1、 本科毕业设计说明书 基于 TMS320LF2407A 的数字逆变电源的设计 THE DESIGN OF DIGITAL INVERTER BASED ON TMS320LF2407A 学院（部）： 电气与信息工程学院 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 2013 年 06 月 01 日 基于 TMS320LF2407A 的数字逆变电源的设计 摘要 逆变电源是一种采用电力电子技术是进行电能变换的装置， 它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。逆变电源技术是一门综合性的 产 业技术，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。逆变电源广泛应用于航空、航
2、海、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域。电源技术的发展使得数字控制系统控制的电源取代传统电源已成为必然。 逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆变电源的发展。目前逆变电源的核心部分就是逆变器和其控制部分，虽然在控制方法上已经趋于成熟，但是其控制方法实现起来还是有所困难。因此，对逆变电源的控制 和逆变器进行深入研究具有很大的现实意义。 随着现代科学技术的迅猛发展， 逆变技术目前已朝着全数字化、智能化、网络化的方向发展。而作为专用的 DSP 的出现，更是为研究和设计新型的逆变电源提供了更方便、更灵活、功能更强大的技术平台。 本文 采用美国德州仪器公司(TI)新近推出的
3、一种 TMS320LF2407A 数字信号处理器，作为逆变电源中的核心控制部分进行研究。以实现所研制的逆变装置 能 输出标准的正弦交流电。 本文 主要 分析了变频电源技术现状、发展趋势和存在的难点，指出论文的研究内容和意义。 详细 讨论了逆变器的 SPWM调制法工 作原理，介绍了数字实现时对称规则采样法和不对称规则采样法的特点。 通过分析 SPWM波形产生规律和特点，选择了以不对称规则采样法为基础实现的单极性 SPWM控制，并且具体介绍了 DSP实现 SPWM。 文中 设计出了整个逆变电源的硬件结构，其主要核心部分是IPM和 DSP控制部分。这两部分的结合使得该电源结构简单、性能优良。 并且
4、针对 DSP控制系统的各个部分进行了软件设计，给出了相应的软件流程图。 关键词： 逆变电源， SPWM， TMS320LF2407A,IPM安徽理工大学毕业设计 II THE DESIGN OF DIGITAL INVERTER BASED ON TMS320LF2407A ABSTRACT Inverter is a power electronic technology is used for energy conversion device, which obtained from AC or DC input voltage constant frequency AC output.
5、Inverter technology is a comprehensive contention industry technology, it stretches electricity, electronics, microprocessors and other multi-disciplinary field of automatic control, is the power electronics industry and scientific research hot spots. Power inverter is widely used in aviation, marin
6、e, electric power, railway transport, post and telecommunications, and many other fields. Power technology enables digital power control system to replace the traditional power has become a necessity. The development of power inverter and power electronic devices linked to the development of the dev
7、ice led to the development of power inverter development. Currently inverter is the core part of the inverter and its control part, although the control method has become mature, but its control method to achieve it is still somewhat difficult. Therefore, the inverter and the inverter to control dep
8、th study has great practical significance. With the rapid development of modern science and technology. As inverter technology has been moving all-digital, intelligent, network oriented direction. As a dedicated DSP appearance, but also for research and design of new power inverter provides a more c
9、onvenient, more flexible, more powerful technology platform. In this paper, Texas Instruments(TI)recently introduced a TMS320LF2407A digital signal processor as the core power inverter control part of research. Developed in order to achieve the standard inverter device can output a sinusoidal altern
10、ating current. 安徽理工大学毕业设计 III This paper analyzes the variable frequency power supply technology status, trends and the presence of difficulties, that the thesis content and meaning. Discussed in detail SPWM modulation inverter principle, introduced a digital realization symmetric and asymmetric sam
11、pling rules the rules of sampling characteristics. SPWM waveform generated by analyzing the rules and characteristics, chose to asymmetric regular sampling method is based on the realization of the unipolar SPWM control, and specifically describes the DSP implementation SPWM. The paper designed the
12、entire inverter hardware structure, the main core of the IPM and DSP control section. The combination of these two parts so that the power of simple structure, excellent performance. And the DSP control system for the various parts of the software design, gives the corresponding software flow chart.
