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学生姓名: ***
学科专业: 电气工程及其自动化 指导教师: ***
摘 要 近年来，应用模电技术开发的电源在性能、质量和功能上无法满足人们的使用要求，但由于世界经济和部分行业的快速发展，变频电源的使用又十分的广泛，这使得有关行业的发展和技术进步受到了严重的影响。所以，对于更好的变频电源的研究有着极为重要的意义。
本文提出了基于DSP空间矢量变频电源，这种电源不仅可以降低电路的难易程度，而且还十分经济，性能上也十分可靠。为实现智能数字化的变频电源，本文以TMS320F2812芯片产生的脉宽调制的波形，该波再通过放大，然后用于IPM中的IGBT驱动，控制电源输出的电压和频率。
本文是以变频电源的逆变输出和数字控制方式为研究重点，先是对变频电源主电路的设计，逆变输出采用IPM模块，再是设计基于DSP的控制系统硬件电路，脉宽调制接口电路，A/D转换电路。最后，在完成整体的软件规划和设计流程。 该电源的性能、质量和功能均可达到人们的使用需求且不影响对其本身的系统升级。且非常的经济实用，大小、质量和消耗都极低，具备较高的安全性和可靠性。 设计中，参考了许多国内外资料，数字信号处理的变频电源的设计都是在此基础上进行的，各个部分的电路都十分缜密，性能、质量和功能都达到了预期的目标。 关键词:变频电源；DSP；空间矢量；脉宽调制技术；数字信号处理
Abstract
In recent years, application of analog electronic technology development power in the performance, quality and function of unable to meet the requirements of people, but due to the rapid development of world economy and in some industries, the use of variable frequency power supply and is very widely, which makes the industry development and technological progress by the serious impact. So, the research on the better frequency conversion power supply has a very important significance.
In this paper, based on the DSP space vector frequency conversion power supply, this kind of power supply can not only reduce the difficulty of the circuit, but also very economical and reliable performance. In order to realize the intelligent digital frequency conversion power supply, this paper uses the pulse width modulated waveform generated by the TMS320F2812 chip, which can then be amplified, then used for the IGBT driver in IPM to control the output voltage and frequency of the power
supply.
This paper is in frequency conversion power supply inverter output and digital control mode is the focus of the research, first design of the main circuit of inverter power supply, inverter output the IPM module, then design the hardware circuit of control system based on DSP, the pulse width modulation circuit, a / D conversion circuit. Finally, in the completion of the overall software planning and design process.
The performance, quality and function of the power supply can meet the needs of people and do not affect the system upgrade of the power supply. And very economic and practical, size, quality and consumption are very low, with high security and reliability.
