本文用TMS320LF2407A DSP芯片设计了一种采用SPWM调制策略的IGBT三相全桥逆变电路。对采用数字信号处理(DSP)实现的数字控制技术进行了深入研究，将SPWM调制策略与数字信号处理器(DSP)相结合，实现了输出频率可调（0~50Hz），并通过仿真和试验验证了理论分析。
电力系统变电站和调度所的继电保护装置和综合自动化管理设备有些采用的是单相或者三相交流供电的。其中有一部分是不能长时间停电的。普通UPS设备因受内置蓄电池的限制，供电时间比较有限，而直流操作电源所带的蓄电池容量一般都比较大，所以需要逆变装置把直流电变成交流电。
本文设计的逆变器电路中，采用德州仪器的TMS320LF2407A DSP芯片作为控制核心，根据数字控制思想构建了通用的变换器系统平台。此变换器平台在硬件上具有通用性，不仅适用于500W的三相逆变电源，对于输出性能（如输出电压、频率、THD等技术指标）有不同要求的逆变器，只需对软件进行修改即可。设计指标：输入电压220VAC，输出电压110VAC，频率50HZ，输出功率500W，输出电流4.5A，输出总谐波因数（THD）2%。
1．系统构成
图1 系统原理图
从上图可知，整个系统由输入整流滤波、全桥逆变、输出滤波、驱动隔离、数字控制器、辅助电源等部分构成。其中基于DSP的数字控制器主要为功率电路中给开关管提供门极驱动数字信号。特定的驱动信号是根据控制指令的比较综合，通过某种调节规律及调节方式获得的。在数字控制器DSP中还包括时序控制等。驱动隔离部分主要是给功率主电路的开关管提供驱动模拟信号，也即通过电位隔离和功率放大，在数字信号与模拟信号之间架起一座桥梁。辅助电源主要是向控制、驱动电路提供驱动电源和控制电源。输入整流部分完成AC-DC的转换，逆变桥部分完成DC-AC的转换。
2. SPWM调制原理
在采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其基本效果相同。这个结论是PWM控制的重要理论基础。产生脉宽调制波的一个基本方法是把一个正弦波的每半个周期分成N等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，则各脉冲的宽度将按正弦规律变化。通常选正弦波为调制波，以高频率的等腰三角形作为载波，由之相交构成正弦波脉冲调制（SPWM）。
产生SPWM波的步骤如下：
1）采用载波频率为20KHz，即载波周期为50μs。利用通用定时器T1的周期中断T1PINT作为载波周期中断，即T1的计时器周期相当于载波周期。T1 的计数模式应设为连续增减模式；CPU的时钟频率为40MHz，设置T1CON中的定标系数为4，即T1的输出频率为10MHz，计数周期为100ns。
2）根据占空比表达式计算出每个矩形脉冲的占空比，用占空比乘以周期寄存器的值，从而计算出比较寄存器的值，并使脉冲个数指针加1；
3）从周期中断子程序中将计算所得的比较寄存器的值送到比较寄存器中，并置相应的标志位；主程序根据标志位来判断是否已完成一个周期的操作，如果标志位已置1，则清标志位，调计算占空比子程序，然后进入等待状态；如果标志位未置1，则直接进入等待状态。
4）这里为了实现实时控制，采用了查表法来进行开关角（占空比）的计算，也即事先离线计算出每个开关角对应的占空比，这一步可由高级语言（如C或C++等）来完成，其等分数可由一变量DIVIDE来控制，列成表格（400个点），然后将其存放在数据区，等候随时调用进行比较寄存器值的计算。
5）在实验中如要调整载波频率，即保持T1PR得值不变，相应地改变T1的定标系数就可以改变载波频率，因此保证了算法的适应性。
3 逆变主电路硬件设计
图2 逆变主电路原理图
本文设计目标是一台500W的三相逆变电源，主要性能指标如下：
输入电压220VAC，输出电压110VAC，频率50HZ，输出功率500W，输出电流4.5A，输出总谐波因数（THD）2%。
经过分析计算和试验，开关管采用富士公司的单管IGBT，型号1MBH50D060；续流二极管采用IR公司的超快恢复二极管，型号HFA16TB120。驱动电路我们采用的是富士公司的EXB841集成驱动器。
TMS320LF2407A采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；40 MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25ns，从而提高了控制器的实时控制能力。
4 三相逆变电源软件设计
TMS320LF2407A的开发工具支持C语言、汇编及两者混编的调用方式。C语言的优点是比较直观，能够给编程者带来方便。但是其编译后生成的目标代码中含有很多不必要的代码，使得程序实际执行时间变长；而汇编语言虽然对编程者而言有些难于上手，但是其执行效率很高，有利用于缩短程序运行时间，提高系统的实时性。在此基础上结合DSP内部的PWM发生器编写了SPWM调制策略汇编程序。程序流程图如图所示
图3 软件设计程序流程图
5 仿真和实验
我们采用Matlab 6.5中的Simulink和PSB（Power System Block ）功能模块对整个系统在不同工作方式和负载条件下进行了仿真研究，通过对控制系统的仿真，确定了系统的控制框图，滤波器和调节器参数，最后对仿真确定的系统通过实验进行了验证。仿真和实验结果与理论分析基本吻合，从而验证了理论分析的正确性。
模拟仿真电路图如下，Vin为直流输入，S1、S2、S3、S4分别为4个逆变开关，PID controller1和PID controller2分别为电压反馈控制子模块，内部为常规PID控制器。
图4 系统模拟仿真电路图
图5-1 S2开关管的电压电流及驱动波形
图5-2 输出电压和滤波电感电流波形
6 结论
通过运用仿真软件MATLAB6.5中的Simulink和PSB( Power System Block)功能模块进行仿真实验，在实验的基础上设计了一台输出功率为500W的基于DSP实现的逆变电源。实验结果表明在开关管触发信号来临时刻，其两端电压在谐振电路的作用下，己处于零电压状态。即实现了零电压软开通。
因此，开关管开通时刻电压尖峰明显减小，从而改善了开关导通状况，降低了开关损耗，达到软开关的目的。同时总谐波因数(THD)也得到了明显降低，改善了输出波形质量。本设计可应用于非线性用电设备附近，作为对电网输入电压要求较高的一类负载的电源，如检修、测试用电源中。
（摘编自《电气技术》，原文标题为“三相频率可调的逆变电源设计”，作者为杨林、王宇炎。）
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