13、 KEYWARDS:inverter,spwm,tms320lf2407a,ipm 安徽理工大学毕业设计 i 目录 摘要 (中文 ). II 摘要 (外文 ). IIII 1.绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 逆变器的现状及发展趋势 . 1 1.2.1 逆变器的现状 . 1 1.2.2 逆变器的 发展趋势 . 2 1.3 主要内容和章节安排 . 4 2.逆变系统基本结构及控制策略 . 5 2.1 现代逆变系统基本结构 . 5 2.2 SPWM 控制技术及其原理 . 6 2.2.1 逆变系统的原理 . 6 2.2.2 SPWM 控制基础 . 8 2.2.3 PWM 波形的基本原理 .
14、9 2.3 SPWM 采样方法对比分析 . 9 2.4 SPWM 控制方式分析 . 13 2.4.1 单极性 SPWM 控制方式 . 14 2.4.2 双极性 SPWM 控制方式 . 15 2.4.3 单极性和双极性调制比较 . 16 2.5 使用 DSP 实现 SPWM 波 . 16 2.5.1 DSP 的事件（ EV）管理器模块介绍 . 16 2.5.2 DSP 中断及中断向量 . 20 2.5.3 DSP 控制三相 SPWM 波形产生原理分析 . 21 3.基于 DSP 系统的硬件设计与研究 . 23 3.1 三相逆变电源主电路结构的比较分析 . 23 3.2 基于 DSP 系统的逆变电
15、源硬件结构设计 . 24 3.2.1 硬件结构图 . 24 3.2.2 整流、滤波电路的设计 . 24 3.2.3 输出滤波电路的设计 . 26 3.3 智能功率模块 IPM 的设计 . 27 3.3.1 智能功率模块 IPM 的介绍 . 27 3.3.2 IPM 模块的选择 . 28 安徽理工大学毕业设计 ii 3.3.3 DSP 与 IPM 的连接电路 . 29 3.4 DSP 控制电路的设计 . 30 3.4.1 DSP 芯片的特点与选取 . 30 3.4.2 以 TMS320LF2407A 为核心的控制电路设计 . 31 3.4.3 电源电路的设计 . 35 3.5 硬件系统的优化设计
16、 . 36 4.逆变电源的软件设计 . 37 4.1 DSP 系统软件设计 . 37 4.1.1 系统主程序设计 . 37 4.1.2 初始化模块 . 38 4.1.3 利用查表法生产 SPWM 波 . 39 4.1.4 故障中断处理程序的设计 . 39 4.2 初始化程序设计 . 40 4.3 软件系统的优化设计 . 42 结论 . 43 参考文献 . 44 致谢 . 46 安徽理工大学毕业设计 1 1.绪论 1.1 引言 逆变电源技术出现于 20世纪 60年代，是电力电子技术 中的一个重要组成部分，综合了现代电力电子开关器件应用、功率变换、模拟数字电子技术、 PWM技术以及控制技术等多门学
17、科的实用技术。随着信息技术的发展，逆变电源越来越广泛地应用于各个领域，早期的逆变电源，只需要其输出不断电，稳压、稳频即可。然而，今天的逆变电源除这些要求外，还必须环保无污染，即绿色环保逆变电源。高性能的逆变电源必须满足：高输入功率因数，低输出阻抗；快速的暂态响应，稳态精度高；稳定性高，效率高，可靠性高；完善的网络功能；智能化；低的电磁干扰。显然这些要求的实现都离不开数字化控制技术。传统的逆变电源采 用模拟电路控制，但模拟控制存在许多固有的缺点： (1)因采用大量分散元件和电路板导致硬件成本偏高，系统可靠性下降； (2)由于人工调试器件的存在，导致生产效率降低及控制系统一致性差； (3)器件老化
18、及热漂移问题存在导致逆变电源输出性能下降，甚至导致输出失败； (4)产品升级换代困难，每一个新型逆变电源都要求重新设计、制造控制系统； (5)模拟控制的逆变电源监控功能有限，一旦出现故障，要想恢复正常，技术人员必须亲赴现场。但是由于微处理器的速度问题，逆变电源的控制仍然采用模拟电路进行。 数字化、网络化已经成为信 息社会的主流。随着高性能的 DSP控制器的出现，逆变电源的全数字控制成为现实。 DSP能够实时地读取逆变电源的输出，并实时地计算出 PWM输出值，使得一些先进的控制策略应用于逆变电源的控制成为可能。可对于逆变电源大量非线性电子负载动态变化产生的谐波，进行动态的补偿从而使得输出谐波达到
