毕业设计（论文）-基于TMS320F28335的单相逆变电源.docx

闽南师范大学毕业论文（设计）基于TMS320F28335的单相逆变电源Single-phaseInverterBasedonTMS320F28335姓 名： 学 号： 系 别： 物理与电子信息工程 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2013级 指导教师： 2016年 12月25日闽 南 师 范 大 学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权闽南师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名：日期： 年 月 日导师签名：日期： 年 月 日摘 要逆变器具有广泛的用途，其性能的优劣主要由其控制系统决定。本设计系统是以DSP TMS320F28335为控制核心的单相全桥式SPWM逆变电源，对其硬件电路和软件控制方法进行了分析和设计，并采用芯片AD7606进行采样。相比于传统的电压型逆变电路，采用正弦脉冲调制（SPWM）的方法就可在把直流变成交流的同时，既能调压又能调频。单相全桥电压型SPWM逆变电路相比典型电压型逆变电路，其输出没有静态误差，有良好的输出波形，输出电压的THD（电流谐波畸变率）小并且是稳定的系统，有很好的工作特性。关键词：逆变器；全桥逆变；TMS320F28335 ；AD7606；SPWM全套图纸加扣 3012250582AbstractInverter devices have a wide range of applications.The advantages and disadvantages of its performance mainly decided by the control system. This TMS320F28335 design system based on DSP as the control core of single phase full bridge SPWM inverter power supply, its hardware circuit and software control method has carried on the analysis and design, and use the chip AD7606 samples. Compared to the traditional voltage inverter circuit, adopting the method of sine pulse modulation (SPWM) can not only change DC into to AC at the same time, but also regulate voltage and modulate frequency . Compared with the typical voltage inverter circuit,the output of single phase full bridge SPWM inverter circuit do not produce static error, and it has good output waveform.The THD of output voltage is small and the system is stable.Meanwhile,the operating characteristic is excellent.Keywords：Inverter; Full bridge inverter; TMS320F28335; AD7606; SPWMII目录摘 要I1 引言11.1 选题背景及实际意义12 系统设计22.1 设计要求22.2 系统框图22.3 方案选择32.3.1 逆变电路模块32.3.2 驱动电路模块32.3.3 采样模块33 硬件电路设计43.1 全桥逆变电路43.1.1 电路原理图43.1.2 工作原理43.1.3 参数选择43.2 负偏压驱动电路83.2.1 电路原理图83.2.2 工作原理93.2.3 参数选择93.3 电压采样电路103.3.1 电路原理图103.3.2 工作原理103.3.3 参数选择114 软件设计124.1软件的开发平台和仿真软件124.2 软件实现的功能124.3 软件设计思想124.4 程序流程图134.4.1 主程序流程框图134.4.2 子程序流程框图145 硬件测试165.1测试仪器设备165.2测试方法165.2.1 硬件调试165.2.2 软件调试165.3测量结果与数据分析175.3.1 带载时不同频率下的输出波形175.3.2 PWM波形和死区195.3.3 空载时不同频率下的输出波形205.3.4 带载时工作效率226 总结23参考文献24致 谢25附 录26附录一：器件清单26附录二：原理图27附录三：PCB29附录四：实物图29附录五：程序清单30III1 引言在信息技术高速度发展的今天，要怎么样给各种各样的电力设备提供具有很高的安全性、可靠性的电力供应已经成为电气设备的领域的一个核心的重要研究课题。