基于DSP的逆变器硬件设计

李陆伊

摘要：本文针对中小功率三相变频电源，提出基于DSP28335控制器对三相电压型桥式逆变电路做系统设计工作。从逆变器的工作原理、逆变系统硬件设计以及逆变系统软件设计三个方面在文中进行论述。硬件设计包括以DSP（TMS320F28335）为核心控制器的最小系统，采用PWM控制技术，设计出控制电路。以主电路、驱动电路、保护电路、滤波电路、采样电路和其他辅助电路的硬件设计为基础组成一套完整的逆变输出系统。并以交流异步电机作为负载，实现其恒压频比调速的控制目标。

关键词：逆变器，异步电机，三相桥式逆变，恒压频比控制，DSP28335

1 研究背景和意义

随着电力电子技术及电力半导体的飞速发展，发达国家大量推广采用了逆变技术的电源，由此推动了各种工业技术的发展，也促进了逆变式电源的发展。电力电子功率开关器件的高压大容量化、集成化、全控化、高频化及多功能化方向的发展，相信不久的将来逆变电源将会进入一个新的发展时代[3]。现代逆变技术是研究逆变电路理论和应用的一项科学技术，它建立在工业电子技术、半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子技术、半导体交流技术、脉宽调制（PWM）技术等学科基础之上的一项实用技术。它的研究对逆变器性能的提高与进一步推广应用，以及对电力电子技术的发展，都有十分重要的意义，是当前逆变器的发展方向之一。

逆变技术是电力能源利用、提高供电质量等领域的重要环节，逆变器作为核心装置，实现电源交换系统中重要的能量转换，决定了系统输出的稳定性和转换效率，是当今世界在电源交换领域研究的重点。

2 三相桥式逆变电路原理

三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。但在三相逆变电路中，应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路，采用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图2-1所示，可以看成是由三个半桥逆变电路组成。

电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了方便分析，画作串联的两个电容器并标出假想中点N'。和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180°导电方式，即每个桥臂的导电角度为180o，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度以此相差120o。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。

3.PWM控制的基本原理

在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，僅在高频段略有差异。例如图3-1所示的三个窄脉冲形状不同，其中图3-1a为矩形脉冲，图3-1b为三角形脉冲，图3-1c为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为图3-1d的单位脉冲函数时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。

上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。

3 异步电机变压变频调速的基本原理

5仿真原理图

异步电机直接转矩启动基本原理结构如下5-1图所示，由SPWM调制信号控制开关器件通断，将输入端直流电压经三相桥式逆变电路进行逆变，输出三相交流电压给异步电机供电，异步电机完成直接启动。仿真原理图如图5-1所示。

6结果分析

结果分别给出三相逆变电压、定子电流、转速和转矩的波形。可以看到，当异步电机直接接额定电压启动时，启动电流较大，最大电流峰值超过额定情况的5倍，之后逐渐衰减。由于3s之前电机空载，转速稳态时的空载同步转速为1500rpm， 电磁转矩震荡减小为0，当3s时突加额定转矩后，电流增大为额定电流值，转速降落为额定转速，在稳态时电磁转矩与负载转矩相等。

7总结

本次设计主要进行了了理论分析、主电路和控制电路的硬件设计，完成对进行了三相桥式逆变系统的整体设计工作。设计中将逆变与电机调速两者应用相结合，主要进行是三相桥式逆变电路及控制电路硬件设计，以及软件研究。熟悉了三相逆变的原理、对三相逆变器的设计方法和异步电机调速有了进一步认识。由于本人的能力和时间有限，只是完成了三相逆变器设计的构思阶段，在设计中存在不足和缺陷，首先，并没有完成硬件制作，缺乏实际经验，没有进行硬件焊接连接等工作，设计停留在文档阶段，对于其运行的实际情况无法做出判断。第二，设计选型工作中，对元器件的作用和原理有了更深的理解，一个元器件没有设置得当，会使整个系统失败。

参 考 文 献

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