50Hz的交流電變成方向不變，而大小隨時間變化的脈沖直流電壓。

整流電路采用不可控二極管組成三相整流橋。整流二極管的參數選取如下：

流過整流二極管的峰值電流也就是異步電機最大負載時的峰值電流，是電機電流額定值的5～6倍，取，通過整流二極管的電流有效值由下式決定：

2.1.2 中間濾波電路

整流電路輸出的直流電壓含有脈動成分，另外由于負載變化和逆變電路產生的脈動電流也會使電流產生脈動，為了將其中的交流成分濾掉，使其成為平滑的直流電，必須在整流電路后加一個低通濾波器。本設計中采用的是電容濾波電路，在整流輸出端并大電容，在直流電源和逆變電路負載之間提供無功功率緩沖。由于整流部分輸出的直流電壓含有比較多的偶次諧波，頻率越高，電容容抗越小，其分流作用就越大，諧波被濾掉的也就越多，從而輸出的電壓平均值就越大。所以濾波電容值在理論上是越大越好的，由于考慮到成本和電容的體積，該實驗選用兩組CEB系列螺栓式日立電容（高紋波電流產品）6800MFD 400VDC串聯，每組又由兩個電容并聯而成。每個電容并聯一個型號為5W51KJ的電阻作為均壓電阻。

2.1.3 逆變電路IGBT模塊的選型

IGBT模塊接于直流母線上，工作時一對橋臂的上橋臂的IGBT和下橋臂的IGBT輪流導通，所以即為關斷時IGBT兩端承受的電壓。由于IGBT管關斷時，線路上的分布電感產生尖峰電壓，并且還要有一定的裕量，取1.8倍的安全系數，IGBT的耐壓值取1200V。

依據上述求得的IGBT的的耐壓值及流過的電流，該逆變電路選用的是德國西門康IGBT模塊SKM 100GB124D。

2.1.4 緩沖電路

緩沖電路（又叫吸收電路）的主要功能是為了抑制IGBT等功率元件的關斷浪涌電壓以及續流二極管的恢復浪涌電壓，減少元器件的開關損耗，從而可以有效利用IGBT的極限功率。吸收電路將開關損耗從元器件轉移到緩沖器上，目的是保證功率元件的安全工作，但是總開關損耗沒有減少。本設計選用的是充放電型RCD吸收電路。

2.1.5 快速短路保護電路

遇到輸出線路短路的情況，一般的保護措施是關斷所有的IGBT，但對于650V的直流電源，短路電流上升得特別快，關斷信號還未來得及起作用，IGBT可能就已經燒壞。為了確保IGBT的安全，必須采取其他措施。本文設計的主電路中在輸出端串聯電感，根據電感的固有特性去抑制短路電流的上升速度，爭取時間在IGBT的電流達到所能承受的最大值之前，使保護電路將IGBT完全關斷。

2.2 控制電路設計

控制電路采用的是TMS320F2812芯片，用來完成SVPWM波形的生成及故障檢測、串行通信等。該芯片具有外設集成度高、A/D轉換速度快、控制算法實現容易等優點，被廣泛地應用在異步電機的全數字控制系統中。以TMS320F2812為核心的變頻器控制電路原理框圖如圖2所示。

控制電路工作原理：采用先進的SVPWM算法，把異步電機和逆變器作為一整體，利用TMS320F2812A的EV生成6路SVPWM信號，通過功率驅動模塊IR2130D來驅動逆變器實現變頻、變壓控制；并且對電流、電壓以及轉速信號進行檢測，當變頻器發生故障時，能夠及時做出相應反應。

3 硬件實驗及結果

利用上述設計方案完成了變頻器的制作。在變頻器的測試過程中，程序在TMS320F2812硬件基礎上，用C語言實現SVPWM的調制。使用CCS3.3軟件把程序通過仿真器加載到TMS320F2812目標板上。在給定輸出頻率、直流母線電壓后，通過示波器觀測到濾波后的異步電機線電壓波形如圖3所示。

在基于TMS320F2812的SVPWM變頻器控制下，異步電機運行性能良好、線電壓波形好、諧波成分少并且直流側電壓利用率高，從而驗證了該變頻器設計方案的正確性，實現了對異步電機的實時數字化控制。

參考文獻

[1]周有為，劉和平，楊利輝.基于TMS320F2812的SVPWM的研究[J].電氣應用，2005（2）：98-98.

[2]任寶華.基于DSP的異步電機變頻調速系統設計與算法研究[D].武漢理工大學，2007.

[3]任玉才.基于DSP和SVPWM變頻調速系統的研制[D].大連：大連海市大學，2005.

[4]楊岳峰，張奕黃.IGBT的瞬態保護和緩沖電路[J].電機電器技術，2003（03）.