对于电源来说，逆变器是其重要的核心部分。1.1 选题背景及实际意义作为电力设备变换装置的核心组成部分，逆变器被广泛用各个领域。逆变器的主要组成部分是控制电路、电源和主电路三个部分。其中逆变器的控制系统在很大程度上决定了其主要性能，而逆变器的性能也决定了输出的电流、电压波形。控制电路的由多个模块组成，其主要组成部分是：运算电路（以单片机或DSP为核心）、通讯电路和各种接口电路。本设计以DSP28335作为逆变器的控制系统的运算电路的核心部分，用数字控制技术进行研究和探讨。2 系统设计2.1 设计要求（1）输入26Vdc（由直流稳压电源提供）；（2）输出电压有效值为120.2V；（3）输出频率步进可调，步距1Hz，范围为20100HZ；（4）输出正弦波电压谐波总含量THD5%（或无明显失真）；（5）效率优于80%；（6）有输出电压反馈控制，输出电压波动1.5Imax=1.52=3A （3-3）开关管额定电压：2Vm=213=26V （3-4）快速开关IRF540允许通过的最大电流为、最大电压为，可满足设计要求。IRF540内部带有反并联续流二极管，可以减少硬件设计量， 其导通电阻为，并且开关速度很快，其导压降也比较小，功耗相对来说也比较低，完全符合电路所需要求。故选用IRF540作为开关管。（4）LC滤波器的选择因为 （3-5）带入及得 （3-6）因为可得 （3-7）由于，且。取为开关管IRF540设定的开关频率的倒数，故可得 （3-8）故取电感。已知电感值，可算得磁芯的 （3-9）故选用磁芯。通过磁芯求得匝数N匝 （3-10）同时可求得股数n （3-11）故取n=3股。电路中电容的作用是和电感一起构成一个低通滤波器，因此可以根据LC滤波器的截止频率来确定电容C的值。由于单极性SPWM逆变输出电压除基波外，谐波为开关频率以上的高次谐波，所以可以取截止频率为开关频率五分之一，即 （3-12）故可求得 （3-13）在实际的电路当中，器件有着非理想特性等因素，所以器件的输出波形中往往会包含有一些低次谐波。因为电容必须能够对这些低次的谐波产生抑制作用，所以选择滤波电容时必须选取比理论值更大的数值，故取3.2 负偏压驱动电路3.2.1 电路原理图图3-2负偏压驱动电路3.2.2 工作原理如图3-2所示，二极管D1为自举二极管，电解电容E2是电源Vcc的滤波电容。HO端接G1功率管,LO接G2功率管。假设在功率管G1关闭的期间，电解电容E2已经充满足够的电压（即VE2Vcc）。当芯片的HIN是高电平的时候，芯片内部的VM1开通，而VM2则是关闭状态，E2通过VM1和R2使得G1导通，这个时候电解电容E2相当于是一个电压源。当芯片的HIN为低电平的时候，芯片内部VM1则关断，VM2开通起来，功率管G1从开通变为关断状态。然后经过一个较为短暂的死区时间（td）后，芯片的LIN变为高电平，这时，功率管G2导通，电源Vcc经二极管D1给电解电容E2充电。两片IR2110如上述驱动四个功率管，四个功率管如上述相互交替导通截止，以这样的方式往复循环。3.2.3 参数选择（1）自举电容的选择：工程估算公式为： （3-14）其中，为高端器件栅极电荷，此处取开关管IFR540的栅极电荷。将开关管IFR540的栅极电荷带入公式可得 （3-15）故取电容。（2）自举二极管的选择：自举二极管在电路中是一种很重要的自举器件，当电路中的高端器件开通时，由此产生的高压，自举二极管必须能够阻止此高压。为了能够使自举电容向电源Vcc的回馈电荷减少吗，应该选择具有反向漏电流较小的特点的快恢复二极管。UF4007所具有的最大反向恢复时间仅为几十纳秒（约为75ns），反向电压最大约为1000V，正向电流最大约为1A，在TA=25的条件下，最大反向电流为，符合电路所需要求。故选用快恢复二极管UF4007。3.3 电压采样电路3.3.1 电路原理图图3-3 电压采样电路图3-4 电流采样电路3.3.2 工作原理（1）电压采样电路原理。一般的半波整流电路中，由于受到二极管的伏安特性的限制，所以对于较为微弱的信号无法进行整流。本设计电路采用的是能够将微弱的D转换成AC的精密整流电路，当输入电压U使集成运放的净输入电压发生微小的变化，这样就能够改变D13和D14的工作状态，通过此方式来达到精密整流的目的。