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基于TMS320CF2812变压变频器设计及MATLAB仿真.pdf
基于 TMS320F2812 的变压变频器设计及 MATLAB
仿真
摘要
本文针对以 TMS320F2812 为控制系统核心的变压变频电源进行了讨论，设计了主电路与驱动电
路，并对电源的工作情况进行了仿真。
仿真结果显示，设计的电源在输入三相交流 380V 电源的情况下可以输出 0~300V，30~300Hz
可调的交流电压；并能够对输出电流进行过流保护（最大 10A）；在负载反向传送能量的时候，BRAKE
电路能够及时工作，防止泵升电压损坏电源。
在仿真中同样发现，当电源工作在低频率，低电压输出的情况下，输出电压中含有较多谐波成
分，并且幅值发生小幅度变化。为了解决以上的问题：①设计中采用了高速 IGBT，提高载波频率，
使之高达 10kHz；②驱动电路采用了反压关断设计，提高了 IGBT 的关断速度。
通过以上措施，低频低压输出中的谐波有所减少，但是该现象仍然存在。
关键词：TMS320F2812，Brake 电路，泵升电压
ABSTRACT
This paper discusses the variable voltage and frequency power supply on the core control system,
TMS320F2812, the design of the main circuit and driving circuit, and the emulation for the power supply
on work.
The results of emulation show that the power supply designed can output adjustable AC voltage in the
range of 0~300V and 30~300Hz when it accepts three-phase AC 380V input. And it has the over-current
protection (maximum 10A) for output current. When the load reverses power transfer, BRAKE circuit can
work in time to prevent pump voltage from damaging power supply.
In the emulation it also be found that when the power supply work in the circumstances of
low-frequency and low-voltage output, the output voltage contains more harmonic components, and a small
change in amplitude. To solve the above problems, these measures have been taken: ①using high-speed
IGBT in the design, to raise the carry frequency up to 10 kHz; ②using reversed voltage turn-off design in
the driving circuit, to increase the turn-off speed of IGBT.
Through the above measures, harmonics has a reduction in the low-frequency and low-voltage output,
but the phenomenon still exists.
KEY WORDS: TMS320F2812, BRAKE circuit, pump voltage
基于 TMS320F2812 的变压变频器设计....................................................................... 错误！未定义书签。
摘要............................................................................................................................... 错误！未定义书签。
ABSTRACT.................................................................................................................. 错误！未定义书签。
1．绪论...........................................................................................................................................................3
2．电路结构...................................................................................................................................................4
2.1 主电路.............................................................................................................................................4
2.1.1 AC-DC 部分..........................................................................................................................5
2.1.2 DC-AC 部分..........................................................................................................................8
2.2 驱动电路介绍...............................................................................................................................10
2.2.1 驱动芯片...........................................................................................................................10
2.2.2 驱动电路电源设计...........................................................................................................17
2.3 控制芯片 TMS320C2812 及控制电路 ...........................................................................................17
2.3.1 芯片简介...........................................................................................................................17
2.3.2 控制电路...........................................................................................................................18
2.4 保护电路.......................................................................................................................................19
