基于PWM正弦波电源的设计.docVIP

摘 要 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。随着高性能 DSP 控制器的出现，逆 变电源的全数字化控制成为现实。数字控制系统具有集成度高、抗干扰能力强、 控制灵活、可实现先进的控制算法和便于实时控制等优点。采用 DSP 作为逆变器 的控制核心，可以用软件很容易地实现灵活、准确的在线控制与全部故障检测。 本文研究了基于 PWM 正弦波电源的设计。文章首先对逆变系统基本结构和控 制策略作了详细的介绍，在此基础上选择了重复控制作为本信号电源逆变器的数 字控制方式，对重复控制逆变器的稳定性、稳态误差进行了分析。阐述了逆变系 统的工作原理，分析了逆变系统中最常用的正弦脉宽调制方法及其产生办法，以 及模拟、数字控制电路控制方法的优缺点。接着对双极性 SPWM 控制方式和单极性 SPWM 控制方式作了比较。经过比较，选用了实际滤波效果较好的单极性 SPWM 控 制策略，并详细论述了其单边与双边 SPWM 的产生方法以及各自的控制方法。 根据逆变电源的技术要求，提出了硬件电路中各部分的设计方案，完成了系 统的软硬件设计，硬件系统包括全桥主电路设计、以 DSP 为核心的逆变控制系统、 采样调理、驱动保护等，给出了各单元电路设计。控制系统软件则重点阐述逆变 器数字控制系统主要环节的设计，给出了软件的总体结构、SPWM 波形的实现，生 成数字正弦基准，实现逆变器逻辑控制功能，即对逆变器的保护、监测进行控制 等。利用 MIATLAB 和 SIMULINK 仿真软件建立了逆变器的仿真模型，用以验证控 制方案的可行性和有效性。其研究和分析的结果为逆变器的数字化控制的研究、 完善和应用建立了基础。利用仿真工具软件对所设计的电力电子设备进行仿真， 有利于缩短产品的设计时间，有于提高产品的可靠性。 关键字：关键字：逆变器；数字控制；SPWM ABSTRACT Modern frequency power to low power, high efficiency, simple circuit which favored some obvious advantages. The circuit consists of Power Supply AC - DC - AC - filtering parts, the output voltage and current waveforms are pure sine wave, and the frequency and amplitude adjustable within a certain range. With the emergence of high- performance DSP controller, power inverter digitalcontrol become a reality. Digital control system with integrated high anti-interference capability, flexible control, advanced control algorithms can be realized and the advantages of easy real-time control. Inverter using DSP as the control core, you can easily use the software flexible, precise control and full-line fault detection. This article introduces digital control technologies of a single-phase SPWM inverter based on TMS320LF2407.firstly, the basic structure and the control strategyof the inverter system have been introduced, then selects repetitive control strategy asthe control strategy for the inverter. Secondly, the bipolar SPWM control strategy and the univocal SPWM control strategy have been compared. Thirdly, according to the technique request of the inverter power supply, thepaper put forward the project of the hardware electric circuit and the control electriccircuit that is exceptionally introduced, accomplishes the designs of system softwareand hardware. The software carries out output wave control, creates digitalsinusoidal norm and implements logical