基于DSP的特定消谐变频器的设计方法研究

孙澄宇，邹 刚

(1.吉林化工学院教务处，吉林吉林132022;2.国家电网公司吉林供电公司发展策划部，吉林吉林132011)

在工业调速领域中，与传统的机械调速相比，通用变频器调速以其智能化、数字化、网络化等诸多优点越来越受到人们的青睐.变频器的关键技术是将直流电变为交流电的逆变技术.与其他消谐技术相比，特定消谐(Selective Harmonic Elimination，简称SHE)技术具有消除谐波次数多、残余的谐波分量幅值小、输出波形质量好、功率开关器件开关频率低、损耗小、效率高以及能有效降低因低次谐波而引起谐振的可能性等优点［1-4］，广泛用于变频调速、光伏逆变和有源滤波等装置.

本文设计了一种基于TMS320F2812的特定消谐PWM脉冲及控制电路的变频器［5-6］，利用DSP内部的事件管理器实现双极性特定消谐脉冲的发生、变频及死区的生成.简化了控制电路及外围器件的结构，提高了变频器的可靠性和实时性.

1 SHE技术

消除特定谐波法是1973年F.G.Turnbull提出的［7］.SHE技术是直接利用输出电压的数学模型来求解开关角.通过对电压波形进行傅利叶级数展开，令基波幅值为一给定值，再令某些特定次谐波幅值为零，从而得到一个反映脉冲相位角度关系的非线性方程组，求解该非线性方程组，并按求得的脉冲相位角度加以控制，即可消除特定的低次谐波［8-9］.图1为单相SHEPWM输出的双极性电压波形，对其进行傅利叶分析.建立并求解方程组，得到一组在［0，π/2］区间内的脉冲开关角，再由输出波形的奇谐对称性，可以求得整个周期内的开关角位置.

图1 双极性SHEPWM输出电压波形

以15开关角为例，求解方程组，得表1所示角度:

表1 特定消谐方程的解(N=15，q=1，单位:度)

2 基本电路结构

特定消谐变频器的基本结构如图2所示.

图2 特定消谐变频器基本结构图

主电路采用电压型逆变拓扑结构，如图3所示.IGBT开关管选用IKW50N60T.驱动电路采用IR2233增强控制信号的驱动能力.同时IR2233具有过压保护、过流保护、欠压保护功能.为实现DSP与驱动电路之间的电平转换和提高抗干扰能力，在控制电路和驱动电路间采用6N137快速光耦进行隔离.

图3 主电路拓扑图

3 DSP控制电路设计

3.1 DSP控制电路

DSP控制电路由主控电路和辅助电路组成.主控电路以TI公司的TMS320F2812为核心，实现特定消谐PWM脉冲信号发生、变频控制和保护控制功能.为提高主控电路响应速度，增强电路扩展性和通用性，同时针对不同应用环境提供不同开关角度，设计辅助控制电路.由于CPLD具有集成度高、编程灵活等特点，电路设计可根据不同需求通过软件编程直接实现相应硬件逻辑，从而降低了DSP控制外围电路响应时间.因此辅助电路的控制部分采用XILINX公司的XC95144系列CPLD作为核心控制器件，实现键盘操作、温度采集、时钟电路、数据显示及开关角数据存储等功能，结构如图4所示.

图4 DSP控制电路结构图

SHE-PWM脉冲信号是由DSP内部的事件管理器来实现［10］.为了进行数控，必须对所求得的开关角进行数字化处理［11］.首先求出 α1-αn中相邻最小差δmin，利用式(1)得到每个αi所包含的δmin个数 ni

将ni以数组的形式存储到DSP中依此生成SHE-PWM脉冲.通过改变周期寄存器值实现变频功能.周期寄存器的值根据式(2)求得，

其中fclk为系统时钟，f为逆变频率，T为周期寄存器的值.当启动变频器工作且无故障信号时，DSP启动事件管理器工作输出PWM脉冲，为防止工作在双极性方式时同一桥臂上下开关器件直通而造成短路情况的发生，必须通过设置死区寄存器在输出脉冲中人为加入死区时间，死区时间的长短主要由功率开关器件的关断时间决定.在一个逆变周期内，如果要改变输出脉冲的频率，只有等到当前逆变周期结束下一个逆变周期开始时频率才发生改变，这样就保证了输出信号的完整性.由于TMS320F2812主频可达到150 MHz，因此逆变器可以在很大的频带范围内实现变频.