2.5 工作顺序.......................................................................................................................................20
3．软件.........................................................................................................................................................22
3.1 事件管理器部分...........................................................................................................................22
3.1.1 SPWM 的生成原理..............................................................................................................22
3.1.2 事件管理器（EV）的工作方式 .......................................................................................24
3.2 模数转换（ADC）部分.................................................................................................................28
3.3 EV 与 ADC 模块的配合..................................................................................................................29
4．散热设计.................................................................................................................................................30
5．仿真结果.................................................................................................................................................32
5.1 仿真电路介绍................................................................................................................................32
5.2 仿真结果.......................................................................................................................................34
结论...............................................................................................................................................................40
参考文献.......................................................................................................................................................41
1．绪论
随着现代工业的进步，电力传动正在人们的生活中扮演者越来越重要的角色。所谓的电力传动
是指以电动机为动力来拖动各种生产机械的拖动方式，电动机将电能转变为机械能，然后拖动生产
机械进行启动、稳定运行、调速、制动与停车。
常见的传动控制系统分为直流传动控制系统与交流传动控制系统。直流调速系统具有较大的起
动转矩和良好的起动和制动性能，易于在较宽的范围内实现平滑调速，但是由于电机结构上的缺陷
（如换向器），直流电机并不适合大容量。而交流异步电机在这方面的优势就体现出来了。
常用的交流传动方法有调压调速，转子串电阻调速，转子串级调速等，其中最有发展前途的要
数变频调速了，而变频调速系统的核心环节就是变频器。由此可见，设计一个性能好的变频器是具
有非凡的意义的。
下面是对变频器的工作参数的要求：
输入电压：三相交流380V ± 10％，50Hz
输出电压：交流0～300V
输出电流：最大10A
输出频率：30~300Hz可调
工作温度：0～50℃
根据题目的要求，我们主电路选用了经典的异步电动机变压变频调速系统（VVVF 系统），将三
相交流电经过不可控整流并滤波后，由逆变器转换成一相的 SPWM 波，再经过 LC 滤波后作为输出（然
而在实际控制电机中，不需要后一级的 LC 滤波器。因为电机本身是惯性元件，SPWM 波作用在上面
与正弦波等效）。通过控制 SPWM 波形的调制波的频率与调制深度来达到调节输出电压的目的。
控制电路是以 TMS320F2812 位核心的控制系统。TI 公司推出的 TMS320 系列是目前世界上最有
影响的主流 DSP 产品。TMS320C28x 系列是当今世界上最先进的 32 位定点 DSP 芯片。它不但运行
速度高，处理功能强大，并且具有丰富的片内外围设备，便于接口和模块化设计，其性价比极高，
尤其适用于大批量和多品种的家电产品、数码相机、电话、测试仪器仪表等，还可以广泛应用于数
字马达控制、工业自动化、电力转换系统及通信设备等。
因此，研究以 TMS320F2812 芯片为控制系统的变频电源是非常具有实际意义的。
2．电路结构
大致介绍电路的组成结构，各部分的作用。
电路共分成三个部分：
主电路部分，功能是实现 AC-DC-DC-AC 的转换；控制电路部分，通过发出控制信号，实现对
主电路的控制及回馈，如驱动波形，保护以及反馈；驱动电路部分，将控制电路得弱功率信号转换
成主电路能够识别的强功率信号。
2.1 主电路
图 2.1 是本文设计的交流变压变频电源的主电路，选用了经典的 VVVF 作为设计原型。
从图中可以看出，主电路的拓扑结构分为两部分：AC-DC 部分与 DC-AC 部分。下面就从这两
图 2.1 电源工作主电路
个部分来对主电路的设计进行介绍。
2.1.1 AC-DC 部分
2.1.1.1 工作原理
图 2.2 AC-DC 电路
图 2.2 是主电路中的 AC-DC 部分。
图中 J1 是工业用三相 380V 交流电，通过三相开关（S1~S3）输入到三相不可控整流桥（D1~D6）
中；为了抑制整流桥直流侧电压中含有的高次谐波，我们在整流桥的后面并联了一个大电容（C1），
目的是滤波；由于刚刚闭合三相开关（S1~S3）的时候 C1 上没有电压，因此会产生很大的冲击电流，
此外，考虑到线路中的寄生电感，C1 的电压更会充至整流桥提供直流电压的 2 倍，因此采用限流电
阻（R1）来抑制这种现象；在 S1~S3 刚刚闭合时，继电器 Relay1 是断开的，也就是将 R1 接入电路
中去，经过一段约 5τ后（
），可以认为 C1 上的电压已经达到了稳定的程度，这时可以
发出信号 RSTART，闭合 Relay1，将 R1 短路使之不参与电路的工作，这时 AC-DC 电路就可以正常
工作了。
1*1 CR=τ
值得注意的是，如果负载将能量反向传递给电源端，由于整流桥的电流方向不能改变，那么电
流只能流向 C1，使 C1 的电压不断升高，也就是我们所说的“泵升电压”。如果我们对泵升电压不及
时处理的话，那么它很有可能持续升高并击穿半导体器件（整流桥中的 D1~D6 以及后一级逆变桥中
的 IGBT），造成更大的麻烦。为了应对泵升电压，我们采取了 BREAK 电路（R2 和 S5）。当控制电
路检测到直流侧电压升高到一定程度时，发出信号 KeyDrive 驱动 S5 使之导通，将 C1 上的能量经过
R2 放掉，直至一个安全的范围。正样就可以在电源工作的过程中，使直流侧电压维持在一个可以工
作的较理想的范围内。
2.1.1.2 参数计算
①滤波电容 C1：
考虑到下一级电路的功率，选用滤波电容为
Fμ2000 。
直流侧输出平均电压 avU 为：
U av
=
1
2
π
3
×
2
∫
5
π
6
π
6
220
sin2
θθ
d
⋅
=
514
V
6.
