正弦波三相变频电源的设计

三相正弦波变频电源的设计

摘 要

本设计分为：三相SPWM信号的生成、逆变回路及其驱动和输出的测量显示。选择电机控制专用DSP TMS320LF2407生成SPWM信号。逆变电路主回路采用智能功率模块(IPM)。输出测量采用电压电流传感器来实现电隔离。为加快速度，采用独立于DSP的PIC单片机实现输出的测量。

关键词： 变频；SPWM；DSP；PIC单片机

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Abstract

The design is about tri-phase sinusoidal frequency conversion power. Three parts are included: generating tri-phase SPWM signal, inverter circuit and its drive circuit, output measuring and display. DSP TMS320F2407 is used as the controller in the system. IPM is used in the Inverter main circuit. Voltage and current sensor is used in the measuring of output, it can insulate the control circuit conveniently.PIC microcontroller is used independently to measure and display output.

Key words: frequency conversion , SPWM , DSP , PIC microcontroller

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一． 方案论证与比较

1．1变频电源逆变方案

根据题目的要求将交流电经整流后，经过逆变从而产生三相正弦波电源。而实现三相正弦波变频电源的关键在于逆变过程。对于小功率逆变电路一般都采用PWM技术，为了实现正弦波变频电源，本设计采用了SPWM技术。实现SPWM有以下几种方案。

方案一： 采用规则采样法。规则采样法一般采用三角波作为载波。其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM法。

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方案二： 采用自然采样法。以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。其优点是所得SPWM波形最接近正弦波。

方案三： 采用自然采样法，但不采用计算的方法求得载波与调制波的自然交点时刻，而是由软件形成一个正弦表，通过软件查表的方法来比较载波与调制波的大小，进而控制脉宽来生成SPWM波。这种方法同样具有自然采样法生成SPWM波形接近正弦波的优点，同时不需要大量的计算。

方案的选择：方案一是一个较通用的方案，方案二由于计算繁琐，不适用于实时控制。而方案三既具有接近正弦波的优点又避免了大量的运算。同时对于现在的控制器来说，软件生成一个较大的正弦表是可以做到的。故本设计采用方案三。

1.2 逆变器件方案

方案一：利用分立元件。通常采用6个IGBT作为开关器件，组成一个三相桥式逆变电路（如图1-1），然后再做一套IGBT的驱动电路，即可实现一个逆变电路。

Q1Q3Q5VdcABCQ2Q4Q6VAVBVC

图1-1 三相桥式逆变电路

方案二：利用集成的智能功率模块（IPM），它内部不仅仅包括桥式逆变电路和驱动电路，外围电路简单，还具有多种保护的功能。

方案的选择：两种方法都可以实现逆变电路的功能。但方案一所需外围电路复杂而采用方案二电路简单，故采用方案二。避免了由于分立元件过多而引起过多的问题。增加了电路的可靠性和安全性。

1.3 测量系统方案选择

方案一：采用电流,电压传感器将线电压线电流转化成较小的电量，之后使用集成真有效值/直流转换器和乘法器测量有效值和功率，使软件设计简单，具有较高的精度。

方案二：采用传感器将线电压线电流转化成较小的电量后，由单片机PIC18F452控制内置AD对信号进行采样，存储并对存储的数据进行分析计算，进而得到有效值和功率。此方法硬件，软件上都容易实现，并同样具有较高的精度。

方案的选择：以上两个方案功能上，精度上都能满足题目要求，但方案一使

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用的器件较为昂贵，性价比不高。而方案二使用单片机系统对数据分析得到测量量，充分发挥器件的作用，具有较高的性价比，故选择方案二。

二． 方案的实现及模块电路

2.1 系统框图

总体系统框图如下图所示（图2-1）：

图2-1 系统框图

2.2变频电源方案实现 2.2.1 器件的选择

2.2.1.1 控制器的选择

由于变频电源需由控制器完成SPWM控制，需要大量的计算，普通单片机难以胜任，故我们在设计中选择DSP作为控制器。我们选择TM320LF2407A，它是电机控制专用芯片，其内置PWM发生器等资源非常适合题目需要。