Design, with reference to the many domestic and foreign materials, the design of variable frequency power supply of digital signal processing is carried out on the basis of, each part of the circuit are very careful, performance, quality and function reached expected goal. Keywords：frequency conversion power supply，DSP，space vector，pulse width modulation technology，digital signal processing
目 录
第一章 绪论
1.1本课题提出的背景
变频是把交流电的频率进行改变，是交流与交流之间的变换。利用这种方式实现交流电压或电流的频率变换。
变频广泛应用于交流电机调速和供电电源频率的变换。实际上变频就是通过大功率电子器件将220V/50Hz的市电变为用户想要的电源。其主电路一般是交-直-交变换，即先将交流的市电整流成直流，再将直流逆变成所需要频率的交流，其中直流变交流的过程就是逆变。其实很多变换最后都要演变到逆变上，而且逆变是核心应用技术，变频更是离不开逆变。总之，变频技术应用十分广泛，它不仅促进了其他技术的进步，其他技术的进步也带动了变频技术的发展[1][2]。 1.2变频电源概述
变频电源是一种输出正弦波的交流电源，他能够按照需求对输出电源的电压和频率进行改变。因此对SPWM变频的使用较多，特别在不间断电源方面投入十分广泛。在控制上使用模拟电路或单片机，电力电子器件多用IGBT。 1.3变频电源技术的发展
变频电源要求高精度稳压、稳频，并要求波形品质好;电源按频率分为两大类，工频电源和中频电源;按电源输出相数有单相和三相之分。一般工频电源三相容量10-600kVA, 400Hz中频电源三相容量30-90kVA;稳压精度1%，稳频精度0.1%，波形失真小于3%，能适应各种负载。同时特殊行业应用的有邮电通讯专用逆变电源，电力系统、发电厂专用逆变电源，车载船载逆变电源，太阳能及风力发电系统专用逆变电源等。
变频电源作为逆变电源的一个分支，它的技术发展历程是和逆变电源技术发展相一致的。逆变技术的发展大致也可分为以下几个阶段:
上世纪50年代是逆变电源技术的创建时期，主要在欧美和日本等国，随着晶闸
管、晶体管技术和产品的发展，晶闸管电源、晶体管电源等得到迅速发展，占据了逆变电源市场的统治地位。 后来，全控功率器件的出现促进了逆变电源技术的极大发展，地域空间也发展了。GTO可使兆瓦级的逆变电源设计简化，可取代需要强迫换流的晶闸怜，目前仍在电源中广泛应用。功率MOSFET的出现，构成了高频电力电子技术，开关频率可达100kHz以上，并可并联大电流输出。IGBT是MOS输入、双极性输出的复合型功率器件，工作频率与GTR相当，其电压定额较高。
进入二十一世纪，随着新型功率器件的出现，集成脉宽调制(PWM)电路、各种各样的零电压、零电流变换的拓扑电路得到广泛应用，还有结合单片机、DSP，ARM等智能芯片。电源产品更加小型化、集成化、智能化。
中国变频电源产业的发展虽然只有十几年的历史，但成绩喜人;无论是逆变电源技术，还是产业的规模，都发展到前所未有的阶段，成为社会各界关注的一个新兴行业。和国外产品相比，性能指标还存在着相当大的差距;在技术上还处于模仿吸收阶段。国内大部分产品还是采用纯模拟电路，集成度很低，电源产品的数字化进程才刚刚开始，严重滞后市场的需求。 变频调压电源的发展趋势关键在于它的创新性，目前电源技术的创新主要有以下几方面。
1、高频变换是电源技术发展的主流 电源技术的精髓是电能变换，即利用电能变换技术，将市电或电池等一次电源变换成适用于各种用电对象的二次电源。开关电源在电源技术中占有重要地位，从20kHz发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达到兆赫级的高频开关电源，为高频变换提供了物质基础，促进了现代电源技术的繁荣和发展。高频化带来的最直接的好处是降低原材料消耗，电源装置小型化，加快系统的动态反应，进一步提高电源装置的效率，有效抑制环境噪声污染，并使电源进入更广阔的领域，特别是高新技术领域。 2、新理论、新技术的指导 谐振变换、移相谐振、零开关PWM、零过渡PWM等电路拓扑理论；功率因数校正、有源箱位、并联均流、同步整流、高频磁放大器、高速编程、遥感遥控、微机监控等新技术，指导了现代电源技术的发展。 3、新器件、新材料的支撑
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、功率场效应晶体管(MOSFET)、智能IGBT功率模块(IPM), MOS栅控晶闸管(MCT)、静电感应晶体管(SIT)、超快恢复二极管、无感电容器、无感电阻器、新型铁氧体、非晶和微晶软磁合金、纳米晶软磁合金等元器件，装备了现代电源技术，促进产品升级换代。 4、控制的智能化
控制电路、驱动电路、保护电路采用集成组件。控制电路采用全数字化。控制手段用微处理器和单片机等组成的软件控制方式，达到了较高的智能化程度，并且进一步提高了电源设备的可靠性。 5、电源电路的模块化、集成化
电源技术发展的特点是电源电路的模块化、集成化。单片电源和模块电源取代整机电源，功率集成技术简化了电源的结构，已经在通讯、电力获得广泛应用，并且派生出新的供电休制一分布式供电，使集中供电单一体制走向多元化[3][4]。 1.4本课题研究的内容
目前变频电源的安全性和可靠性都比较差，大多是因为利用模拟或单片机操控，
所以本设计将整体改进变频电源的所有电路，达到变频电源通过数字操控，从整体上提升电源的机能。因此本文的主要研究包括以下几个方面:
1、考虑变频电源的整个布局和运转原理，设计主要整个电路，推算与之相对的主电路参数，以及进行主要元件型号的选取等;