control functions of inverter that is, inverter protecting, monitoring and measurement and so on. The inverter simulation model is established by the simulation software of MATLAB and SIMULINK, which is used to validate the feasibility of every controlstrategy. The research in the dissertation, to some extect has paved a way for thefurther research, improvement and application in the digital control of inverter.Putting the simulation software into use in the process of the electric equipmentsdesign, It is good to reducing the time of the products design, and it is also benefit to improving the reliability of the products. Key Words: Inverter; Digital control; SPWM 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 逆变器主要模拟控制技.1 1.1.1 电压型控制技术.1 1.1.2 单周期控制技术.2 1.1.3 数字化控制.3 1.2 数字控制的优越性.3 1.3 逆变电源数字控制方案.4 1.4 本文研究的主要内容.5 第 2 章 逆变系统基本结构及控制策略.6 2.1 系统主要功能的实现.6 2.1.1 逆变系统基本结构.6 2.1.2 PWM 信号的产生方式.7 2.2 SPWM 控制技术及其原理 .8 2.2.1 SPWM 控制的基本原理 .8 2.2.2 全桥逆变器的控制方式.8 2.2.3 SPWM 控制脉冲的实现方法 11 2.3 重复控制技术13 2.3.1 重复控制器的结构14 2.3.2 周期延时环节 .14 2.3.3 补偿器 C(z).14 2.4 本章小结15 第 3 章 系统硬件电路设计16 3.1 电源的整体结构和工作原理16 3.2 逆变电源主电路设计17 3.2.1 主电路结构选择17 3.2.2 全桥式主电路设计17 3.3 逆变控制系统的硬件架构18 3.3.1 控制系统总体设计18 3.3.2 电平转换电路19 3.3.3 时钟电路19 3.3.4 复位电路19 3.3.5 采样及信号调理电路20 3.3.6 驱动电路21 3.3.7 保护电路22 3.3.8 系统的抗干扰设计23 3.4 本章小结24 第 4 章 系统软件实现25 4.1 DSP 系统软件设计25 4.2 系统软件设计流程图26 4.2.1 初始化模块27 4.2.2 定时器中断服务模块28 4.3 SPWM 信号的产生.29 4.3.1 事件管理模块29 4.3.2 三角波载波的生成29 4.3.3 基准正弦信号生成29 4.3.4 PWM 信号生成30 4.3.5 产生驱动波形 SPWM 的程序流程图.31 4.4 A/D 采样部分31 4.5 重复控制部分33 4.6 PI 调节部分部分.33 4.7 本章小结34 第 5 章 逆变电源的仿真35 5.1 系统仿真模型的建立35 5.2 仿真结果 .36 5.3 本章小节38 第 6 章 全文总结39 6.1 本文的主要工作39 6.2 展望39 致谢 .40 参考文献 .41 附录 .42 黄石理工学院毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪论 随着网络技术的发展，对逆变电源的网络功能也提出了更高的要求。高性能 的逆变电源必须满足:高的输入功率因数，低的输出阻抗；快速的暂态响应，稳态 精度高；稳定性高，效率高，可靠性高；低的电磁干扰；智能化；完善的网络功 能。随着高性能的 DSP 控制器的出现，逆变电源的全数字控制成为现实。随着人 们生活水平的日益提高，经济的迅猛发展，对能源的需求也越来越大，同时不可 再生一次性能源的不断减少，节约能源及环境保护日益为人们所重视。电源是节 约能源的重要环节，逆变电源技术在保持节约能源的同时还必须环保无污染。 PWM 的全称是 Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制） ，它是通过改变输出 方波的占空比来改变等效的输出电压。广泛的用于电动机调速和阀门控制，比如 我们现在的电动车电机调速就是使用这种方式。所谓 SPWM，就是在 PWM 的基础上 改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过 适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛的用于支流交流逆变器等，比如高级一 些的 UPS 就是一个例子。三相 SPWM 是使用 SPWM 模拟市电的三相输出，在变频器 领域被广泛的采用。 