标签: tms320lf2407a

本文介绍了基于DSP TMS320LF2407A并使用SPWM控制技术的全数字单相变频器的设计及实现方法，最后给出了实验波形。 常见的AC/DC/AC变频器，是对输出部分进行变频、变压调节，而且在多种逆变控制技术中，应用最广泛的一种逆变控制技术是正弦脉宽调制(SPWM)技术。在变频调速系统中，应用DSP作为控制芯片以实现数字化控制，它既提高了系统可靠性，又使系统的控制精度高、实时性强、硬件简单、软件编程容易，是变频调速系统中最有发展前景的研究方向之一。 TMS320LF2407A芯片简介 TMS320LF2407A是TI公司专为电机控制而设计的单片DSP控制器。它具有高性能的C2XLP内核，采用改进的哈佛结构，四级流水线操作，它不仅具备强大高速的运算能力，而且内部集成了丰富的电机控制外围部件，如事件管理器EVA、EVB各包括3个独立的双向定时器；支持产生可编程的死区控制PWM输出；4个捕获口中的2个可直接连接来自光电编码器的正交编码脉冲；2个独立的10位8路A/D转换器可同时并行完成两个模拟输入的转换；片内的串行通信接口可用于与上位机通信；片内串行外设口用于与外设之间通信；40个可独立编程的复用I/O口可以选配成键盘输入和示波器显示的输入/输出口。这些为实现交流电机变频调速控制提供了极大的便利。 系统总体方案及硬件电路 图1为系统硬件框图。在本系统中，以TMS320LF2407A为主要控制芯片，逆变器采用SPWM调制控制方式实现变频控制算法，系统硬件由主电路、显示电路、键盘输入电路以及检测与保护电路等组成。DSP首先从键盘采集需要的频率信号，接着通过运算产生相应的SPWM信号，通过光耦传给驱动电路再控制逆变桥中的功率管导通与关断，同时采集主电路中的有关信号并判断有无故障输出。若有故障则关断DSP的SPWM输出，从而关断主电路。 1、主电路组成 图2为系统的主电路，由整流电路、滤波电路和逆变电路3部分组成。整流电路为三相不可控整流桥，由它将380V、50Hz交流电整流变换成脉动直流电。电路中采用滤波电容进行滤波，滤去电压纹波，同时滤波电容还在整流电路与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰。整流后的直流电压平均值为UO=1.35U2≈1.4U2=540V。U2为交流侧电压有效值。考虑到输入三相电有10%的波动，所以UO=500～560V。主电路图中的功率器件G1、G2、G3、G4表示是IGBT器件，其型号是MG50Q2YS40，耐压值为1200V，控制电压为土20V，电流为50A。R1为限流电阻，防止冲击电流对IGBT的损害。L1、L3为共模滤波器，HL1、HL2为电流霍尔元件，其作用为检测主电路的电流值，作为保护电路的输入信号；另外还用到电压霍尔元件，检测电压值，作为保护电路的输入信号和电压反馈信号，组成电压负反馈。采用SPWM技术控制的4个IGBT进行逆变，输出的交流电经过变压器变压后，再用LC滤波器进行滤波，输出220V频率可变的交流电。 2、驱动与保护电路 图3为驱动电路原理。本系统逆变电路功率器件采用IGBT芯片，因此驱动电路选用4片三菱公司生产的驱动模块M57962L。该驱动模块为混合集成电路，将IGBT的驱动和过流保护集于一体。图3中M57962L的13脚接DSP的PWMl(其他3片M57962L分别接PWM2、PWM3、PWM4)，14脚接地，1、6脚分别接电源。另外，M57962L采用的是低电压驱动，即只有13脚输入负电位时才能驱动M57962L。这样做的优点在于防止出现干扰，当出现干扰波形时，采用低电平驱动的M57962L不能驱动。