19、可接受的水平。 1.2 逆变器的现状 及发展趋势 1.2.1 逆变器的现状 电源系统是现代电子设备不可或缺的重要组成部分。随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛，对电源性能的要 求越来越高。主要表现出以下几种趋势：高频化；模块化；数字化；绿色化。 安徽理工大学毕业设计 2 对于逆变电源以上的要求， DSP的出现加快了该趋势的发展。由于 DSP使得芯片功能得到大大的加强，它特点在于采用并行体系的哈佛结构，增强了数据吞吐能力；流水线减少了指令执行时间；专用硬件乘法器；特殊 DSP指令；快速的指令执行周期，最快的已经达到 20ns以下，
20、为通常微处理器芯片数据处理速度的十倍以上。正因为 DSP的强大、高速数据处理功能，逆变电源的数字化产品才越来越受到用户的青睐。采用 DSP控制的逆变电源系统主要有以下的优 点： (1)系统可以采 用先进的控制方法和智能控制策略，使得逆变器的智能化程度更高，性能更加完善； (2)控制灵活、系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必对硬件电路做改动，这给逆变器系统的开发带来了很大的方便，即系统升级更新换代所需的周期短，成本低，而且维护起来也很方便； (3)减少控制元件数量，提高系统抗干扰能力； (4)控制系统的可靠性提高，易于标准化； (5)系统维护方便。系统一旦出现故障，通过接口进行调试即可
21、，而且可以通过查询历史记录来进行修复； (6)系统一致性好，成本低，生产制造方便； (7)易于组成并联运行系 统。 1.2.2 逆变器的 发展趋势 影响逆变技术未来发展的主要因素是： (1)PWM软开关技术： (2)数字化控制技术。 （ 1)PWM软开关技术 逆变器的脉宽调制 (PWM)技术早在晶闸管时代就已经出现了，正弦脉宽调制 (SPWM)在全控型器件出现以后得到了迅速的发展，这种技术是用一种参考波(通常是正弦波，有时也用阶梯波或方波等 )为“调制波”，而以 N倍于调制波频率的正三角波或锯齿波为“载波 “。由于正三角波或锯齿波的上下宽度是线性变化的波形，因此它与调制波相交时，就可以得到一组
22、幅值相等，而宽度正比于调制波函数值的矩形脉 冲序列来等效调制波。用开关量取代模拟量，并通过对逆变器开关管的通断控制，把直流电变成交流电。因为当调制波为正弦波时，输出矩形脉冲序列的脉冲宽度按正弦函数规律变化，因此，这种调制技术通常又称为正弦脉宽调制 (SPWM)技术 。 随着大功率高频全控开关器件大量出现，逆变器的 PWM控制技术受到了人们的高度重视并且得到了飞速的发展。尤其是最近几年，微处理器用于实现 PWM控制技术后，使得现代控制理论的控制方法能够应用于逆变器的 PWM控制，大大提高了现代逆变器的性能。而且由于采用了数字电路实现 PWM控制，使得逆变安徽理工大学毕业设计 3 器的控制电 路简
23、化，稳定性提高，逆变器的数字化控制已成为逆变器发展的主流。 PWM软开关逆变技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一，是实现电力电子技术高频化的最佳途径，也是一项理论性很强的研究工作。它的研究对于逆变器性能的提高和进一步推广应用，以及对电力电子学技术的发展，都有十分重要的意义，是当前逆变器的发展方向之一。但这里必须指出，软开关并不是没有损耗的，它只是把开关器件本身的一部分开关损耗转移到了为实现软开关而附加的谐振电路中的谐振元件上，总量上可能有所减少。 软开关逆变技术研究的重要目的之一是实现 PWM软开 关技术，也就是将软开关技术引进到 PWM逆变器中，使它既能保持原来的优点，又能实现软开关