2.2.1.2 逆变路电的器件选择

逆变电路核心单元主要采用三菱公司的智能功率模块（IPM）PM30CSJ060。PM30CSJ060因其饱和压降低、保护功能丰富、额定电压为600V、额定电流为15～75A，而特别适用于低频逆变系统。PM30CSJ060内部电路，如下图所示（图2-2）。

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图2-2 PM30CSJ060内部电路

PM30CSJ060内部设有门极驱动控制电路、故障检测电路和保护电路，采用带有电流传感器的IGBT芯片。内置IGBT芯片带有许多起电流传感器作用的小单元，这些小单元的信号反馈到比较器上，以检测IGBT的主电流。

2.2.2变频电源主要硬件电路设计 2.2.2.1 主电路的设计

a . 主电路的框架图（图2-3）

图2-3 主电路的框架图

b．主电路电源整流

主电路电源经过桥式全波整流后进行电容滤波，生成直流电，作为逆变电路的直流电源。为保证系统安全性，交流电源入口处串联5A保险管。下面画出了主电路主电源输入的整流部分的电路图（图2-4）。

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图2-4 整流电路

c. 电路工作电源设计

同时设计了系统工作所需要的四路直流稳压电源。下面画出了其中一路电源电路（图2-5）

图2-5 电源单元电路

2.2.2.2 信号的光耦隔离

DSP控制信号与PM30CSJ060之间通过高速光耦6N137进行隔离，隔离电路如图2-6所示。

图2-6 隔离电路

2.2.2.3 反馈电路设计

下图（图2-7）为由电压传感器输出信号反馈给DSP的反馈电路电压输出36V。电路主要由一个滞回比较器构成。当输入电压比预置电压高时输出低电平，反之输出高电平。输出的信号送给DSP处理。

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图2-7 电压传感器反馈电路

2.3 测量系统方案实现及模块电路

2.3.1 测量系统方案实现

测量系统的设计主要为：利用单片机系统，通过电流传感器，电压传感器对线电压，线电流进行转换后，经过调理电路送入A/D，A/D经数模转换后送给单片机，对数据进行处理，计算。计算后通过液晶屏显示所测量的输出量，并显示出被测信号的波形。同时实时检测电流有效值，当电流有效值大于3.6A时，立刻通过I/O口控制过流保护模块切断主回路来实现过流保护。

系统结构框图如下图所示(图2-8)：

图2-8 测量系统结构框图

2.3.2 测量系统控制器的选择

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测量系统的控制器选择单片机PIC18F452，它是八位RISC指令集单片机，本系统使用系统时钟20M。内置32k FLASH,1.5k RAM,内置10位8通道A/D。其强大的功能，和较高的速度可以满足对信号采集和数据计算处理的要求。

2.3.3 电流检测

测量系统采用电流传感器为BLF-S7系列中的BLF100-S7，它是应用霍尔效应的开环电流传感器，一般用于测量直流、交流及脉冲电流，原、副边回路之间高度电绝缘。

被采样电流经过电流传感器转换成电压信号，我们所用的A/D为单片机PIC18F452内置的十位八通道A/D，参考电压为5v。经电流传感器之后的电压如果想被A/D使用，需要加上调理电路以达到A/D的使用要求。由运放组成的调理电路如图（图2-9）：

图2-9 电流检测单元调理电路

2.3.4 电压检测

测量系统采用的电压传感器为LV28-P，它是应用霍尔原理的闭环(补偿)传感器，具有出色的精度和良好的线性度，低温漂等优点。同电流传感器相同，电压传感器也需要对其输出信号进行调理后才能输出给AD。

2.3.5 滤波及对单片机内置AD 的过压保护

由于被测信号频率为0－100Hz，故信号经调理后经过一阶阻容低通滤波后，送至A输入。因为AD输入的参考电源为0－5V为防止信号电压过大对AD造成破坏，在信号送至AD之前还要经过5.1V稳压管。滤波及对AD 的过压保护如图（图2-10）：