1.1 逆变器主要模拟控制技 1.1.11.1.1 电压型控制技术电压型控制技术 电压型单闭环控制框图及其空载时结构图，如图 1-1 所示。将逆变压反馈信 号与基准电压信号进行比较，经误差放大器（PI 调节器、PID 调节器）后 得到误差信号，将此信号与载波交截，经适当的逻辑变换和驱动 电路后控制逆变器，如图 1-1(a)所示。图 1-1(b)中，G1(S)为误差放大器的 传递函数，为 PWM 信号的占空比，N1、N2 为变压器原、副边绕组匝数， 为输出电压反馈系数。 黄石理工学院毕业设计（论文） 2 DC-AC逆变器 隔离驱动 电 路 逻辑变换 电 路 Ci RL R1 R2 + - - + CiCi L UiUAB Uo （a）单闭环控制框图 11 1 2 ffC Ls 21/N N 1 k)( 1 sG uof k Uof - u e u i U o u （b）单闭环控制结构图 图 11 电压型单闭环控制原理 1.1.21.1.2 单周期控制技术单周期控制技术 对于电压型反馈控制和电流型反馈控制，当输入电压或负载变化时，系统达 到新的稳态需要几个开关周期的动态调节时间。 单周期控制技术，又称开关输出电压瞬时值控制技术，可在一个开关周期内 瞬时控制输出信号，暂态过程只需一个开关周期。该控制技术可以应用于恒频 PWM 开关、恒定导通时间开关、恒定截止时间开关、变化开关。恒频 PWM 开关单 周期控制原理。恒频 PWM 开关，开关周期恒定，单周期控制调节导通时间， 使得斩波波形的积分值等于基准信号。 单周期控制技术，将非线性开关变为线性开关，是一种非线性控制技术。其 动态性能优于电压型、电流型瞬时值控制技术，但经滤波器后输出电压的稳态精 黄石理工学院毕业设计（论文） 3 度不及电压型、电流型瞬时值控制技术。 1.1.31.1.3 数字化控制数字化控制 电力电子变换器的数字控制是电力电子发展的趋势门，也是现代逆变技术展 的趋势，目前国内期刊和国际会议已有很多的文献报道。虽然数字控制极地简化 了硬件电路，提高了系统的稳定性、可靠性和控制精度，但数控变换在实际使用 中还存在许多待解决的问题，例如:变换器开关动作对采样的严重干扰；检测的量 化误差导致控制精度显著下降；高速运行下数字化脉宽调制间分辨率的下降；开 关功率变换器数字化的数学模型研究不够深入等。在很实际应用的场合，往往采 用模拟控制和数字界面。 1.2 数字控制的优越性 数字化是逆变电源发展的主要方向，逆变电源采用数字控制，具有以下明显 优点: (1)易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得逆变电源的智能化程度更 高，性能更完美。 (2)控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件 线路。 (3)控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统，采用统一的 控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。 (4)系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过 RS232 接口或 RS485 接 口或 USB 接口进行调试、故障查询、历史记录查询、故障诊断、软件修复，甚至 控制参数的在线修改、调试，也可以通过 MODEM 远程操作。 (5)系统的一致性较好，成本低，生产制造方便由于控制软件不像模拟器件那 样存在差异，其一致性很好，由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生 产成本下降。 (6)易组成高可靠性的大规模逆变电源并联运行系统，为了得到高性能的并联 运行逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制，易 于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法， 从而实现高可靠性，高冗余度的逆变电源并联运行系统。 黄石理工学院毕业设计（论文） 4 1.3 逆变电源数字控制方案 逆变电源的数字控制方法已成为当今电源研究领域的一个热点，与数字化相 对应，各种各样的离散控制方法也纷纷涌现，包括数字 PID 控制、无差拍控制、 数字滑变结构控制、模糊控制、神经网络控制等。从而有力地推动逆变电源控制 技术的发展。下面介绍逆变电源的主要控制策略: (1)单闭环 PID 比例一积分微分牌制 PID 控制概念明晰，实施容易，是工程实际中应用最广 的一类控制器.在数字控制中，该方法分为全量式和增量式，它同样也可用于逆变 器的控制。由于空载的逆变器近似于一个临界振荡环节，积分控制又增加了相位 滞后，这样一来，为保证系统稳定，对控制器比例必须有所限制。因此，PID 控 制的快速性虽相对平均值反馈有较大的改进，但仍是有限的，系统对非线性负载 扰动的抑制效果不佳。PID 控制无法实现对正弦指令的无静差跟踪，因此系统的 稳态精度不容易满足要求。实际系统往往在 PID 控制基础上增设平均值反馈以保 证稳态精度。 (2) 无差拍控制 无差拍(deadbeat)是数字控制特有的一种控制效果，它是在控制对象离散数 学模型的基础上，通过施加精确计算的控制量来使得被调量的偏差在一个采样周 期时间内得到纠正。