再利用反相求和电路即可实现全波整流。信号经过精密整流后输入到DSP将其转化为数字信号，再将转化后的采样值输入液晶屏进行显示。电路采用DL-PT202D电流型电压互感器，电阻R19起限流作用。（2）电流采样原理。由于电流信号无法直接被DSP机采样，故运用IC法获行电压法，电路传输线穿过电流互感器将电流信号转变为电压信号送入精密整流电路。后端精密整流电路及反相求和电路工作原理与电压采样模块工作原理相同。电路采用DL-CT03C1.0电流互感器，采样值送入DSP后折算成电流值再进行A/D转换，最后送入液晶屏进行显示。3.3.3 参数选择电阻的关系必须满足 （3-16）故取，则 （3-17）滑动变阻器的阻值范围为，考虑实际，电路中取其阻值为，并且可以通过改变RW1的阻值来改变放大倍数。由于DL-PT202D电流型电压互感器的额定电流为，所以 （3-18）故取。由于R20=R15/R18/RW1 （3-19）故取同理可得， （3-20）取，则。滑动变阻器的阻值范围为，考虑实际，电路中可取其阻值为，可通过改变RW2的阻值来改变放大倍数。二极管选用1N4148。R27=R24/R26/RW2 （3-21）故选用4 软件设计4.1软件的开发平台和仿真软件本设计所使用的DSP是TI公司生产的TMS320F28335 芯片，采用的开发平台和仿真软件为Code Composer Studio 6.0.1。4.2 软件实现的功能（1） 生成SPWM波形，实现输出交流电频率在10-50Hz范围内可调，步距1Hz。（2） 实现输出电压为120.2V。（3） 根据采样电压，自动调整SPWM占空比以稳定输出电压。（4） 根据采样电流，控制IR2110的SD口，实现过流保护。4.3 软件设计思想（1） 生成SPWM实现输出交流电频率可调：采用等面积法，在一个周期内，采集所需正弦波的400个采样点，设置定时器T0=T正弦波400，即可产生相应得SPWM波形，通过驱动电路驱动开关管进行逆变，输出所需频率的正弦波同时实现步进1Hz可调。（2） 输出交流电压有效值为12V的实现：通过算法D=X21+Vppsin2N400其中X为所需频率对应的预分频系数，N为采样次数。通过设置Vpp的值，固定所需的占空比D，便可实现。（3） 过流保护的实现：当采样电流大于2A时，强制IR2110的SD口置1，启动过流保护。（4） 死区时间的控制：考虑到逆变电路中开光管的开关速度为1us，为了避免上下管同时导通造成短路，设置死区控制时间大于1us以实现电路保护。（5） 动电路驱动开关管进行逆变，输出所需频率的正弦波同时实现步进1Hz可调。（6） 输出交流电压有效值为12V的实现：通过算法其中X为所需频率对应的预分频系数，N为采样次数。通过设置Vpp的值，固定所需的占空比D，便可实现。4.4 程序流程图4.4.1 主程序流程框图图4-1 主程序流程图4.4.2 子程序流程框图（1）EPWM模块初始化流程图图4-2 EPWM模块初始换流程图EPWM初始化主要有：周期寄存器设置、基本计数器工作模式设定、死区寄存器设置、中断方式设置等。（2）SPWM产生的流程图图4-3 生成SPWM的流程图（3）过流保护流程图图4-4过流保护流程图GPIO口与IR2110的SD口相接，通过置GPIO口为1即为强置IR2110的SD口为1，启动电路保护。5 硬件测试5.1测试仪器设备表5-1 设备与仪器序号名称型号数量1万用表GDM-813512示波器DS210213学生电源UTP3333TD15.2测试方法5.2.1 硬件调试（1）未上电前，对照PCB及原理图认真检查电路是否连错，保证芯片卡槽方向准确；（2）接通电源，用万用表检测芯片插槽是否正常供电后，若正常插上芯片，电源芯片是否正常发热，如有发现异常，应立即先断电，再查线路；可先用示波器产生方波接入硬件检测各输出波形是否正常。（3）插上液晶屏，看是否能正常显示初始化内容。5.2.2 软件调试（1）单独测试各个模块程序，能够单变量测量；（2）用示波器观察SPWM波形，根据波形调试程序；（3）软件调试成功后，与硬件配合，测试最终设计结果；（4）用示波器观测，并记录各波形。5.3测量结果与数据分析5.3.1 带载时不同频率下的输出波形表5-2带载时不同频率下的输出波形频率波形 30Hz50Hz 60Hz 70Hz100Hz分析：频率较小时波形较为平滑完整，频率实际值与理论值相等。当频率逐渐增大时，波形有轻微失真，频率实际值与理论值也会有偏差；整个过程纹波都比较大。5.3.2 PWM波形和死区结论：为了避免上下管同时导通造成短路，设置死区控制时间大于2us以实现电路保护。5.3.3 空载时不同频率下的输出波形表5-3空载时不同频率下的输出波形频率波形30Hz50Hz60Hz70Hz结论：频率较小时波形较为平滑完整，频率实际值与理论值相等。