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图2-10 单片机内置AD 的过压保护电路

三．软件设计

3.1. DSP主程序流程

DSP产生SPWM波形主程序程序流程图如下图所示（图3-1）

图3-1 DSP控制流程图

3.2 SPWM波实际产生算法

SPWM波的产生，首先存入DSP的FLASH中512点正弦表，读取正弦表每两个点之间的时间间隔既可决定输出正弦波的频率，而正弦表两个点之间时间间隔由定时器2决定。所以输出交流电源的频率与定时器2的计数值n有如下关系：

n?1 （3-1）

f?512?25?10?9对于不同频率根据公式（3-1）计算出正弦表中每两点对应的计数值n，作为定时器2的周期值，同时将周期数进行累加，在定时器1周期中断时，将累加值取出作为递增角度偏移，并将查表所得正弦值作为比较值赋给比较寄存器。通过外部按键可改变n，即可改变输出正弦波频率，进而实现变频的功能。

3.3 测量系统软件设计

测量系统软件主程序分为键盘扫描，波形显示，数据计算，测量显示几个部分。下图为测量系统的主流程图（图3-2）：

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图3-2 测量系统的主程序流程图

四.测试仪器与测试方法

4.1 测量仪器

交流调压器：0~250V交流可调

示波器：RIGOL DS 5062CA 数字示波器 万用表：胜利VC97数字万用表 负载：电阻50W20Ω（±5%）3个

4.2 测试方法

在隔离变压器前加入自耦变压器调整输入电压，在输出端分别接入三个功率电阻（Y接）模拟负载输入。在所有电源和控制信号连接无误时，可以进行调试。

测试过程：

a. 接入IPM模块，接入自耦变压器（用于调整数与电压），主电路输出接入准备好的功率电阻（Y接）。上电测试。调整自耦变压器的输入，同时用示波器观察输出波形；

b. 断电后在输电路中接入电感和电容，进行滤波。上电测试，调整自耦变压器的输入，同时用示波器观察输出波形；

c. 输出接入负载。首先，调节自耦变压器使输入电压在198V~250V之间变化，测试输出电压。然后，使输入为220V，通过调节按键来调节频率，测试变频范围。最后，将频率定在50Hz时，测试输出波形的失真度；

d. 通过改变输出负载，测试输出电流范围；

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4.3测量数据及数据分析 4.3.1 功率输出波形

未加入滤波时输出电压波形如下图所示（图4-1）。

图4-1 未滤波时输出电压波形

加入滤波后的输出电压波形如下图所示（图4-2），从图中可以看到波形无明显失真。

图4-2 加如滤波后输出电压波形

4.3.2 输入电压198V~250V，测试输出电压

测量工具：胜利VC97数字万用表 次数 1 2 3 4 5 输入 192V 35.13 35.36 35.17 35.33 35.24 电压 220V 36.05 36.15 36.09 36.25 36.13

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250V 36.17 36.12 36.33 36.37 32.22 4.3.3 220V、50Hz时输出波形（图4-3）

图4-3输入电压220V频率为50Hz时输出波形

4.3.4 电流测量

测量工具：胜利VC97数字万用表

通过改变负载电阻，电流输出0~5.2A

4.3.5测量系统测试结果部分

对10~100Hz36V三相变频电源输出进行测试 频率：50Hz，实际电压有效值：36.02V 电流 0.5A 1A 2A 3A 实测电压 36.17V 36.14V 36.17V 35.86V 电流测试 实际电流 0.5A 1A 2A 3A 实测电流 0.52A 1.02A 2.03A 2.94A 频率测试 实际U：36V, I:1A 实际频率 10.01Hz 49.98Hz 60.01Hz 100.02Hz 实测频率 10.09Hz 50.12Hz 60.05Hz 99.6Hz 4.4测量结果

变频范围：6Hz~120Hz 频率控制精度：1Hz 输入电压：190~250V 输入电压绝对值小于：5%

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电流范围：0~5A

输出电压幅值可调,可以连续稳定在36V工作（绝对误差小于4%） 相电压的输出无明显失真

液晶可以进行电压、电流、频率、功率的显示，并且测量误差小于5%

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