PWM控制电路的基本构成及工作原理

图 1 系统总体框图
（1）整流滤波模块：对电网输入的交流电进行整流滤波，为变换器提供波纹较小的直流电压。

（2）三相桥式逆变器模块：把直流电压变换成交流电。

其中功率级采用智能型
IPM 功率模块，具有电路简单、可
靠性高等特点。

（3）LC 滤波模块：滤除干扰和无用信号，使输出信号为标准正弦波。

（4） 控制电路模块：检测输出电压、电流信号后，按照一定的控制算法和控制策略产生 SPWM 控制信号，去控制
IPM 开关管的通断从而保持输出电压稳定，同时通过 SPI 接口完成对输入电压信号、电流信号的程控调理。

捕获单元完
成对输出信号的测频。

（5） 电压、电流检测模块：根据要求，需要实时检测线电压及相电流的变化，所以需要三路电压检测和三路电流
检测电路。

所有的检测信号都经过电压跟随器隔离后由
TMS320F28335 的 A/D 通道输入。

基于 DSP 的三相 SPWM 变频电源的设计
变频电源作为电源系统的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。

现代变频电源以低功 耗、高效率、电路简洁等显著优点而备受青睐。

变频电源的整个电路由交流
-直流-交流-滤波等部分构成，输出电压和电
流波形均为纯正的正弦波，且频率和幅度在一定范围内可调。

本文实现了基于 TMS320F28335 的变频电源数字控制系统的设计， 通过有效利用 TMS320F28335 丰富的片上硬件资 源，实现了 SPWM 的不规则采样，并采用 PID 算法使系统产生高品质的正弦波，具有运算速度快、精度高、灵活性好、
系统扩展能力强等优点。

系统总体介绍
根据结构不同，变频电源可分为直接变频电源与间接变频电源两大类。

本文所研究的变频电源采用间接变频结构即 交-直-交变换过程。

首先通过单相全桥整流电路完成交
-直变换，然后在 DSP 控制下把直流电源转换成三相 供给后级滤波电路，形成标准的正弦波。

变频系统控制器采用
SPWM 波形
TI 公司推出的业界首款浮点数字信号控制器
TMS320F28
335，它具有 150MHz 高速处理能力，具备 32 位浮点处理单元，单指令周期 32 位累加运算，可满足应用对于更快代码 开发与集成高级控制器的浮点处理器性能的要求。

与上一代领先的数字信号处理器相比，最新的 F2833x 浮点控制器不
仅可将性能平均提升 50%，还具有精度更高、简化软件开发、兼容定点
图 1 所示。

C28x TM 控制器软件的特点。

系统总体框图如
图 2 整流电路原理图
IPM 电路模块
IPM 由高速、低功率 IGBT 、优选的门级驱动器及保护电路组成。

IGBT （绝缘栅双极型晶体管）是由 BJT （双极型三极管）和 MOS （绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件。

GTR 饱和压降低，载流密度大，
但驱动电流较大； MOSFET 驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

IGBT 综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低，非常适合应用于直流电压。

因而 IPM 具有高电流密度、低饱和电压、高耐压、高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。

本文选用的
IPM 是日本富士公司的型号为 6MBP20RH060 的智能功率模块，该智
能功率模块由 6 只 IGBT 管子组成，其 IGBT 的耐压值为 600V ，最小死区导通时间为 3μs 。

IPM 隔离驱动模块
由于逆变桥的工作电压较高， 因此 DSP 的弱电信号很难直接控制逆变桥进行逆变。

美国国际整流器公司生产的三相
桥式驱动集成电路 IR2130，只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的
6 个功率开关器件。

IR2130 驱动其中 1 个桥臂的电路原理图如图 3 所示。

C1 是自举电容， 为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量， D 1 可防止上桥臂导通时直流电压母线电压到
IR2130 的电源上而使器件损坏。

R1 和 R2 是 IGBT 的门极驱动电阻，一般可
采用十到几十欧姆。

R3 和 R4 组成过流检测电路， 其中 R3 是过流取样电阻， R4 是作为分压用的可调电阻。

IR2130 的 H IN1~HIN3 、LIN1~LIN3 作为功率管的输入驱动信号与 TMS320F8335 的 PWM 连接，由 TMS320F8335 控制产生 PWM 控制信号的输入， FAULT 与 TMS320F8335 引脚 PDPINA 连接，一旦出现故障则触发功率保护中断，在中断程序中封锁
PWM 信号。

（6）辅助电源模块：为控制电路提供满足一定技术要求的直流电源，以保证系统工作稳定可靠。

系统硬件设计
变频电源的硬件电路主要包含 6 个模块：整流电路模块、 IPM 电路模块、 IPM 隔离驱动模块、输出滤波模块、电压
检测模块和 TMS320F28335 数字信号处理模块。

整流电路模块
采用二极管不可控整流电路以提高网侧电压功率因数，整流所得直流电压用大电容稳压为逆变器提供直流电压，该
电路由 6 只整流二极管和吸收负载感性无功的直流稳压电容组成。

整流电路原理图如图
2 所示。

图3 IR2130 驱动其中 1 个桥臂的电路原理图
输出滤波模块
采用SPWM 控制的逆变电路，输出的SPWM 波中含有大量的高频谐波。

为了保证输出电压为纯正的正弦波，必须采用输出滤波器。

本文采用LC 滤波电路，其中截止频率取基波频率的 4.5 倍，L=12mH ，C=10μF。

电压检测模块
电压检测是完成闭环控制的重要环节，为了精确的测量线电压，通过TMS320F28335的SPI 总线及GPIO 口控制对输入的线电压进行衰减/放大的比例以满足A/D 模块对输入信号电平(0-3V)的要求。