当频率逐渐增大时，波形有轻微失真，频率实际值与理论值也会有偏差。整个过程纹波都比较小。5.3.4 带载时工作效率表5-3不同频率带载时工作效率 频率/Hz输入电压/V输入电流/A输出电压/V输出电流/A效率2026.00.4812.1230.92890.15%3026.00.4812.1200.92990.22%4026.00.4812.0220.92288.82%5026.00.4812.0300.92489.07%6026.00.4812.0540.92689.44%7026.00.4812.0820.92889.84%8026.00.4912.1100.93088.40%9026.00.4912.1480.93288.87%10026.00.4912.1420.93188.73%结论：由表可得，在带载情况下，频率等于30HZ时，效率最大，为90.22%；在频率等于80Hz时，效率最小，为88.10%。两种情况下，电路的工作效率均优于80%，符合设计要求。6 总结本次单项逆变电源的设计，摒弃用硬件搭建实现自举，驱动，保护功能。该设计用软件调控硬件实现各个功能，极大的简化了电路。在调试过程中，遇到器件选用不合理的问题，我通过查阅资料重新选取了合适的器件，从而调试成功。在全桥式逆变电路中，初次选用LC滤波电容的参数值为，后经计算，改用 电容，以节省成本。负载两端并联二极管初次选用高速开关二极管1N4148，其最大反向电流trr=4ns，但由于其额定电流IF=100mA过小，故不能采用。经资料查找后，改用超快恢复二极管UF4007，其最大反向电流trr=75ns，且额定电流IF=0.5A，符合电路所需要求。软件编写完成后，调试过程中，由于采用开环控制，电路带载能力不够，导致电流上升时电压下降。后改用闭环控制，解决了电路带载能力不够的问题。根据对输出电压波形的比较和分析得出结论：采用闭环SPWM逆变系统输出没有稳态误差，SPWM脉宽调制技术的逆变电路具有良好的输出特性。由于考虑到逆变电路中开关管的开关速度1us，为了避免短路，在程序中设置死区时间为2us。但在调试过程中，输出的正弦波出现交越失真的现象。通过反复计算参数、更换元器件无果后，最后通过缩小设定的死区时间，消除了交越失真现象。最后制作而成的开关电源能稳定输出有效值位120.2V的交流电，频率在20100Hz可调，调整步进1Hz满足设计要求。参考文献1赵建武.单相SPWM逆变电源仿真设计J. 辽宁工程技术大学学报,2008,03:394-396.2胡学芝. 基于TMS320F 28335的单相PWM整流器研究J. 湖北理工学院学报,2016,02:1-4.3唐中燕. 基于单片机的单相SPWM变频器设计J. 电机电器技术,2004,04:35-37.4郭石垒,秦会斌. 一种新型单相全桥SPWM逆变器设计方法J. 电子器件,2016,05:1261-1264.5华成英,童诗白.模拟电子技术基础M.北京:高等教育出版社,2006.6张立广,刘正中. SPWM逆变电源LC滤波器的研究与设计J. 电子设计工程,2014,06:172-174.7蔡磊,钱照明,彭方正. Z源单相并网逆变器控制的实现J. 电力电子技术,2008,07:14-16.8王涛,褚鹏,潘君文. Z源逆变器的分析研究J. 电子世界,2013,20:42-43.9蔡昆,李耀华,胜晓松,谢孟,王平. 高性能单相电压源逆变器的输出控制J. 电工技术学报,2005,01:104-107.10陶海军,张一鸣,曾志辉. 基于AD7606的多通道数据采集系统设计J. 工矿自动化,2013,12:110-113.11伍家驹,林金城,王文婷,杉本英彦. 单相全桥SPWM逆变器的仿真研究J. 系统仿真学报,2008,21:6002-6005.12闫士杰,纪茂新,黄丽萍,杨惠惠. 带多频段采样观测器的单相逆变器控制J. 中国电机工程学报,2013,12:81-89+189.13周俊杰,钱晓耀,陈上挺. 一种基于PIC系列单片机的SPWM逆变电源J. 机电工程,2008,04:99-101+107.14董金发,王三武. 基于DSP正弦脉宽调制的单相逆变电源研究J. 通信电源技术,2006,04:33-35.15马学军. 单相电压型PWM逆变器的数学模型与数字仿真J. 黄石高等专科学校学报,2004,02:1-4.16李帆,薛士龙,耿攀,蒋晨. 基于TMS320F28335的单极性SPWM的实现J. 通信电源技术,2014,02:1-3+15.致 谢经过一个学期的时间，在老师和同学的帮助下终于完成了毕业设计。在此，衷心感谢导师刘金海老师的悉心教导！正因为有你的指导和培养，我才能顺利的完成毕业设计的制作及毕业论文的写作。感谢那些在我论文写作过程中为我提供帮助的老师和同学！