早期的无差拍波形控制是基于阻性负载假设，负载适应性较 差。采用扰动观测器可以实时预测负载电流，显著增强了负载适应性，是无差拍 控制的一大改进。无差拍最显著的优势是动态响应快，缺点是对依赖于精确数学 模型。 (3)状态反馈控制 状态反馈控制可以任意配置闭环系统的极点，有利于改善系统的动态品质。 但在建立逆变状态模型时很难考虑到负载的动态特性，所以状态反馈控制只能针 对空载和假定的负载进行建模。由于状态反馈控制对系统模型参数的依赖性很强， 使得系统在参数和负载发生变化时易出现稳态偏差及动态特性的改变。 (4)重复控制 重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理，内模原理是把作用于系统 的外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度的反馈控制系统。逆变器重复 黄石理工学院毕业设计（论文） 5 控制的目的是为了克服死区、非线性负载引起的输出波形周期性畸变。其基本思 想是控制量的周期重复。重复控制能使逆变器获得低 TED 的稳态输出波形，其主 要缺点是动态性能差，是基于周期的控制。为此提出了自适应重复控制伺服控制 器和重复控制器组成的复合控制等多种方案改善系统的动态特性。 (5)自适应控制 自适应控制有效的消除由于周期性的未知的系统特性参数变化而对系统输出 造成的影响，误差收敛速度较快，大负载扰动下系统稳定不必知道控制系统的数 学模型。反馈控制设计较复杂，系统模型及稳定性分析也非常困难，适合于系统 模型未知或运行过程中会发生变化的情况。 (6)模糊控制 复杂的电力电子装置是一个多变量、非线性、时变的系统，系统的复杂性和 模型的精确性总是存在着矛盾。而模糊控制能够在准确和简明之间取得平衡，有 效地对复杂事物做出判断和处理，近年来，它在电力电子领域中的应用引起了人 们的重视。对于高性能的逆变电源的设计，模糊控制器有着以下优点: 模糊控制器的设计过程中不需要被控对象的精确数学模型，模糊控制器有 着较强的鲁棒性和自适应性； 查找模糊控制表只需要占用处理器的很少的时间，因而可以采用较高采样 率来补偿模糊规则和实际经验的偏差。 (7)实时消谐 PWM 控制 实时消谐 PWM 控制是一种经过计算的 PWM 控制技术。需要较少的开关脉冲即 可消除容量较大的低阶高次谐波、开关频率低、开关损耗小、电压利用率高、滤 波容量小等许多优点。和其它 PWM 控制技术相比，既能克服高频 PWM 技术为消除 低次谐波而导致开关频率高的缺点，又能克服大功率逆变电源中运用的波行重构 技术降低谐波含量而导致主电路和控制电路复杂的缺点。但此方法要求实时求解 消谐模型，对控制器的运算速度要求极高，目前还未实际应用。 1.4 本文研究的主要内容 本文针对现有逆变器结构及控制策略进行了详细的分析与对比，经过比较， 选用实际滤波效果较好的单相全桥逆变电路作为主电路拓扑结构，详细介绍了逆 变器硬件控制各单元电路设计，给出了软件系统流程图及产生 SPWM 波形方法，最 黄石理工学院毕业设计（论文） 6 后利用 MATLAB 软件建立了系统仿真平台，分析其有效性和可行性。主要内容分为 以下六章: 第 1 章主要介绍了逆变电源技术现状与发展、逆变电源数字化控制的优越性， 着重介绍逆变电源的现有数字控制策略，分析其优缺点。 第 2 章重点介绍了逆变系统基本结构，具体分析了 SPWM 单相全桥逆变电路的 工作原理及双极性、单极性和单极性倍频控制方式，给出了 SPWM 控制脉冲的实现 方法，探讨了逆变电源系统的重复控制技术，分析了系统的稳定性和稳态误差。 第 3 章对整个硬件系统平台进行了详细的设计。主要包括系统主电路、 TMS320LF2407 最小系统设计及外围接口电路、驱动电路、保护电路的实现。 第 4 章具体介绍了系统软件设计和实现方案。给出了系统软件总体结构、各 模块流程图，详细介绍了生成 SPWM 波形的方法及流程，分析了 PID 算法。 第 5 章给出了逆变系统主电路、控制电路及 SPWM 驱动发生器仿真模型，并利 用 MATLAB 的电力仿真工具箱 SimPowerSystems 对各仿真模型进行了仿真分析， 验证了其可行性。 第 6 章对全文的工作进行了总结，并就下一步工作进行了展望。 黄石理工学院毕业设计（论文） 7 第 2 章 逆变系统基本结构及控制策略 2.1 系统主要功能的实现 2.1.12.1.1 逆变系统基本结构逆变系统基本结构 逆变的直接功能是将直流电变换成交流电逆变系统的核心就是逆变开关电路， 或者叫逆变电路，通过电力电子开关的导通与关断，完成逆变的功能。电力电子 开关器件的通断，需要一定的驱动脉冲，这些脉冲可以通过改变一个电压信号来 调节，产生和调节脉冲的电路通常称为控制电路(或控制回路)。逆变电路中，除 了逆变电路和控制电路之外，还要有保护电路、辅助电源、输入电路、输出电路 等。 下面对各个部分做一些简单介绍: (1)输入电路 逆变主电路输入为直流电，若是直流电网(如煤矿，矿山，电车等)、蓄电池 贮存的电，或者是直流发电机发出的电，或者直流电动机和变频调速交流电动机 制动时再生直流电，则输入电路包括滤波电路和 EMI 对策电路。若是交流电网， 除了滤波和 EMI 对策电路外，首先还要有整流电路。 (2)输出电路 输出电路一般都包括输出滤波电路和 EMI 对策电路，对直流输出的逆变系 统还包括输出整流电路。