（农业电气化与自动化专业论文）基于tms320lf2407a数字控制的逆变器试验研究.pdf

摘要 在逆变技术正朝着全数字化、智能化和网络化的方向发展过程中，作为专用的 d s p 的出现，为研究和设计新型的逆变电源提供了更方便、更灵活、功能更强大技 术平台。因此，本文提出了以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字信号处理器作为s p w m 逆变器的核 心控制器件，论述了它的正弦脉宽调制逆变技术以及实现正弦脉宽调制波形的工作 原理，分析了s p w m 调制波形和s p w m 波形的生成方法。在此基础上设计出了逆变器 的硬件和软件系统，并制作了试验样机。 由样机的试验结果表明，逆变器交流输出电压误差小于5 ，交流输出电压频 率误差小于1 ，输出电压波形的总谐波含量t h d 5 。总之，逆变器交流输出 电压和频率稳定精度均较高，电压波形的总谐波含量t h d 较低且f 弦特性较好。 关键词：逆变器；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ；数字控制；脉宽调制：p i r e s e a r c ho ni n v e r t e re x p e r i m e n t b a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad i g i t a lc o n t r o l a b s t r a c t i nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s o fi n v e r t e rt e c h n o l o g ym o v i n gt o w a r d sa l l d i g i t a l ， i n t e l l i g e n t a n dn e t w o r k - b a s e d ，t h ee m e r g e n c eo fd e d i c a t e dd s p ，p r o v i d e sam o r e c o n v e n i e n t ，m o r ef l e x i b l ea n dm o r ep o w e r f u lt e c h n o l o g yp l a t f o r m f o rs t u d y i n ga n d d e s i g n i n ga n e w t y p eo fi n v e r t e rp o w e rs u p p l y t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rp r e s e n t sat h e o r yt h a tu s i n gt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o rf l st h ec o r ec o n t r 0 1d e v i c eo fs p w mi n v e r t e r ，d i s c u s s e si t ss p w m i n v e r t e r t e c h n o l o g ya n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fa c h i e v i n gs p w m m o d u l a t i o nw a v e f o r m ，a n d a n a l y s e ss p w m m o d u l a t i o nw a v e f o r ma n ds p w mw a v e f o r mg e n e r a t i o nm e t h o d s o n t h i sb a s i sd e s i g n sh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m so ft h ei n v e r t e r ，a n dp r o d u c e st e s t p r o t o t y p e s t h ep r o t o t y p et e s tr e s u l t ss h o wt h a ta co u t p u tv o l t a g ee r r o ro ft h ei n v e r t e ri sl e s s t h a n4 - 5 ，t h ef r e q u e n c yo fa co u t p u tv o l t a g ee r r o ri sl e s st h a n4 - 1 ：，a n dt h et o t a l h a r m o n i cc o n t e n tt h do ft h eo u t p u tv o l t a g ew a v e f o r mi sl e s st h a n5 i ns h o r t t h e i n v e r t e ra co u t p u tv o l t a g ea n df r e q u e n c ys t a b i l i t yp r e c i s i o na r eh i g h e r ，a n dt o t a l h a r m o n i cc o n t e n tt h do fv o l t a g ew a v e f o r mi sl o w e ra n ds i n u s o i d a lc h a r a c t e r i s t i c sa r e b e t t e r k e yw o r d s ：i n v e r t e r ：d i g i t a lc