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。 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，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；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（Static CMOS）技术 时钟频率为150 MHz,时钟周期为6.67 ns. 低功耗（电压1.8 V,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）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。集射间电压为：

　　式中的1.1 为电压的波动系数。 关断时峰值电压按式（2）计算。

　　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 的峰值电流为：

　　式中，Id（max）为平均电流；α 为输出脉冲的占空比，α=0.1 时为占空比，ICM为峰值电流。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，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SPWM 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。