对隔离式逆变器，在输出电路的前面还有逆变变压器。 对于开环控制的逆变系统，输出量不用反馈到控制电路，而对于闭环控制逆变系 统，输出量还要反馈到控制电路。 (3)控制电路 控制电路的功能是按要求产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变开关管的 一导通和关断，从而配合逆变电路完成逆变功能。在逆变系统中，控制电路和逆 变主电路同样重要。 (4)辅助电源和保护电路 辅助电源的功能是将逆变器的输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。 若是直流输入，则是一个或几个 DC/DC 变换器:若是交流输入，则可以采用工频降 压、整流、线性稳压的方式，当然也可以采用 DC/DC 变换器。 黄石理工学院毕业设计（论文） 8 (5)逆变主电路 逆变主电路就是由逆变开关器件等组成的变换电路，分为非隔离式和隔离式 两大类。如变频器、能量回馈等都是非隔离的，逆变焊接电源、通信基础开关电 源、UPS、加热电源等都是隔离式逆变电路。隔离式逆变主电路还应包括逆变变压 器。非隔离式电压变换电路形式有多种，是组成逆变主电路的基本形式，用它们 也可以组成各种隔离式逆变主电路。 2.1.22.1.2 PWMPWM 信号的产生方式信号的产生方式 按照 SPWM 控制基本原理，在三角波和正弦波的自然交点时刻控制功率开关器 件的通断。如果采用自然采样法，会增加硬件的复杂度，但因该系统是以 FPGA 为 控制核心，可方便地实现。把正弦波波形表存人存储器中，同时利用加法器和减 法器生成三角形载波，再通过数字比较器产生所需要的波形。该方案具有可靠性 高，可重复编程，响应快，精度高等特点。 2.2 SPWM 控制技术及其原理 2.2.12.2.1 SPWMSPWM 控制的基本原理控制的基本原理 SPWM 控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系 列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或者其他所需要的波 形。 从理论上讲，在给出了正弦半波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，脉冲 波形的宽度和间隔便可以准确计算出来。然后按照计算的结果控制电路中各开关 器件的通断，就可以得到所需要的波形。但在实际应用中，人们常采用正弦波与 等腰三角波相交的办法来确定各矩形脉冲的宽度。等腰三角波上下宽度与高度成 线性关系且左右对称，当它与任何一个光滑曲线相交时，即得到一组等幅而脉冲 宽度正比该曲线函数值的矩形脉冲，这种方法称为调制方法。希望输出的信号为 调制信号，把接受调制的三角波称为载波。当调制信号是正弦波时，所得到的便 是 SPWM 波形。当调制信号不是正弦波时，也能得到与调制信号等效的 PWM 波形。 黄石理工学院毕业设计（论文） 9 2.2.22.2.2 全桥逆变器的控制方式全桥逆变器的控制方式 全桥逆变器的控制脉冲按 SPWM 调制方式，有单极性、双极性和单极性倍频调 制三种。 (1)双极性 SPWM 调制 全桥逆变器采用双极性 PWM 控制方式时,载波为全波三角波。用正弦波与三角 波进行比较，正弦波大于三角波的部分，输出为正脉冲，小于部分，输出负脉冲。 在开关切换时，负载端电压极性非正即负，电流变化率较大，对外部干扰较强。 负载端电压脉冲列是由不同宽度调制的正负直流电压组成。 (2)单极性 SPWM 调制 采用单极性控制时，在正弦波的半个周期内，其电压输出幅值为单极性，在 开关状态切换时，负载端电压先变为零，负载电流在零电压下自然续流衰减，在 控制时间到时再恢复输出直流电压，其半周期的脉冲列是由零和正(负)直流电压 组成。该控制方式的特点是功率开关管承受的电压应力较小，电流变化率小，功 耗也要小，因此对系统及外部设备干扰小。 (3)单极性倍频 SPWM 调制 Ui S1 S2S3 S4 CfZ Lf T Uc UAB 图 2-1 正弦波单相全桥逆变电路 在图 2-1 所示电压型全桥逆变电路中，Ql, Q2, Q3, Q4 循环导通一次的控制 脉冲。 单极性倍频 SPWM 调制原理分析如下: 两路脉冲占空比为: 黄石理工学院毕业设计（论文） 10 （2- 1 1sin 2 p DM正= 1） （2- 1 1sin 2 n DM正= 2） 对 P 路调制波:当调制波电压高于载波电压时控制左桥臂上管导通，下管关 闭，反之相反.同样，对 N 路调制波:当调制波电压高于载波电压时控制右桥臂上 管导通，下管关闭。若以 “1”来表示开关管导通，“0”表示关断，则: 1234ab 1001SPWMUQQ Q Q 输出波正半波 1234ab 0110SPWMUQQ Q Q 输出波负半波 根据三角形的相似性，根据规则采样法的特点，对于 P 路正脉冲，在时间上， BC=Tc/2,MN=旦 Tc 为采样周期，即三角载波的周期，d 是输出脉冲宽度，D 是输 出脉宽相对采样周期的占空比。由 （2- c cr T UUsin2 22 c U 3） 得到脉宽 （2-1sin 2 cr c TU U 4） 占空比 D 为 （2- 1 1sin 2 c DM T 5） M=Ur/Uc，代表调制度。 