另外在关断过程中，如果电压变化过大，则会产生擎住现象，使IGBT失控，引起上下桥臂直通，因此，采用RC缓冲电路来抑制过电压和电压变化率du/dt。 系统的数字实现 系统逆变器部分采用SPWM规则采样算法，其基本思想是使输出的脉冲按正弦规律变化，这样降低输出电压中的谐波分量，使输出电压更接近于正弦波。为了便于数字实现，用规则采样法生成SPWM脉冲序列，其原理如图4所示。因为三角载波频率比正弦波频率高很多，所以将三角载波uc的一个周期内的正弦调制波ut看作不变，这样在一个三角波周期，只需在B点取样一次，便可使生成的SPWM脉冲中点与对应三角波的中点(A点)重合，从而使SPWM脉冲的计算大为简化。设uc的幅值为1，正弦调制信号ut=Msinωtt，其中O≤M1(M为调制度)。由于△ABC～△EDA，故有： 正弦函数值采用查表的方式求出。另外在每段的同步调制中取N为3的倍数。 软件程序设计是逆变控制电路设计的核心。本系统软件主要包括：主程序、中断服务程序、PI调节程序、显示程序等。图5为主程序流程，图6为中断程序流程。在主程序中，完成DSP系统及外部设备初始化，I/O控制信号管理及正弦波信号产生和处理等。在中断程序中，完成电流、电压检测，PI调节计算，计算恒压频比下的调制度M和频率值，正弦波处理并给比较器CMPRl赋值等。 图7为同一桥臂上下管PWMl与PWM2波形。由图可见，上下桥臂设置了2μs的死区时间，以保证逆变电路的安全工作。图8为DSP发出的PWM波形，(1)、(2)为两个互补的等幅不等宽的脉冲信号。其中高电平为+5V，低电位为OV，脉冲宽度是按照正弦规律变化的。由于M57962L芯片采用的是负电位驱动，所以要采用电平转换电路。图9为最终驱动IGBT的SPWM波形(转换后的SPWM波形)，从图中可以看出，波形的宽度是按照正弦规律变化的。图10(a)、(b)分别为f=200Hz和f=300Hz时的输出电压波形。实验结果表明，输出电压波形质量好，总谐波畸变率低。 结论 基于DSP的数字控制技术能大大改善产品的一致性，克服模拟控制带来的产品性能分散性，同时增强了控制的柔性，简化了系统结构，提高了整个系统的稳定性和可靠性，有较好的应用前景。本设计应用TMS320LF2407A芯片采用SPWM控制技术，完成了将380V、50Hz的交流电源变换成输出220V、频率为100～400Hz可调的交流电源。通过对样机的实际测量表明，输出波形质量良好，克服了过去这类电源采用体积大的中频变压器时出现的噪声大、响应慢、波形畸变严重等缺点，是有较好应用前景的产品。

本文介绍了基于DSP TMS320LF2407A并使用SPWM控制技术的全数字单相变频器的设计及实现方法，最后给出了实验波形。 常见的AC/DC/AC变频器，是对输出部分进行变频、变压调节，而且在多种逆变控制技术中，应用最广泛的一种逆变控制技术是正弦脉宽调制(SPWM)技术。在变频调速系统中，应用DSP作为控制芯片以实现数字化控制，它既提高了系统可靠性，又使系统的控制精度高、实时性强、硬件简单、软件编程容易，是变频调速系统中最有发展前景的研究方向之一。 TMS320LF2407A芯片简介 TMS320LF2407A是TI公司专为电机控制而设计的单片DSP控制器。它具有高性能的C2XLP内核，采用改进的哈佛结构，四级流水线操作，它不仅具备强大高速的运算能力，而且内部集成了丰富的电机控制外围部件，如事件管理器EVA、EVB各包括3个独立的双向定时器；支持产生可编程的死区控制PWM输出；4个捕获口中的2个可直接连接来自光电编码器的正交编码脉冲；2个独立的10位8路A/D转换器可同时并行完成两个模拟输入的转换；片内的串行通信接口可用于与上位机通信；片内串行外设口用于与外设之间通信；40个可独立编程的复用I/O口可以选配成键盘输入和示波器显示的输入/输出口。