2、对空间电压矢量控制算法进行分析及软硬件完成，设计将通常应用于电机控制的空间电压矢量算法应用于变频电源逆变输出控制中去，结合PI调节器，计划出适合的操作系统; 3、基于TMS320F2812设计相应的系统控制和外围电路，并进行软硬件调试实验; 本课题研究的变频电源软硬件平台的构建都是在上述设计中的性能要求实现的。
第二章 基于DSP的数字化控制技术 2.1数字控制与模拟控制
信号的处理阶段就是对其筛选和重组，从而获取我们想要的信号。为此，就要设计信号与信号之间的传递函数，其实现方法分两种:模拟方式和数字方式。模拟方式需要电容、电阻、运算放大器来实现滤波和控制等，数字方式是先进行模数转换，然后进行数模转换。
大部分电路控制运用的是MCS，目前MCS早就十分成熟。然而，MCS仍有一定的不足:生产成本高，电源大小及质量较大等。元件的老化和易受环境影响等都会关系到系统的稳定性。
虽然使用MCS集成芯片可以使系统变得简单，但还需要外加许多模拟元件。每一个元件都会产生或多或少的误差，数量增多误差也会增加，从而导致系统的性能下降。其余，由于MCS的功耗很高，很难大范围集成，专用MCS芯片的集成度基本上不易做大。由于投入的是MCS，所以专用芯片的控制依然迟钝，想达到预想的算法十分麻烦。
对每一个投入MCS的电路，它的控制系统都需要特意的研究。只要系统一升级，都得重新研究。对模拟控制系统来说，监控性能也非常差。目前变频调压电源绝大多数都是采用的纯模拟电路。
数字信号处理器相比于微控制器，有着更快的速度，可以实现高密度计算控制算法，并且需要的辅助电路少，这不仅仅降低了成本，还减小了电源的质量与体积。以前DSP 的价格十分十分昂贵，但是随着芯片技术的发展，高性能、低价格的芯片不断出现。人们完全可已用它来代替模拟控制。
基于DSP芯片的数字信号处理控制系统，与传统的模拟控制系统相比，其具有以下优点：
1、高度集成化。集数字滤波、A/D、ROM、RAM、FLASH等和DSP内核于一体，组成模拟数字DSP芯片。有效减小系统的器件数量和体积重量。
2、逻辑、控制、运算可编程化。DSP系统中的可编程功能可使设计人员在开发过程中灵活方便的对软件进行修改和升一级，智能化程度也能提高。 3、复杂算法的实现。利用DSP芯片的高处理能力，DSP控制器可以实现实时的，传统的模拟方法不能实现的一些复杂控制算法，如PID控制、模糊控制、自适应控制以及快速傅立叶变换(FFT)等。这样能大大提高系统的性能。
4、可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能影响比较大，而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。
5、稳定性好。DSP系统以数字处理为基础，受环境温度和噪声影响小，可靠性高。模拟电路易受元器件长期老化和温漂的影响。
6、精度高。如定点32位DSP芯片，运算精度可达10-32，浮点DSP精度更高。易于提高整机性能。
7、接口方便。DSP系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易得多。
8、低功耗、低电压。DSP采用先进的CMOS工艺，与模拟系统相比，其需要的功率和电压更低[5][6]。
2.2数字信号处理器(DSP)概述
DSP芯片，又称为数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理的微处理器，DSP芯片集成高速乘法器，具有多组内部总线，能够进行快速乘法和加法运算，是适用于高速数字信号处理的单片计算机，这种器件常常被称为单片数字信号处理器[7][8]。
2.3主控芯片TMS320F2812介绍
单个TMS320F2812芯片有18k RAM, 128k FLASH, 16通道的PWM, 16通道12位ADC, 3个定时器，串行口有CAN, McBSP, SPI, 2个SCI，充分保证了通讯的方便。
芯片资源非常丰富，可大大简化外围电路设计。图2-1是DSP TMS320F2812功能结构图，下面针对TMS320F2812结构及其具体应用，简单的介绍一下它的主要特点。
其主要资源和性能性标如下:
1、高主频，即150MHz的主频(时钟周期仅为6.67ns)。
2、低功耗，1.8V和3.3V供电(核心电压1.8V，I/O电压3.3V).
3, 128k内部FLASH, 18k内部SARAM，可外扩一1M存储器。存储器是统一编址的，其寻址空间达4M。
4、中断资源丰富，可支持45个外设级中断和3个外部中断。提取中断向 量和保存现场只需9个时钟周期，响应迅速。
5、拥有两个事件管理器EVA和EVB，控制更加灵活。 6、拥有两个SCI口和一个SPI口，增加了数据缓存功能;传输频率可达MHz数量级。此外串行通讯模块还包括增强的eCAN总线和新增的McBSP，能满足多种通讯的需要。
7、16个通道的12位A/D接口可灵活设置采样方式。 8、可使用多达56个可编程且可复用的I/O口。
9、拥有三个系统级定时器和两个属于事件管理器的定时器[7]。
图2-1 DSP TMS320F2812功能结构图 由此可知，该芯片十分有利于课题中变频电源的控制电路研制，因此本文最终选用了此芯片。
第三章 SVPWM原理分析 3.1 SVPWM调制技术概述
1987年日本的GIFU大学的Yoshihiro Murai教授在IEEE上发表《全数字化逆变器的新型PWM方法》一文，由此标志着SVPWM调制技术的正式问世[9]。 1992年，Yoshihiro Murai教授在IEEE上发表《感应电动机中减少谐波的高频劈零矢量Pwm》。在SVPWM高频调制中，Yoshihiro Murai教授引入劈零矢量，