基于DSP的逆變器硬件設計

李陸伊

摘要：本文針對中小功率三相變頻電源，提出基于DSP28335控制器對三相電壓型橋式逆變電路做系統設計工作。從逆變器的工作原理、逆變系統硬件設計以及逆變系統軟件設計三個方面在文中進行論述。硬件設計包括以DSP（TMS320F28335）為核心控制器的最小系統，采用PWM控制技術，設計出控制電路。以主電路、驅動電路、保護電路、濾波電路、采樣電路和其他輔助電路的硬件設計為基礎組成一套完整的逆變輸出系統。并以交流異步電機作為負載，實現其恒壓頻比調速的控制目標。

關鍵詞：逆變器，異步電機，三相橋式逆變，恒壓頻比控制，DSP28335

1 研究背景和意義

隨著電力電子技術及電力半導體的飛速發展，發達國家大量推廣采用了逆變技術的電源，由此推動了各種工業技術的發展，也促進了逆變式電源的發展。電力電子功率開關器件的高壓大容量化、集成化、全控化、高頻化及多功能化方向的發展，相信不久的將來逆變電源將會進入一個新的發展時代[3]。現代逆變技術是研究逆變電路理論和應用的一項科學技術，它建立在工業電子技術、半導體器件技術、現代控制技術、現代電力電子技術、半導體交流技術、脈寬調制（PWM）技術等學科基礎之上的一項實用技術。它的研究對逆變器性能的提高與進一步推廣應用，以及對電力電子技術的發展，都有十分重要的意義，是當前逆變器的發展方向之一。

逆變技術是電力能源利用、提高供電質量等領域的重要環節，逆變器作為核心裝置，實現電源交換系統中重要的能量轉換，決定了系統輸出的穩定性和轉換效率，是當今世界在電源交換領域研究的重點。

2 三相橋式逆變電路原理

三個單相逆變電路可以組合成一個三相逆變電路。但在三相逆變電路中，應用最為廣泛的還是三相橋式逆變電路，采用IGBT作為開關器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖2-1所示，可以看成是由三個半橋逆變電路組成。

電路的直流側通常只有一個電容器就可以了，但為了方便分析，畫作串聯的兩個電容器并標出假想中點N'。和單相半橋、全橋逆變電路相同，三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是180°導電方式，即每個橋臂的導電角度為180o，同一相（即同一半橋）上下兩個臂交替導電，各相開始導電的角度以此相差120o。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通。可能是上面一個臂下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導通。因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行，因此也被稱為縱向換流。

3.PWM控制的基本原理

在采樣控制理論中有一個重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖3-1所示的三個窄脈沖形狀不同，其中圖3-1a為矩形脈沖，圖3-1b為三角形脈沖，圖3-1c為正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于1，那么，當它們分別加在具有慣性的同一個環節上時，其輸出響應基本相同。當窄脈沖變為圖3-1d的單位脈沖函數時，環節的響應即為該環節的脈沖過渡函數。

上述原理可以稱之為面積等效原理，它是PWM控制技術的重要理論基礎。

3 異步電機變壓變頻調速的基本原理

5仿真原理圖

異步電機直接轉矩啟動基本原理結構如下5-1圖所示，由SPWM調制信號控制開關器件通斷，將輸入端直流電壓經三相橋式逆變電路進行逆變，輸出三相交流電壓給異步電機供電，異步電機完成直接啟動。仿真原理圖如圖5-1所示。

6結果分析

結果分別給出三相逆變電壓、定子電流、轉速和轉矩的波形。可以看到，當異步電機直接接額定電壓啟動時，啟動電流較大，最大電流峰值超過額定情況的5倍，之后逐漸衰減。由于3s之前電機空載，轉速穩態時的空載同步轉速為1500rpm， 電磁轉矩震蕩減小為0，當3s時突加額定轉矩后，電流增大為額定電流值，轉速降落為額定轉速，在穩態時電磁轉矩與負載轉矩相等。

7總結

本次設計主要進行了了理論分析、主電路和控制電路的硬件設計，完成對進行了三相橋式逆變系統的整體設計工作。設計中將逆變與電機調速兩者應用相結合，主要進行是三相橋式逆變電路及控制電路硬件設計，以及軟件研究。熟悉了三相逆變的原理、對三相逆變器的設計方法和異步電機調速有了進一步認識。由于本人的能力和時間有限，只是完成了三相逆變器設計的構思階段，在設計中存在不足和缺陷，首先，并沒有完成硬件制作，缺乏實際經驗，沒有進行硬件焊接連接等工作，設計停留在文檔階段，對于其運行的實際情況無法做出判斷。第二，設計選型工作中，對元器件的作用和原理有了更深的理解，一個元器件沒有設置得當，會使整個系統失敗。

參 考 文 獻

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