3.2 故障检测

由于TMS320F2812自身集成12位A/D模块，因此可以直接采样来自电流传感器、电压传感器和逆变器的信号，无需外加模数转换电路，通过对采样信号进行判断，如果超过正常工作范围，使能控制电路中的故障检测信号对主电路进行保护，以免烧损功率器件.

3.3 误差分析

由于特定消谐开关角数据及变频数据的求得都是经过数字化处理的，因此必然存在误差.表2是DSP系统时钟为10 MHz、100 MHz时变频器输出频率对比分析.由表2的对比分析可以看出，当系统时钟频率较高时，其误差变化较小，能够满足以1 Hz为步进单位的变频要求.因此为了获得较好的变频频率应选用较高的系统时钟.

fclR 80.17 90.42 99.69 100 MHz 10.00 20.00 30.00 40.00 50.01 60.00 69.10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10 MHz 9.99 19.99 30.02 40.08 49.85 59.82 70.05 f 99 80.00 90.00 99.95

4 实验结果

为了验证SHE-PWM技术理论所得结果消除谐波的效果及本设计的可行性，根据上述原理设计变频器.控制电路采用 TI公司生产的TMS320F2812为核心控制器件，编程采用 C语言.图5(a)、图6(a)分别示出15个开关角50 Hz和40 Hz变频器输出电压波形.使用FLUKE43B电能质量分析仪对该波形进行频谱分析，得到图5(b)和6(b)所示的结果.

图5 15开关角50 Hz实测变频器输出电压波形及频谱

图6 15开关角40 Hz实测变频器输出电压波形及频谱

由实验结果可见，35次以下谐波基本全被消除掉.

5 结 论

通过实验分析表明，根据SHE原理求得的开关角而设计的基于TMS320F2812特定消谐式变频器具有电路结构简单，自动生成死区，精度高，可靠性好，开关频率低，损耗小，应用范围广的特点.可被直接用于变频调速、有源滤波和光伏逆变等领域.同时逆变器输出可有效消除特定的低次谐波，且谐波分布向高次谐波转移.由于高次谐波的感抗比较大，这样就很大程度上降低了谐波的影响.能有效消除或减少逆变器输出中的谐波含量.

［1］李建国，刘文华.基于特定消谐PWM电流型逆变器的脉冲发生器［J］.电力电子技术，2005，39(2):18-20.

［2］孙柯，罗利文，吴晓毅.利用特定消谐技术进行PWM逆变器的设计［J］.电工技术，2007(6):60-61.

［3］佟为明，王宇虹，等.PWM逆变器特定消谐式谐波抑制技术的研究［J］.高技术通讯，2001，11(9):68-71.

［4］刘磊，翟庆志.PWM型变频控制的谐波抑制综合方法［J］.电气应用，2005，24(1):78-81.

［5］陈远华，谢小荣.基于DSP实现的特定次谐波PWM脉冲发生器［J］.清华大学学报，2003，43(3):349-352.

［6］张文义，杨乐民，佟为明，等.特定消谐式变频器的研究［J］.电力电子技术，2002，36(4):53-55.

［7］Patel H，Hoft R.Generalized Techniques of Harmonic Elimination and Voltage Control Iverters:Thyristor Inverters:Part Harmonic Elimination［J］.IEEE.Trans Industry.Applications，1973，9(3):310-317.

［8］佟为明，陈向阳，胡永恒，等.变频电源特定消谐技术中非线性方程组解法的研究［J］.中国电机工程学报，1998，18(5):357-360.

［9］王建元，徐超.特定消谐技术中非线性方程组数值等效及求解方法的改进［J］.电气传动，2007，37(11):34-38.

［10］苏奎峰，吕强，耿庆锋，等.TMS320F2812原理与开发［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［11］刘风君.正弦波逆变器［M］.北京:科学出版社，2002.