以上是 0-r 内 P 路正脉冲的占空比，同样可得 0-n 内 N 路正脉冲的脉宽为 （2-6(1sin ) 2 cr c TU U ） 于是占空比 D 为 黄石理工学院毕业设计（论文） 11 （2-7 1 1sin 2 c DM T ） 在每个调制波周期, P 正脉冲总对应于 N 正脉冲，而在前半周内，P 前正的脉 冲宽度恒大于 N 前正的脉冲宽度。于是 P 前正脉冲跟与之相对应 N 前正脉冲首尾 的 N 前负脉冲相差而得到有效 SPWM 波 Uab 正半波的两个脉冲，并且此相邻二脉冲 宽度相等(规则采样的特点:每个脉冲在载波周期中点处两端等宽)。 同理，容易得到输出有效 SPWM 波 Uab 负半波为 P 后负 N 后正在一个调制波周 期内，P 路调制波前半周(也即 N 路调制波前半周，P、N 正负两路正弦调制波严格 反相)时间段内，两路正脉冲的占空比分别为: （2- 1 1Msin 2 P D 正 8） （2- 1 1 Msin 2 D N 正 9） 且： （2- 1 1MsinMsin 2 off DDD P正N 正 10） 称为有效占空比(即同一个载波周期内两个等宽的有效脉冲的占空比之和)。 off D 由上式可知，双重 SPWM 调制方式所得到的正弦脉冲与普通 SPWM 方式得到的正弦 脉冲在效能上完全一样。 2.2.32.2.3 SPWMSPWM 控制脉冲的实现方法控制脉冲的实现方法 以 SPWM 为控制方式构成的逆变器，其输入为恒定不变的直流电压，通过 SPWM 技术在逆变电路中同时实现调压和调频。因此，该控制方案可简化主回路和 控制回路结构、提高系统响应速度。很适合蓄电池或太阳能电池等直流电源供电 的高频链逆变器的控制。因此，综合考虑之后，本文所设计的数字化控制 DC-AC 正弦波电源可采用 SPWM 控制策略。生成 SPWM 控制波形的方法主要有两类:一是采 用模拟电路，二是采用微处理器由程序生成。 (1)利用模拟电路生成 SPWM 脉冲 首先由模拟元件构成的三角波和正弦波产生电路分别产生三角载波信号和 t U 黄石理工学院毕业设计（论文） 12 正弦波参考信号，然后送入电压比较器，从而产生 SPWM 序列，这种利用模拟 r U 电路调制方式的优点是完成与信号的比较和确定脉冲所用的时间短，几乎是 t U r U 瞬间完成的。而且与的交点精确，是两列比较波的自然交点，未做过任何近 t U r U 似处理，然而，这种方法的缺点是所需硬件较多，且难以实现三角波与正弦波的 同步，而且模拟元件尤其是运算放大器存在温度漂移等不稳定因素，使得系统调 试麻烦，并且不易稳定。 (2)利用软件编程方法生成 SPWM 控制脉冲 在逆变器控制方法设计中，利用软件编程实现 SPWM 波的算法很多，通常使用 较多的有自然采样法、规则采样法、低次谐波消去法等。 自然采样法 该方法与采用模拟电路由硬件自然确定 SPWM 脉冲宽度的方法类似，只是这里 是采用计算的方法寻找三角载波与正弦参考波的交点时刻，从而确定 SPWM 脉冲宽 度。只要通过对与的数学表达式联立求解，找出其交点对应的时刻, . t U r U 0 t 1 t 便可以确定相应 SPWM 波的脉冲宽度。虽然微处理器具有复杂运算功能，但进行 6 t 计算需要一定的时间，而 SPWM 逆变器的输出需采用实时控制，其运算速度还满足 不了联立求解方程的需要。实际采用的方法是先将参考正弦波的四分之一周期内 各时刻的和值算好，以表格形式存储于存储器内，当控制需要计算某时刻的 t U r U 和时，不用实时计算而采用查表的方法很快得到。由于波形的对称性，只需 t U r U 要知道参考正弦波四分之一周期的和值即可，在一个周期内其它时刻的值可 t U r U 由对称关系求得。 和波形的交点求法可采用数值逼近法，规定一个允许误差，通过修改 t U r U 值，当满足时，则认为找到了和波形的交点。根据求得 i t tiri UtUt t U r U 的, , 便可确定 SPWM 的脉冲宽度。 0 t 1 t 2 t 采用自然采样法，虽然可以准确的确定和的交点，但是计算工作量很大， t U r U 为了简化计算工作量，便于在工程上使用，经常采用规则采样法。该方法的效果 接近自然采样法，但是却大大简化了计算工作量。 规则采样法 采用三角波作为载波的规则采样法示意图如图 2-2： 黄石理工学院毕业设计（论文） 13 M Ut A A B B t2 t2 t1 t3 Tt Ur 图 2-2 规则采样示意图 按自然采样法求得的和的交点为 A和 B，每个脉冲的中点并不和三角 t U r U 波中点重合，对应的 SPWM 脉宽为，为了简化计算，采用近似的方法求和 2 t t U 的交点。 r U 规则采样法使脉冲中点和三角波中点重合，通过两个三角波峰之间中线与 的交点 M 做水平线与三角波分别交于 A 和 B 点，由交点 A 和 B 确定的 SPWM 脉 r U 宽为, 和的数值相近，两个脉冲之间相差了一个很小的t 时间。规则采 2 t 2 t 2 t 样法就是利用和的近似交点 A 和 B 代替实际的交点 A和 B，用以确定 SPWM t U r U 脉冲信号。这种方法虽然有一定的误差，但此误差工程实践证明是可以忽略的。 因此，SPWM 控制脉冲的实现算法就变为求解简单的三角方程，大大减小了计算量。 设三角波和正弦波的幅值分别是和，周期分别是和，脉宽和间 tm U rm U t T s t 2 t 隙时间 和由下式计算: i t 3 t (2-11) 2 21sin 2 ts tTTt (2-12) rmtm UU (2-13) 132 241sin 2 tts ttTtTTt 由公式 2-11 和 2-12，可以很容易求得和值，从而确定相应的脉冲宽度。 