o n t r o l ：t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ；p i d ir e c t e db y ：a s s o c i a t ep r o f g u oy o n g a p p i ic a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：z h a n gy u l ei ( a g r i c u l t u r a le l e c t r i f i c a t i o na n da u t o m a t i o n ) ( c o l l e g eo fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i n n e rm o n g o l i aa g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y h o h h o t0 10 018 c h i n a ) 插图清单 图1s p l v m 原理5 图2 单极性正弦脉宽调制原理波形6 图3 双极性正弦脉宽调制原理波形7 图4 规则采样法原理示意图9 图5t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 结构图1 3 图6 逆变器总体系统结构原理框图1 4 图7 单相全桥逆变器主电路1 4 图8a 3 1 2 0 原理框图1 7 图9 驱动电路图1 7 图1 0 欠压保护和过压保护电路1 8 图1 1系统过流保护电路1 9 图1 2 低通滤波器1 9 图1 3 系统主程序2 3 图1 4p i 调节子程序流程图2 3 图1 5 样机实物图2 5 图1 6 样机带载试验2 5 图1 7 逆变器输出电压波形2 5 图1 8 谐波含量分析2 5 图1 9 满载时逆变器输出的电压波形2 6 图2 0 谐波分析2 6 内蒙古农业大学研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 括为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 申请学位论 论文作者签名： 之处，本人承担一切相关责任。 日 期：出! ：笸：芝 | 导师指导研究生学位论文的承诺 本人承诺：我的研究生兰骛堡所呈交的学位论文是在 我指导下独立开展研究工作及取得的研究结果，属于我现任岗位职务 工作的结果，并严格按照国家及学校有关学术道德规范的规定要求而 获得的研究结果。如果违反，我必须接受按国家及学校有关规定的处 罚处理并承担相应导师连带责任。 指导教师签名： 象j = 日 期： 塑z ：墨：2 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，即：研 究生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学。本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印、缩印或其他手段保存论文。 论文作者签名：主量窒萱指导教师签名：盘= 日 期：砂川2 、占厂 丁广 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 引言 1 1 逆变技术概述 1 1 1 逆变技术的发展及应用现状 逆变技术能够实现将直流电能转换到交流电能，可以把燃料电池、太阳能电池 等直流电能转换成质量较高的、且能够满足不同负载对频率和电压要求的交流电源。 同时逆变技术也广泛应用在变频电源、交流电机的传动、不问断电源、电网无功补 偿装置等许多场合，。 逆变技术作为一种电能转换装置，其基本原理是通过功率开关器件的开通和关 断作用，把直流电能转换成交流电能。逆变技术的发展过程是伴随着电力电子技术 的发展而发展起来的心。 经过了近5 0 年的发展历程，目前电力电子技术已形成比较完整的理论和科学体 系，并成为一门独立的学科。特别是在最近2 0 年，电力电子技术迅速的发展，被视 为第二次电子革命。电力电子技术在世界范围的工业文明的发展中起着关键的作用， 将对工业自动化、城市供电、交通运输、节能和环境污染控制等方面的发展，会产 生很大的推动作用。在未来工业高度自动化的情况下，计算机技术、自动控制技术 及电力电子技术，将成为三种最重要的技术。 在实现逆变的过程中，是通过功率开关器件的通断来实现电能的转换，虽然转 换效率比较高，但转换输出的波形却比较差，而且转换后是含有较多谐波成分的方 波。然而在多种应用场合需要的是能输出为理想的正弦波的逆变器，在逆变技术发 展中，所面临的一个主要问题是如何利用功率开关器件的通断转换，使逆变器输出 正弦波或准正弦波。逆变器的发展大致可分为如下两个阶段乜3 3 ： ( 1 ) 、1 9 5 6 年，第一只晶闸管( s c r ) 的问世，标志着电力电子学的诞生，并开 始进入传统发展时代。这个时代的特点是：开关器件以低速器件为主，逆变器的开关 频率较低，逆变器的体积和重量都较大，而且逆变效率较低。1 9 6 2 年，a k e r n i c k 提出了“谐波中和消除法”。1 9 6 3 年，f g t u r n b u ll 提出了“消除特定谐波法 ， 为以后的优化脉宽调制法奠定了基础。 ( 2 ) 、1 9 8 0 年至今为高频化新技术发展阶段。这个阶段的显著特点是：开关器件 以高速器件为主，逆变器具有了较高的开关频率，波形改善以脉宽调制法为主。逆 变器的体积和重量都较小，而且逆变效率较高。正弦波逆变器技术的发展日趋完善。 2 0 世纪7 0 年代后期，可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶体管( g t r ) 及其模块在实 际中得到了广泛运用。