这些为实现交流电机变频调速控制提供了极大的便利。 系统总体方案及硬件电路 图1为系统硬件框图。在本系统中，以TMS320LF2407A为主要控制芯片，逆变器采用SPWM调制控制方式实现变频控制算法，系统硬件由主电路、显示电路、键盘输入电路以及检测与保护电路等组成。DSP首先从键盘采集需要的频率信号，接着通过运算产生相应的SPWM信号，通过光耦传给驱动电路再控制逆变桥中的功率管导通与关断，同时采集主电路中的有关信号并判断有无故障输出。若有故障则关断DSP的SPWM输出，从而关断主电路。 1、主电路组成 图2为系统的主电路，由整流电路、滤波电路和逆变电路3部分组成。整流电路为三相不可控整流桥，由它将380V、50Hz交流电整流变换成脉动直流电。电路中采用滤波电容进行滤波，滤去电压纹波，同时滤波电容还在整流电路与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰。整流后的直流电压平均值为UO=1.35U2≈1.4U2=540V。U2为交流侧电压有效值。考虑到输入三相电有10%的波动，所以UO=500～560V。主电路图中的功率器件G1、G2、G3、G4表示是IGBT器件，其型号是MG50Q2YS40，耐压值为1200V，控制电压为土20V，电流为50A。R1为限流电阻，防止冲击电流对IGBT的损害。L1、L3为共模滤波器，HL1、HL2为电流霍尔元件，其作用为检测主电路的电流值，作为保护电路的输入信号；另外还用到电压霍尔元件，检测电压值，作为保护电路的输入信号和电压反馈信号，组成电压负反馈。采用SPWM技术控制的4个IGBT进行逆变，输出的交流电经过变压器变压后，再用LC滤波器进行滤波，输出220V频率可变的交流电。 2、驱动与保护电路 图3为驱动电路原理。本系统逆变电路功率器件采用IGBT芯片，因此驱动电路选用4片三菱公司生产的驱动模块M57962L。该驱动模块为混合集成电路，将IGBT的驱动和过流保护集于一体。图3中M57962L的13脚接DSP的PWMl(其他3片M57962L分别接PWM2、PWM3、PWM4)，14脚接地，1、6脚分别接电源。另外，M57962L采用的是低电压驱动，即只有13脚输入负电位时才能驱动M57962L。这样做的优点在于防止出现干扰，当出现干扰波形时，采用低电平驱动的M57962L不能驱动。另外在关断过程中，如果电压变化过大，则会产生擎住现象，使IGBT失控，引起上下桥臂直通，因此，采用RC缓冲电路来抑制过电压和电压变化率du/dt。 系统的数字实现 系统逆变器部分采用SPWM规则采样算法，其基本思想是使输出的脉冲按正弦规律变化，这样降低输出电压中的谐波分量，使输出电压更接近于正弦波。为了便于数字实现，用规则采样法生成SPWM脉冲序列，其原理如图4所示。因为三角载波频率比正弦波频率高很多，所以将三角载波uc的一个周期内的正弦调制波ut看作不变，这样在一个三角波周期，只需在B点取样一次，便可使生成的SPWM脉冲中点与对应三角波的中点(A点)重合，从而使SPWM脉冲的计算大为简化。设uc的幅值为1，正弦调制信号ut=Msinωtt，其中O≤M1(M为调制度)。由于△ABC～△EDA，故有： 正弦函数值采用查表的方式求出。另外在每段的同步调制中取N为3的倍数。 软件程序设计是逆变控制电路设计的核心。本系统软件主要包括：主程序、中断服务程序、PI调节程序、显示程序等。图5为主程序流程，图6为中断程序流程。在主程序中，完成DSP系统及外部设备初始化，I/O控制信号管理及正弦波信号产生和处理等。在中断程序中，完成电流、电压检测，PI调节计算，计算恒压频比下的调制度M和频率值，正弦波处理并给比较器CMPRl赋值等。 图7为同一桥臂上下管PWMl与PWM2波形。