1 t 2 t 黄石理工学院毕业设计（论文） 14 上面对 PWM 控制技术的原理进行了分析，同时对能生成 SPM 控制脉冲的各种 方法进行了介绍。由微处理器以软件方式生成 SPWM 控制脉冲的方法具有抗干扰能 力强、控制电路结构简单等优点，是一种比较理想的控制方案。 本文在设计中，以 DSP 为主控芯片，采用了工程上常用的基于规则采样法和 采样保持原理的 SPWM 波形生成原理，利用汇编语言编程序实现算法。由于 DSP 为 整个系统的主控芯片，除了输出逆变器控制用 SPWM 脉冲外，还负责整个系统的各 种保护及辅助控制功能。因此，要实现规则采样法的实时计算有一定难度。为了 发挥 DSP 作为主控芯片的能力，故设计中采用了查表法实现 SPWM 脉冲的输出。 2.3 重复控制技术 重复控制是基于内模原理的一种控制思想。所谓 “内模” ，是指在稳定的闭 环控制系统中包含外部输入信号的数学模型。下面是内模原理的具体表述: 对于一个控制系统而言，如果控制器的反馈来自被调节的信号，且在反馈回 路中包含相同的被控外部信号动态模型，那么整个系统是结构稳定的。内模原理 的本质是把系统外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度的反馈控制系统。 2.3.12.3.1 重复控制器的结构重复控制器的结构 对于重复控制系统而言，内模是系统的核心，它提供了稳定持续的控制信号。 图 2-3 给出了重复控制系统结构框图。其中，r 为需要跟踪的重复性指令；e 为误 差信号；d 为作用于控制对象的重复性扰动；P(z)是控制对象的传递函数；Y 为实 际输出；为周期延时环节；C(z)为补偿器；Q(z)为滤波器.重复控制器检测指 N z 令 r 与实际输出 Y 之间的误差。由内模对误差 e 进行逐周期的积分，起到对既往 误差信息记忆的作用，以便在误差消失或变得很小的时候仍能输出合适的控制量。 在周期延迟环节和补偿器的作用下，根据内模积分的结果，重复控制器将在下一 周期的适当时刻输出控制量，以减小误差 e。以下分别介绍滤波器 Q(z)、周期 r u 延时环节和补偿器 C(z)。 N z 黄石理工学院毕业设计（论文） 15 r + _ e + + d + y ur N zzQ )( N z )(zC)(zP + 图 2-3 重复控制系统示意图 2.3.22.3.2 周期延时环节周期延时环节 位于重复控制系统的前向通道上，使控制信号延迟一个周期，即本周期 N z 检测到的误差信息在下一周期才开始影响控制量。由于指令信号和扰动信号均为 周期性，这样可使控制信号对下一周期的控制作用具有一定的超前性，而且对于 超前相位补偿而言，此环节也是必需的。在引入周期延时环节后，系统的快速性 受到影响，有较大的控制滞后，因此在使用重复控制器时多采用嵌入式结构，保 留指令信号的快速通路。 2.3.32.3.3 补偿器补偿器 C(z)C(z) 补偿器 Q(z)是针对对象 P(z)的特性而设置的，它是重复控制器最重要的部分， 对重复控制系统的性能好坏有着决定性影响。在获知了上一周期的误差信息后， 到了下一周期该如何给出合适的控制量，这就是补偿器 C(z)要解决的任务。Q(z) 的作用就是提供幅值和相位补偿，以保证系统稳定，并在此基础上改善波形校正 效果。对于幅值补偿，只要适当减小 C(z)的增益，就可以抵消误差。而相位补偿 意味着针对误差的每一频率分量都要给出合适的控制“提前量” 。补偿器 C(z)的 相频特性最好是对象 P(z)的相频特性的逆特性。 当相位补偿借助超前环节来实现时，补偿器 C(z)可以采用以下形式: （2-14） Nk rt zu C zK z S z 式中起相位补偿作用的超前环节；比例项 Kr 类似重复控制增益；而滤波器 S(z)则 k z 起到以下三方面的作用:将控制对象的中低频增益校正为 1；抵消控制对象较高的 谐振峰值，使之不破坏稳定性；增强前向通道的高频衰减特性，提高稳定性和抗 高频干扰能力。由于设置了滤波器 S(z)，超前环节要补偿滤波器和控制对象 k z P(z)总的相位滞后。 黄石理工学院毕业设计（论文） 16 2.4 本章小结 本章对逆变系统基本结构和控制策略进行了分析介绍，并对双极性 SPWM 控制、 单极性 SPWM 控制和单极性倍频 SPWM 控制作了分析比较，重点探讨了逆变电源系 统的重复控制技术，分析了系统的稳定性和稳态误差。给出了 SPWM 控制脉冲的实 现方法。 第 3 章 系统硬件电路设计 3.1 电源的整体结构和工作原理 电源的整体结构框图如图 3-1 所示： 黄石理工学院毕业设计（论文） 17 整流滤波逆变电路滤波输出 TMS320LF2407 隔离驱动 SPWM信号 产生 采样调理 单片机 LCD键盘 SPCE061A 图 3-1 电源整体结构图 系统主要由以下几部分组成: (1)功率电路。整个功率电路由前级 (BOOST 功率因素校正电路+BUCKDC-DC 电 路)和后级 (全桥逆变电路)组成，本文主要的研究对象是后级逆变部分，主要对 这一部分加以说明。 (2)驱动电路、保护电路以及采样调理电路。 (3) DSP 控制板。该部分由 DSP(TMS320LP2407)以及附加的外围电路组成。