电压检测模块采用256 抽头的数字电位器AD5290 和高速运算放大器AD8202 组成程控信号放大/衰减器，每个输入通道的输入特性为1MΩ输入阻抗+30pF。

电压检测模块电路原理图如图 4 所示。

图4 电压检测电路原理图
系统软件设计
系统上电后按照选定的模式自举加载程序，跳转到主程序入口，进行相关变量、控制寄存器初始化设置和正弦表初始化等工作。

接着使能需要的中断，启动定时器，然后循环进行故障检测和保护，并等待中断。

主要包括三部分内容：定时器周期中断子程序、A/D 采样子程序和数据处理算法。

主程序流程图如图 5 所示。

图5 主程序流程图
定时器周期中断子程序
主要进行PI 调节，更新占空比，产生SPWM 波。

定时器周期中断流程图如图 6 所示。

图 6 定时器周期中断流程图
A/D 采样子程序
主要完成线电流采样和线电压采样。

为确保电压与电流信号间没有相对相移，本部分利用TMS320F28335 片上AD
C 的同步采样方式。

为提高采样精度，在A/
D 中断子程序中采用均值滤波的方法。

对A 相电压和电流A/D 的同步采样部分代码如下：
数据处理算法
本系统主要用到以下算法：（1）SVPWM 算法（2）PID 调节算法（3）频率检测算法
SVPWM 算法
变频电源的核心就是SVPWM 波的产生，SPWM 波是以正弦波作为基准波（调制波），用一列等幅的三角波（载波）与基准正弦波相比较产生PWM 波的控制方式。

当基准正弦波高于三角波时，使相应的开关器件导通；当基准正弦波低
于三角波时，使相应的开关器件截止。

由此，逆变器的输出电压波形为脉冲列，其特点是：半个周期中各脉冲等距等幅
不等宽，总是中间宽，两边窄，各脉冲面积与该区间正弦波下的面积成比例。

这种脉冲波经过低通滤波后可得到与调制
波同频率的正弦波，正弦波幅值和频率由调制波的幅值和频率决定。

本文采用不对称规则采样法，即在三角波的顶点位置与低点位置对正弦波进行采样，它形成的阶梯波更接近正弦波。

不规则采样法生成SPWM 波原理如图7 所示。

图中，Tc 是载波周期，M 是调制度，N 为载波比，Ton 为导通时间。

由图7 得：
当k 为偶数时代表顶点采样，k 为奇数时代表底点采样。

SVPWM 算法实现过程：
利用F28335 内部的事件管理器模块的 3 个全比较单元、通用定时器1、死区发生单元及输出逻辑可以很方便地生成
三相六路SPWM 波形。

实际应用时在程序的初始化部分建立一个正弦表，设置通用定时器的计数方式为连续增计数方
式，在中断程序中调用表中的值即可产生相应的按正弦规律变化的SPWM 波。

SPWM 波的频率由定时时间与正弦表的
点数决定。

频率检测算法
频率检测算法用来检测系统输出电压的频率。

用 TMS320F28335 片上事件管理器模块的捕获单元捕捉被测信号的有效电平跳变沿，并通过内部的计数器记录一个周波内标频脉冲个数，最终进行相应的运算后得到被测信号频率。

实验结果
测量波形
SVPWM 算法的部分代码如下：
PID 调节算法
在实际控制中很多不稳定因素易造成增量较大，进而造成输出波形的不稳定性，因此必须采用增量式
统进行优化。

PID 算法数学表达式为
PID 算法对系
Upresat(t)= Up(t)+ Ui(t)+ Ud(t)
其中， Up(t)是比例调节部分， Ui(t) 是积分调节部分， Ud(t) 是微分调节部分。

本文通过对 A/D 转换采集来的电压或电流信号进行处理，并对输出的
SPWM 波进行脉冲宽度的调整，使系统输出
的电压保持稳定。

PID 调节算法的部分代码如下：
在完成上述硬件设计的基础上，本文采用特定的PWM 控制策略，使逆变器拖动感应电机运行，并进行了短路、电机堵转等实验，证明采用逆变器性能稳定，能可靠地实现过流和短路保护。

图8 是电机在空载条件下，用数字示波器记
录的稳态电压波形。

幅度为35V ，频率为60Hz。

图7 不规则采样法生成SPWM 波原理图
图8 输出线电压波形
测试数据
在不同频率及不同线电压情况下的测试数据如表 1 所示。

表1 不同输出频率及不同线电压情况下实验结果
结果分析
由示波器观察到的线电压波形可以看出，波形接近正弦波，基本无失真；由表中数据可以看出，不同频率下，输出
线电压最大的绝对误差只有0.6V，相对误差为 1.7%。

结束语
本文设计的三相正弦波变频电源，由于采用了不对称规则采样算法和PID 算法使输出的线电压波形基本为正弦波，其绝对误差小于 1.7%；同时具有故障保护功能，可以自动切断输入交流电源。

因此本系统具有电路简单、抗干扰性能好、控制效果佳等优点，便于工程应用，具有较大的实际应用价值。