由图可见，上下桥臂设置了2μs的死区时间，以保证逆变电路的安全工作。图8为DSP发出的PWM波形，(1)、(2)为两个互补的等幅不等宽的脉冲信号。其中高电平为+5V，低电位为OV，脉冲宽度是按照正弦规律变化的。由于M57962L芯片采用的是负电位驱动，所以要采用电平转换电路。图9为最终驱动IGBT的SPWM波形(转换后的SPWM波形)，从图中可以看出，波形的宽度是按照正弦规律变化的。图10(a)、(b)分别为f=200Hz和f=300Hz时的输出电压波形。实验结果表明，输出电压波形质量好，总谐波畸变率低。 结论 基于DSP的数字控制技术能大大改善产品的一致性，克服模拟控制带来的产品性能分散性，同时增强了控制的柔性，简化了系统结构，提高了整个系统的稳定性和可靠性，有较好的应用前景。本设计应用TMS320LF2407A芯片采用SPWM控制技术，完成了将380V、50Hz的交流电源变换成输出220V、频率为100～400Hz可调的交流电源。通过对样机的实际测量表明，输出波形质量良好，克服了过去这类电源采用体积大的中频变压器时出现的噪声大、响应慢、波形畸变严重等缺点，是有较好应用前景的产品。

               本风力发电机设计系统采用 DSP 的芯片是 TMS320LF2407A 并利用 SVPWM （ 空间矢量脉宽调制 ） 控制技术的全数字信号变频器原理的设计来实现 双馈型变速恒频风力发电机系统驱动拓扑结构研发 并最终实现环保低碳备用电源，可以长期开发利用。有很大能源经济价值。是发达国家都在争相发展的新能源环保项目。 利用风力发电的原理就是把大自然风能转换成为机械功的动力机械装置，也又称大风车。是利用大自然风力带动风车叶片不停的旋转，然后再透过增速机将旋转的速度提升，来促使内置发电机发电。目前的一些风车关键技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始满足发电要求。目前风力发电正在欧美发达国家上是非常流行的一种新能源战略政策，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生任何辐射或空气、或者水质污染。目前，在我国有关的政策引导下也很重视在开发西部地区大力提倡 风力发电机装机试点 。小型风力发电系统效率也是非常高高效节能，主要是由一个发电机头机械装置外，控制系统电路方面采用 TMS320LF2407A DSP 组成系统。当中包含：风力发电机 + 充电器 + 数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。 　　 TMS320LF2407A 是美国德州仪器（ TI） 公司专为数字电机控制而设计的 DSP 控制器。它具有高性能的 C2XLP 内核，采用改进的哈佛结构，四级流水线操作，它不仅具备强大高速的运算能力，而且内部集成了丰富的电机控制外围I/O部件，如事件管理器 EVA 、 EVB 各包括 3 个独立的双向定时器 ; 支持产生可编程的死区控制 PWM 输出 ;4 个捕获口中的 2 个可直接连接来自光电编码器的正交编码脉冲 ;2 个独立的 10 位 8 路 A/D 转换器可同时并行完成两个模拟输入的转换 ; 片内的串行通信接口可用于与上位机通信 ; 片内串行外设口用于与外设之间通信 ;40 个可独立编程的复用 I/O 口可以选配成键盘输入和示波器显示的输入 / 输出口以及看门狗电路、SPI、SCI和CAN控制器等丰富外围扩展。这些都是为实现 双馈型变速恒频风力发电机系统驱动拓扑结构 调速控制为工程师提供了极大硬件、软件设计的要求。                               更多详情请点击附件链接下载   ... ...