24、工作。为此，必须把 LC与开关器件组成一个谐振网络，使 PWM逆变器只有在开关切换过程中才产生谐振，实现开关的零电压开通和关断，一般工作情况下则不发生谐振，以保持 PWM逆变器工作特点。 (2)数字化控制技术 逆变电源的数字化并不是简单地指在系统中应用了数字器件，如单片机及FPGA等，而是指整个系统的控制都由数字器件 (主要指微处理器 )的计算算法和控制算法实现，极大地简化了硬件电路，提高了系统的稳定性、可靠性和控制精度，这是现代逆 变技术发展的趋势。 与数字化相适应，各种各样的逆变电源离散控制方法纷纷涌现，包括数字PID控制、无差拍控制、数字滑变结构控制、模糊控制、神经网络控制等，有力地推动
25、逆变电源控制技术的发展。下面简述逆变电源的主要控制策略： PD控制是一种传统控制方法，由于其算法简单成熟，设计过程中不过分依赖系统参数，鲁棒性好、可靠性高，在模拟控制的正弦波逆变电源系统中得到了广泛的应用。 PID控制算法具有较快的动、静态响应特性。 无差拍控制是一种基于精确的 PWM逆变 器模型的控制方法，它主要是实现系统的零极点对消。 1959年是由 Kalmal首先提出的。 1985年， Gokhale在 PESC年会上提出将无差拍控制应用于逆变器控制 。 此控制方法一旦系统参数发生变化或系统模型建立不准确，系统将会出现振荡，空载时振荡尤其严重。 状态反馈控制是由台湾邹应屿等人于 194
26、4年提出的。此控制方法的数学模型与无差拍控制的一样，一般 是 根椐时域指标 提出 一组期望的极点，通过对反馈增益矩阵的设计，使闭环系统的极点恰好处于根平面上所期望的位置，以获得期望的动态特性即所谓 的极点配置问题。此控制方法可实现系统极点的配置，所以克服了无差拍控制空载时振荡的缺点，逆变器工作在一种稳定状态。 重复控制是一种十分有效的波形校正技术，是基于内模原理的控制技术。此控制方法近年来在 UPS逆变电源的波形控制中得到应用并获得了良好的控制安徽理工大学毕业设计 4 效果。它对于消除非线性负载及其它周期性干扰引起的波形畸变，具有非常明显的效果。系统稳定性和鲁棒性都很好，但是由于存在一个周期轮
27、空不调，系统动态特性较差。 滑模变结构控制理论始于五十年代，实质上是一种非 连续的开关控制方法，它强迫系统的跟踪误差及其导数运行于相平面一条固定的滑模曲线上，与系统参数变动及外部扰动无关，因此系统有极强的鲁棒性。但是，变结构控制中存在抖动问 题，使得波形跟踪质量较差，输出波形不及重复控制和无差拍控制。 模糊控制，主要是模糊 PID控制，是为了解决传统 PID控制鲁棒性差的问题而提出的一种智能控制策略。它首先将输入的精确量 (一般为跟踪误差及其导数 )转换为模糊量，然后根据专家经验总结的语言规则进行模糊推理，根据推理结果确定当前情况下最适合的 PD控制器参数，能改 善系统对非线性负载的适应能力。
28、 神经网络控制是近几年来兴起的一种智能控制方式， 90年代初，日本的Yoshihisa等人将人工神经网络技术应用到逆变器中，构成一个数字电流调节器。1999年，香港大学的 Xiao Sun及浙大的 Frank H.F Leung等人将神经网络技术应用到逆变器输出波形控制上。但是由于学习清况比较复杂，该方法目前仅限于实验室阶段。 数 字控制 变换器在实际使用中还存在许多待解决的问题，例如：变换器开关动作对采样的严重干扰；检测的量化误差导致控制精度显著下降；高 速运行下数字化脉宽调制时间分辨率的下降；开关功率变换器数字化的数学模型研究不够深入等。因此，逆变器的数字控制技术仍处于不断改进完善的过程中
29、，仍然是逆变电源领域中的关键研究内容。 1.3 主要内容和章节安排 本文的重点是设计一个基于 DSP 控制的低成本、多功能、易维护、升级方便的三相逆变电源系统。 第一章为绪论部分，引入了 逆变 电源的 概念 ，并论述了逆变电源结构和控制技术的 现状 及 发展 趋势 。 第二章深入研究了 SPWM 控制 原理与模式 ，并针对谐波问题，采用优良的SPWM 波形采样方案，使其 谐波 含量大大降低。 第三章具体设计和 实现了基于 TMS320LF2407A 芯片 的 数字 逆变电源硬件电路。 第四章具体 介绍 基于 TMS320LF2407A 芯片 的 数字 逆变电源软件系统 及系统流程图的设计 。 最后 对整篇论文进行了总结。