(1)
因此，C1 的额定电压选为 1000V。
②限流电阻 R1：
考虑到与 C1 的动态过程，选择 R1 的电阻值为 Ω5 。
在刚刚闭合三相开关（S1~S3）时，电阻上的冲击电流达：
RU av
1 =
102
92.
A
瞬时最大功率 maxP 为：
P
max
=
RU
1
2
av
=
52
kW
(2)
(3)
经过
(5
=ττ
CR
1*1
=
50
mS
)
后，C1 上的电压可以近似看成 avU ，那么在这段时间内，R1 上
的平均功率 avP 为：
P
av
=
1
2
UC
*1
2
av
5
τ
=
3.5
kW
(4)
考虑裕量后，R1 选为 Ω5 ，功率 15kW，最大耐受冲击电流为 200A 的功率电阻。
Relay1 的合闸时间取为 60mS。
③大功率二极管（D1~D6）：
根据电源对负载的要求（输出最大 10A），可以看出，最严酷的工作条件就是：输出电流 10A，
频率 0Hz（直流输出）。这样一来，就对大功率二极管的工作电流有如下要求：
假设每个管子的最大输出电流峰值为 max
I ，那么有式①：
1
π
3
× ∫
2
π
3
π
3
I
sin
max
θθ
d
⋅
=
10
A
由式(5)解得：
I
max =
17.10
A
有效电流 I 为：
I
=
1
2
π
×
2
∫
2
π
3
π
3
(
I
max
⋅
sin
2
θθ
⋅
d
)
由式(6)，(7)解得：
额定电流 TI 为：
I
61.5=
A
(5)
(6)
(7)
(8)
IT
23
×=
π
I
=
71.10
A
(9)
同时要考虑到①中计算的合闸冲击电流 102.92A，选取额定电流 15A，额定电压 1000V 的大功
率二极管。
可以选择 FUJI 整流二极管模块 6R13G(30A)，它的最大工作参数如图 2.3，可以满足本开关电路
的条件。
整流桥最大工作的平均电流为 10A，从图 2.4 种看出，最大正向压可以考虑为 1.0V。
图 2.3 6R13G 的最大工作参数
④限流电阻 R2：
选取限流电阻 R2 的阻值为 Ω11 ，当 KeyDrive 信号驱动 S5 的时候，近似看成指六册的电压直
图 2.4 6R13G 的正向压降
接作用于 R2 两端。
如考虑当支流侧电压为 550V 的时候开始发送 KeyDrive 信号，那么 S5 种流过的电流 I 为：
550
I
=
=
50
A
11
(10)
电阻最大功率为 27.5kW，考虑裕量后，选取 R2 为 Ω11 ，承受最大电流 100A，最大功率为 60kW
的功率电阻。
⑤S5 的选取：
由于 S5 工作时间并不长，因此考虑 1.8 倍裕量，工作电流 TI 为：
IT
=
I
57.1*8.1
=
32.57
(11)
选取 Infineon 的无 D 的 IGBT：IGW60T120。工作参数见图 2.5。
图 2.5 IGW60T120 工作参数
可见，IGW60T120 完全可以胜任。
2.1.2 DC-AC 部分
2.1.2.1 工作原理
图 2.6 DC-AC 电路
图 2.6 为主电路中的 DC-AC 电路。
逆变桥（S1,S2）直流一侧是三相 380V 电压经过 AC-DC 电路输出的直流电压；C3，C4 是两个
小电容，可以将直流侧的电压进行分压，得到相对较低的易测量的电压信号 testV ；HDrive，LDrive，
HDrive2，LDrive2 是驱动电路受到控制电路控制，发出的驱动 IGBT 的 SPWM 信号，这样就能够在
逆变桥输出侧得到 SPWM 输出电压；SPWM 里面含有大量的高次谐波，如果要得到理想的交流电压
的话，就要将输出电压滤波，也就是输出侧的 LC（L1，C2）滤波器；当逆变器刚开始工作的时候，
发出 LSTART 信号闭合继电器 Relay2，将负载接入电路；CT 是用来测量输出电流的，将二次测得
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