基于TMS320F2812的新型数字变频器设计

韩素贤

摘要：为了提高变频器的静、动态特性以及性价比，提出了一种基于TMS320F2812的新型数字变频器设计方案，以空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术作为理论基础，本论文主要是硬件的实现。通过实验验证了该新型变频器结构简单，经济实用，并具有较好的静、动态性能。对于研究和开发太阳能热气流发电具有重要意义。

关键词：TMS320F2812 整流电路 变频器 逆变电路

中图分类号：TN773 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）08-0174-02

随着微处理器和全控型功率器件的发展，PWM技术已广泛应用于变频器、有源电力滤波器等领域。PWM变频器常见的调制方法有空间矢量脉宽调制SVPWM和正弦脉宽调制SPWM。其中，SVPWM技术具有直流侧的电压利用率高、输出电压谐波小以及便于数字化实现等诸多优点。TMS320F2812是TI公司生产的电机控制专用芯片，它的事件管理器（Event Manager，简称EV）中带有硬件SVPWM波形生成电路，所以用芯片TMS320F2812生成SVPWM波形具有硬件结构简单，控制精度较高，实时性较强等优点[1]。本设计结合乌海金沙湾太阳能热气流发电工程，主要致力于全数字变频器的设计及研究。

1 变频器结构

基于TMS320F2812的新型数字变频器可分为主电路、控制电路和控制电源等部分。主电路主要由整流电路、滤波电路、缓冲电路及逆变电路组成，用于实现变压和变频功能，从而给异步电机提供频率和电压均可调的交流电源；控制电路以TMS320F2812为核心，包括交流侧电流检测模块、交直流侧电压检测模块、驱动电路等，用于给主电路提供各种逻辑控制信号，同时DSP计算是否有过流、过压或欠压等故障产生，以便产生故障信号，从而封锁PWM输出信号；辅助电源的功能是给控制电路提供各种所需的电压等级的直流电源。

2 变频器硬件设计

2.1 主电路的设计

该变频器的主电路结构图如图1所示。

2.1.1 整流电路

实验样机为鼠笼异步电机，参数为：，，，，。

在SVPWM交流变频电路中，整流电路是给逆变电路提供直流母线电压的。整流电路将电网供给的电压为380V、频率为50Hz的交流电变成方向不变，而大小随时间变化的脉冲直流电压。

整流电路采用不可控二极管组成三相整流桥。整流二极管的参数选取如下：

流过整流二极管的峰值电流也就是异步电机最大负载时的峰值电流，是电机电流额定值的5～6倍，取，通过整流二极管的电流有效值由下式决定：

2.1.2 中间滤波电路

整流电路输出的直流电压含有脉动成分，另外由于负载变化和逆变电路产生的脉动电流也会使电流产生脉动，为了将其中的交流成分滤掉，使其成为平滑的直流电，必须在整流电路后加一个低通滤波器。本设计中采用的是电容滤波电路，在整流输出端并大电容，在直流电源和逆变电路负载之间提供无功功率缓冲。由于整流部分输出的直流电压含有比较多的偶次谐波，频率越高，电容容抗越小，其分流作用就越大，谐波被滤掉的也就越多，从而输出的电压平均值就越大。所以滤波电容值在理论上是越大越好的，由于考虑到成本和电容的体积，该实验选用两组CEB系列螺栓式日立电容（高纹波电流产品）6800MFD 400VDC串联，每组又由两个电容并联而成。每个电容并联一个型号为5W51KJ的电阻作为均压电阻。

2.1.3 逆变电路IGBT模块的选型

IGBT模块接于直流母线上，工作时一对桥臂的上桥臂的IGBT和下桥臂的IGBT轮流导通，所以即为关断时IGBT两端承受的电压。由于IGBT管关断时，线路上的分布电感产生尖峰电压，并且还要有一定的裕量，取1.8倍的安全系数，IGBT的耐压值取1200V。

依据上述求得的IGBT的的耐压值及流过的电流，该逆变电路选用的是德国西门康IGBT模块SKM 100GB124D。

2.1.4 缓冲电路

缓冲电路（又叫吸收电路）的主要功能是为了抑制IGBT等功率元件的关断浪涌电压以及续流二极管的恢复浪涌电压，减少元器件的开关损耗，从而可以有效利用IGBT的极限功率。吸收电路将开关损耗从元器件转移到缓冲器上，目的是保证功率元件的安全工作，但是总开关损耗没有减少。本设计选用的是充放电型RCD吸收电路。

2.1.5 快速短路保护电路

遇到输出线路短路的情况，一般的保护措施是关断所有的IGBT，但对于650V的直流电源，短路电流上升得特别快，关断信号还未来得及起作用，IGBT可能就已经烧坏。为了确保IGBT的安全，必须采取其他措施。本文设计的主电路中在输出端串联电感，根据电感的固有特性去抑制短路电流的上升速度，争取时间在IGBT的电流达到所能承受的最大值之前，使保护电路将IGBT完全关断。

2.2 控制电路设计

控制电路采用的是TMS320F2812芯片，用来完成SVPWM波形的生成及故障检测、串行通信等。该芯片具有外设集成度高、A/D转换速度快、控制算法实现容易等优点，被广泛地应用在异步电机的全数字控制系统中。以TMS320F2812为核心的变频器控制电路原理框图如图2所示。

控制电路工作原理：采用先进的SVPWM算法，把异步电机和逆变器作为一整体，利用TMS320F2812A的EV生成6路SVPWM信号，通过功率驱动模块IR2130D来驱动逆变器实现变频、变压控制；并且对电流、电压以及转速信号进行检测，当变频器发生故障时，能够及时做出相应反应。

3 硬件实验及结果

利用上述设计方案完成了变频器的制作。在变频器的测试过程中，程序在TMS320F2812硬件基础上，用C语言实现SVPWM的调制。使用CCS3.3软件把程序通过仿真器加载到TMS320F2812目标板上。在给定输出频率、直流母线电压后，通过示波器观测到滤波后的异步电机线电压波形如图3所示。

在基于TMS320F2812的SVPWM变频器控制下，异步电机运行性能良好、线电压波形好、谐波成分少并且直流侧电压利用率高，从而验证了该变频器设计方案的正确性，实现了对异步电机的实时数字化控制。

参考文献

[1]周有为，刘和平，杨利辉.基于TMS320F2812的SVPWM的研究[J].电气应用，2005（2）：98-98.

[2]任宝华.基于DSP的异步电机变频调速系统设计与算法研究[D].武汉理工大学，2007.

[3]任玉才.基于DSP和SVPWM变频调速系统的研制[D].大连：大连海市大学，2005.

[4]杨岳峰，张奕黄.IGBT的瞬态保护和缓冲电路[J].电机电器技术，2003（03）.