基于TMS320F2812的逆变电源控制器的设计与研究

摘要：随着用电设备对高品质的电源和电能质量的需求日益增多，高性能逆变电源的研究越来越受到关注。首先介绍了逆变电源技术的发展现状，在介绍了TMS320F2812芯片的特性之后，详细分析了基于TMS320F2812逆变电源控制器的硬件和软件设计，并对仿真结果进行分析总结。结果表明，该逆变电源能够得到稳定的正弦波输出。
关键词：TMS320F2812；逆变电源；控制器；正弦波

    在电力电子技术的应用及各种电源系统中，逆变电源技术均处于核心地位。逆变电源是一种采用开关方式的电能变换装置，它从交流或直流输入获得稳压、稳频的交流输出。近年来，现代逆变电源越来越趋向于高频化，高性能，模块化，数字化和智能化。
    文中研制的逆变电源控制系统以TMS320F2812作为控制核心，它是一种支持实时仿真的32位微控制器，内部具有UART、SCI总线、SPI总线、PWM、定时器、ADC、CAN总线控制器等众多外围部件，功能强大。主要实现PWM产生、AD转换、DA转换、SCI、开关量检测、继电器驱动以及其他信号控制。

1 基于TMS320F2812逆变电源的总体设计
1．1 DSP控制器TMS320F2812性能
    TMS320F2812芯片是TMS320C28x系列中的一种，它采用先进的改进型哈佛结构，其程序存储器和数据存储器具有各自的总线结构，从而它的处理能力达到最大；它的指令执行速度为150 MIPS，这种高性能使复杂控制算法的实时执行成为可能。同时，其CPU支持基于C／C++编程，很大程度上减轻了开发者的负担。TMS320F2812芯片的主要性能如下：
    1)高性能静态CMOS(Srate CMOS)技术
    时钟频率为150 MHz，时钟周期为6．67 ns。
    低功耗(核心电压1．8V，I／O口电压和flash编程电压均为3．3 V)
    2)高性能32位中央处理器
    32位算术逻辑单元(ALU)，可得64位计算结果，哈佛总线结构，八级流水线，独立存储器空间，可达4 M字的程序地址和数据地址
    3)片内存储器和外部存储器接口
    片内存储器包含：128 k Flash存储器，1 k OTP型只读存储器，18 k SARAM
    外部存储器接口包括：多达1M的存储器，可编程等待状态数，可编程读写选通(Strobe Timing)，3个独立的片选端
    4)最多有56个独立的可编程、多用途输入输出(GPIO)引脚
    5)丰富的串口外围设备
    串行外围接口SPI，采用标准的UART的串行通信接口SCIS，改进的局域网络eCAN以及多通道缓冲串行接口McBSP
1．2 电源总体结构
    本文研究的是基于TMS320F2812的电源系统，系统总体结构由主电路和控制电路组成，系统总体结构图如图1所示。

1．3 主回路结构
    主回路由两大部分组成：整流滤波电路和三相全桥逆变电路。整流滤波电路将三相交流电变成直流电，三相全桥逆变电路将直流电变成三相交流电。主回路结构示意图如图2所示。

    图中U、V、W为三相交流电源输入，采用了三相可控整流电路，通过改变直流母线电压的方式来改变输出脉冲的电压。整流部分采用了2组晶闸管整流模块，分别为逆变器输出的正脉冲和负脉冲供电。通过控制晶闸管的触发角就能控制直流母线电压。逆变电路是该系统的核心部分，输出脉冲的频率、占空比、脉冲个数、死区时间、加工模式以及加工时间段都是通过逆变电路进行控制。

2 控制系统硬件设计
2．1 控制器的组成
    控制器以TMS320F2812数字信号处理器为主控芯片，主要实现PWM产生、AD转换、DA转换、SCI、开关量检测、继电器驱动以及其他信号控制。
    A／D转换部分：信号前端处理，分别采集正负脉冲电压值和电流值
    D／A转换部分：将设置值转换为晶闸管的触发角，并把该值送到相应的晶闸管模块
    输入输出部分：产生一些输入和输出信号，主要是PWM、开关量以及继电器驱动
    控制器总体结构示意图如图3所示。

2．2 IGBT的选型
    逆变电路承担功率输出的任务。每一个桥臂上采用多个较小开关容量的IGBT进行并联，用多组IGBT实现脉冲功率信号的输出。
2．2．1 IGBT额定电压UCEP的确定
    IGBT位于逆变桥上，其输入端与电力电容并联，起到了缓冲波动和干扰的作用，因此，在设计时可以适当的降低安全欲量。最大集射间电压为：
   
    式中，1．1为过电压保护系数；α为安全系数，一般取1．1；100为di／dt引起的尖峰电压。
    选取时必须使额定电压UCEP≥UCESP，考虑到IGBT的实际电压等级，这里取UCEP=1 700 V。
2．2．2 IGBT额定电流IC的确定
    流过IGBT的最大峰值电流为：
   
    式中，Id(max)为最大平均电流；α为输出脉冲的占空比，α=0．1时为最小占空比，ICM为最大峰值电流。最大峰值电流持续的时间为10 ms。考虑到电源输出的平均电流较小，而峰值电流持续的时间短的特点，本设计选用德国英飞凌公司的IGBT模块，型号：FF1200R17KE3(其耐压值为1 700 V，额定电流1 200 A)。

3 控制系统软件设计
3．1 软件的总体结构
    软件部分主要包括SPWM的产生、A／D转换、PID调节、软启动和保护。基于TMS320F2812的控制电路是电源系统的核心，电源输出的正负脉冲个数、占空比、频率、加工时间、工作方式、加工时间段等参数都是由该控制电路的软件实现。通过正弦脉宽调制技术控制三相桥式逆变器，使其输出频率可调、幅值稳定的三相正弦电压。下面主要介绍主程序模块和SPW产生模块。

    在主程序中，需检测系统是否出现过压、欠压、过流故障，如果出现则把相应的标志寄存器置位，当查询到故障标志置位后，切除故障源。主程序流程图如图4所示。
3．2 PWM生成原理
    为了产生PWM信号，使用一个定时器来重复PWM的周期，用一个比较寄存器来存放调制值。定时器计数器的值不断地与比较寄存器进行比较，当两值匹配时，相关输出产生从低到高(或从高到低)的变化。当第二次匹配产生或周期结束时，相关引脚会产生另一个变化(从高到低或从低到高)。输出信号的变化时间由比较寄存器的值决定。这个过程在每个定时器周期按照比较寄存器不同的值重复，这样便产生了PWM信号。
3．3 仿真设计
    在DSP开发环境中测试三相全控整流电路输出电压波形，负载两端电压波形。输出5个正脉冲、占空比50％，5个负脉冲、占空比90％时的DSP输出的波形和逆变器带负载时的波形如图5、6所示。

    从图中可以看出电源利用TMS320F2812中的事件管理器，采用SPWM调制的方式，逆变器输出信号接近于标准的正弦波。加上负载后电压波形出现了畸变，这是由于整流后滤波电容充放电的结果。

4 结束语
    本文概述了逆变电源的数字控制策略，分析了各自的优缺点，并详细介绍了基于TMS320F2812的主回路和控制回路的硬件和软件设计。结合TMS320F2812事件管理器EV单元，采用正弦脉宽调制(SPWM)技术，通过对SPWM程序进行设计和改进算法，可以有效的调节逆变电源输出的频率和有效值。通过对系统的逐渐完善，可进一步提高电源的可靠性和稳定性。