本文也参考了一些学者的文献，感谢这篇论文所涉及到的各位学者！感谢同学和朋友们对我的支持！最后，感谢各位老师在百忙之中审阅我的论文！附 录附录一：器件清单名称型号及规格数量/个电阻72433051K63K3210K1115K120K1电容104310uF/50V447uF/100V4100uF/25V2470uF/35V1变阻器200150K2二极管41486UF40074开关管IRF5404芯片IR21102电感2mH1电压互感器DL-PT2021D1电流互感器DL-CT03C1.01附录二：原理图附录三：PCB附录四：实物图附录五：程序清单/ This program requires the DSP2833x header files./ Other then boot mode configuration, no other hardware configuration/ is required./ 根据在RAM中调试的需要，这个项目配置成boot to SARAM.2833x引导模式/ 表如下显示. 常用的还有boot to Flash模式，当程序在RAM调试完善后就/ 可以将代码烧进Flash中并使用boot to Flash引导模式./ $Boot_Table:/ GPIO87 GPIO86 GPIO85 GPIO84/ XA15 XA14 XA13 XA12/ PU PU PU PU/ =/ 1 1 1 1 Jump to Flash/ 1 1 1 0 SCI-A boot/ 1 1 0 1 SPI-A boot/ 1 1 0 0 I2C-A boot/ 1 0 1 1 eCAN-A boot/ 1 0 1 0 McBSP-A boot/ 1 0 0 1 Jump to XINTF x16/ 1 0 0 0 Jump to XINTF x32/ 0 1 1 1 Jump to OTP/ 0 1 1 0 Parallel GPIO I/O boot/ 0 1 0 1 Parallel XINTF boot/ 0 1 0 0 Jump to SARAM 0.8)VPP=0.8; if(E_key2)VPP-=0.005;if(VPP=100) period=100; period2=2500/period; ConfigCpuTimer(&CpuTimer1, 150, period2); CpuTimer1Regs.TCR.bit.TSS = 0; if(E_key4) /LED1_STATUS=0; period-=1; if(period=10) AD_count=0; U_sum = U_i/10; I_sum = I_in/10; U_i=0; U_av=0.1792*U_sum+322.48; / U_av=0.2025*U_sum+4.5013; if(I_sum=3300) I_av=0.0249*I_sum-1.4973; else if(3300I_sum=6500) I_av=0.0308*I_sum-76.934; I_in=0; if(1200-10U_av) VPP+=0.001; if(VPP0.8) VPP=0.8; if(1200+10U_av) VPP-=0.001; if(VPP=100) LCD_change=0; LCD_PutVariable(1,3,U_av);/ LCD_PutVariable(1,4,I_sum); LCD_PutVariable(2,3,period*100); LCD_PutVariable(3,3,I_av); void work1 (void)void work2 (void)void work3 (void)/频率测量void System_Init(void) InitSysCtrl();/ 初始化系统控制: 设置PLL, WatchDog, 使能外设时钟 EALLOW; SysCtrlRegs.HISPCP.all = ADC_MODCLK;/HSPCLK = SYSCLKOUT/(2*ADC_MODCLK) = 25MHZ EDIS; DINT;/ 禁止CPU全局中断 InitPieCtrl(); / 初始化PIE IER = 0x0000; / 禁止CPU中断和清除所有CPU中断标志 IFR = 0x0000; InitPieVectTable();/初始化PIE中断向量表 /* 烧写FLASH */ MemCopy(&RamfuncsLoadStart, &RamfuncsLoadEnd, &RamfuncsRunStart); InitFlash(); Init_LEDGpio();/初始化LED I/O口 Init_KeyGpio();/初始化按键