基于DSP技术的三相逆变电源之SPWM原理简析

DSP技术芯片的出现极大的改善了开关电源的研发和设计思路，也为工程师的研发工作提供了诸多便利。在今明两天的方案分享中，我们将会为大家分享一种基于DSP技术的三相逆变电源设计方案。在今天的分享中，我们首先就这一三相逆变电源的SPWM调制原理进行简要介绍和分析。

在本方案所设计的这一基于DSP技术而研制的逆变器电路中，核心部分主要采用的是美国TI公司生产的TMS320LF2407A DSP芯片。在确定了DSP技术芯片的核心控制理念后，接下来我们就能够根据数字控制思想构建通用的变换器系统平台。此变换器平台硬件上具有通用性，不仅适用于500W的三相逆变电源，对于输出性能有不同要求的逆变器，只需对软件进行修改即可满足要求。本方案的设计指标为输入电压220V(AC)，输出电压110V(AC)，频率50Hz，输出功率500W，输出电流4.5A，输出总谐波因数(THD)2%。系统原理图如下图图1所示。

图1 基于DSP技术的三相逆变电源系统原理图

系统构成

从图1所给出的系统原理图可知，整个基于DSP技术芯片所研发的三相逆变电源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技术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。

在整个三相逆变电源系统中，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。而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，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ACDC的转换，逆变桥部分完成DC-AC的转换。

SPWM调制原理

在了解了这一基于DSP技术所设计的三相逆变电源系统构成情况后，接下来我们再来看一下SPWM调制原理。在采样控制理论中有一个重要结论，相信很多工程师都非常清楚，那就是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。

在本方案中，我们所设计的这一三相逆变电源，其主系统产生脉宽调制波的基本方法也正是基于上文中所提及的采样控制理论而设计的。我们选择把一个正弦波的每半个周期分成等分，然后把每等分的正弦曲线与横轴所包围的面积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)。在这一三相逆变电源系统中，产生SPWM波的步骤如下：

首先，采用载波频率为20kHz，即载波周期为50s。然后利用通用定时器T1的周期中断T1PINT作为载波周期中断，此时T1的计时器周期相当于载波周期。此时T1的计数模式应设为连续增减模式，而CPU的时钟频率则应当设定为40MHz，同时设置T1CON中的定标系数为4，即T1的输出频率为10MHz，计数周期为100ns。

在完成了T1技术模式和CPU时钟频率的设计后，接下来我们就需要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。在完成了上述操作后，接下来我们需要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。

在这一基于DSP技术的三相逆变电源设计过程中，为了实现实时控制，我们特别采用了查表法来进行占空比的计算，即事先离线计算出每个开关角对应的占空比。这一步骤可由高级语言(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。实验中如要调整载波频率，即保持T1PR得值不变，只需相应地改变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。