该 部分实现输出电压采样、变频信号给定、重复控制、SPWM 信号输出以及和单片机 的通讯等功能。 (4)人机界面。该部分由单片机(SPCE061A)、键盘、串行通信以及液晶显示模 块构成。通过人机界面接收用户的设定参数，与 DSP 实现通讯，以设定的频率和 波形作为当前逆变器工作的参考电压信号。并接收 DSP 控制板通过串行通信送过 来的当前时刻的输出电压、频率值，最后将这些工作状态数据在液晶显示模块 (LCD)中显示出来。市电单相电压(-220V)经整流滤波后供给逆变电路(IPM 单相全 桥逆变)。IPM 在驱动信号作用下将整流滤波后的直流电变成一定电压、一定频率 的交流电，经隔离滤波后供给负载。输出电压经过采样后送给 DSP 处理，DSP 对 黄石理工学院毕业设计（论文） 18 取样信号进行相应的控制算法处理，输出修正后的 SPWM 控制信号，使得输出电压 稳定在期望值。 整流滤波电路将交流电转换成直流电，本系统的整流电路采用单相不控整流 形式，滤波器采用电感、电容组成低通无源 LC 滤波器。逆变电路的功能是将交流 电整流滤波所得到的直流电压变换成交流电压，逆变器的输出是高频正弦脉宽调 制波 (SPWM)，该波形经 LC 低通滤波器滤波之后得到标准的正弦波。控制电路是 逆变电源系统的神经中枢，输出电压精度的高低、波形失真度的大小以及工作的 可靠性等都与控制电路密切相关。控制电路主要实现 SPWM 信号产生、闭环调压、 反馈采样等功能。 3.2 逆变电源主电路设计 3.2.13.2.1 主电路结构选择主电路结构选择 实现从直流到交流的逆变主电路结构形式主要有半桥式和全桥式两种，这两 种结构形式在单相逆变电路中都有广泛应用。 半桥式逆变电路有较强的抗不平衡能力，但是电压利用率低，要输出同等功 率大小的电能，主变压器原边电流要加大一倍，主开关器件的电流定额也要加大 一倍，以弥补电压利用率的不足。全桥式逆变电路的电压利用率高，比半桥式电 路大一倍，但所用功率器件为四个，增加了系统复杂性。本系统采用全桥式逆变 电路。 3.2.23.2.2 全桥式主电路设计全桥式主电路设计 主电路结构图如图 3-2 所示，系统采用单相不控整流桥，无源滤波，用电解 电容对整流输出的高电压进行平滑滤波，减小直流电压中的交流成分。为了减 1 C 小电解电容等效串连阻抗的影响，再在电解电容两端并联了一个高频无极性电容 。功率管通断时，因为回路分布电感和变压器漏感的作用，在它两端会产生电 2 C 压尖峰，这个电压尖峰叠加原来的母线电压会超过管子的安全工作区。这个高频 无极性电容可以抑制开关管两端的电压尖峰，从而对开关管进行保护。 黄石理工学院毕业设计（论文） 19 Ui S1 S2S3 S4 CfZ Lf T Uc UAB 保护电路 S1、S2、S3、 S4驱动电路 DSP采样电路 Lf io u 图 3-2 主电路结构图 变压器两边的电压高频脉冲一般都要进行平滑滤波，才能输出标准正弦电压 以供给负载。一般的输出滤波电路分为电容滤波、电感滤波和 LC 滤波。电容滤波 平滑负载电压，电感滤波平滑负载电流 I。LC 滤波具有以上两种电路的共同优点。 整流桥 B1 完成不控整流；滤波电容 C1 为 560 uF/400V 电解电容；为 2 u 2 C F/1200V 的高频无极性电容；IPM 中的四个功率管 Q1Q4 组成全桥逆变；为变压Tl 器；对于交流正弦波逆变输出的 LC 滤波电路，本系统选用 2 个 4.7uF/250V 的无 极性电容、并联；为 10mH 的滤波电感；电容两端并联一个电压霍尔 3 C 4 C 1 L 4 C HU，以检测输出电压，作电压闭环反馈控制用。 3.3 逆变控制系统的硬件架构 3.3.13.3.1 控制系统总体设计控制系统总体设计 图 3-3 为逆变控制系统硬件框图。控制电路以 TEXAS INSTUMENTS(TI)公司推 出的 TMS32OLF2407 为主控芯片。主要包括控制电路、检测电路、保护电路、显示 电路、通讯接口电路等。 黄石理工学院毕业设计（论文） 20 过压保护 过流保护 逻辑电路 TMS320LF2407 电流采样电路 电压采样电路 A/D PDPINT SPWM SCI 通讯口 RS232 接口 驱动电 路 逆变桥 图 3-3 控制系统结构图 3.3.23.3.2 电平转换电路电平转换电路 TMS32OLF2407 的管脚电平是 3.3 V，但常用的器件是 5V，例如 AD、D/A 与计 算机的接口等。与 5V 器件通常应作电平转换后再相连，在进行这两种电平的信号 连接时，应了解器件耐受的电压范围和高低电平的门限值。DSP 的管脚电平其高 低电平门限值与普通的 5V 的 TTL 门限值是一致的，这样 DSP 的输出可以直接驱动 5V 器件的输入，但 5V 器件输出经过 ASM1117 器件后才能连到 DSP 的输入。如果 将 5V 器件的输出直接加在低压 DSP 的管脚上，会使 DSP 损坏或工作异常。 3.3.33.3.3 时钟电路时钟电路 在进行时钟电路设计时，需要考虑以下问题: (1)频率。即系统工作的频率。 (2)信号电平。是 5V 还是 3.3V，是 TTL 电平还是 CMOS 电平等。 (3)时钟的沿特性。上升沿和下降沿的时间。 (4)驱动能力。考虑整个系统中需要时钟的器件数目。 (5)采用有源还是无源晶振。有源晶振驱动能力强，频率范围宽；无源晶体价 格便宜，但驱动能力比较差。TMS320LF2407 提供了两个时钟引脚 XTAL