8 0 年代以后，微电子技术与电力电子技术的结合，产生了各 种高频化的全控器件，并得到了飞速发展，如功率场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ) 、 绝缘栅门极晶体管( i g t 或i g b t ) 、静电感应晶闸管( s i t 或s i t h ) 、m o s 晶体管以 及i g c t 等。使逆变技术得到了飞速发展，电力电子技术由传统发展时代进入到高频 化时代。在这个时期，涌现出了许多具有高性能和小型化特点的新逆变技术不断涌 2 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字控制的逆变器试验研究 现，特别是脉宽调制的波形改善技术得到了快速的发展，大大推进了逆变技术的发 展。 1 9 6 4 年，由a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 提出、把通信系统调制技术应用到了 逆变技术中的正弦波脉宽调制技术，但由于当时电力电子器件的开关速度缓慢而未 得到广泛应用。直到1 9 7 5 年才由b r i s t o l 大学的s r b o w e s 等人把正弦波脉宽调制 技术真正应用到逆变技术中，使逆变器的性能有了很大的提高，并得到了广泛的推 广应用和发展，这也使正弦波逆变技术达到了一个崭新的高度。之后，脉宽调制技 术得到了快速发展，相继出现注入三次谐波的脉宽调制、随机脉宽调制、空i b j 相量 调制等不同的脉宽调制方法。 随着工业化和科学技术的发展，逆变技术国防领域和民用领域中得到了广泛应 用。特别是随着煤、石油和天然气等能源日趋紧张，新能源的开发和利用越来越受 到重视。逆变技术成为新能源利用的关键技术之一，通过逆变可以能将蓄电池、燃 料电池和太阳能电池等产生的直流电能，直接供给负载或与电网并网发电使用。因 此，在新能源的开发和利用领域中逆变技术有着至关重要的地位。当今，逆变技术 的具体应用领域主要有强m 3 ： ( 1 ) 、以蓄电池、直流发电为主的直流电源的二次电能逆变场合。 ( 2 ) 、以变频或恒频交流电为主交流电源的二次电能逆变场合。 ( 3 ) 、电压、电流功率放大场合： ( 4 ) 、不间断电源的供电场合； ( 5 ) 、太阳能、风能等可再生能源的离网或并网逆变场合； 1 1 2 逆变技术的分类 逆变技术的种类很多，如按现代逆变技术的概念进行分类，目前可以分为以下几 举( 2 】【3 】 、 ( 1 ) 、按逆变器输出交流的频率，可以分为工频逆变、中频逆变和高频逆变。 ( 2 ) 、按逆变器输出的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变； ( 3 ) 、按逆变主电路的形式，可分为推挽式、单端式、半桥式和全桥式逆变； ( 4 ) 、按逆变器输出能量的流向，可分为无源逆变和有源逆变： ( 5 ) 、按逆变开关器件的类型，可分为晶闸管逆变、场效应管逆变、晶体管逆 变、i g b t 逆变等； ( 6 ) 、按输出电流和电压的波形，可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变； ( 7 ) 、按输出稳定的参量，可分为电流型逆变和电压型逆变： ( 8 ) 、按控制方式，可分为调脉宽式逆变和调频式逆变： ( 9 ) 、按逆变开关电路的工作方式，可分为谐振式逆变、定频软开关式逆变和 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 定频硬开关式逆变。 1 2 逆变技术在风力发电领域中的应用 在离网型和并网型风力发电系统中，逆变器是不可缺少的重要组成部分，是风 力发电离网运行和并网运行中的核心装置之一，其技术水平直接影响到离网和并网 风力发电技术及产业的发展。目前，逆变器已成为风力发电领域中的研究热点，许 多国家已将逆变器作为一项关键技术加以研究和应用，在国内外具有广阔的应用前 景。目前国外研制生产的逆变器主要以正弦逆变器为主，兼有方波逆变器。正弦波 逆变器功率己从几百瓦到兆瓦级，而且已经应用于并网发电系统。方波逆变器功率 不超过几千瓦，主要应用在村落系统。国外的逆变器技术相当成熟，广泛应用于国 内外风力发电及其相关领域。 国内研制生产的逆变器有方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器功率从几百 瓦到几千瓦，主要应用于户用系统，村落系统应用趋于减少。正弦波逆变器功率从 几百瓦到几百千瓦，主要应用在离网型村落系统和并网型系统，而且并网应用处于 起步阶段，目前正在示范研究。 1 3 逆变器存在的问题 随着控制技术的发展和各行各业对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备 都不再直接使用通用交流电网提供的交流电作为电源，而是通过各种方式将其进行 转换，得到各自所需的电源形式。而逆变就是对电能进行转换和控制的一种基本方 式，它具有能完成将直流电转换成交流电的功能。现代逆变技术是研究现代逆变电 路的理论和应用的学科，这门学科综合了现代电力电子技术、模拟电子技术、数字 电子技术、现代功率变换技术、开关电源技术、脉宽调制技术和现代自动控制技术 等多种技术，已在工业和民用领域中的各种功率转换系统和装置中得到广泛地应用。 早期的逆变电源，只要它输出稳压、稳频、输出不断电就可以。然而，今天的 逆变电源除满足这些要求外，还必须保证是无污染的绿色环保型逆变电源。随着网 络技术的发展，对逆变电源的网络功能也提出了许多新的要求。高性能的逆变电源 需满足：( 1 ) 较高的输入功率因数和较低的输出阻抗；( 2 ) 稳态精度高，暂态响应快 速：( 3 ) 较低的电磁干扰；( 4 ) 稳定性高，效率高，可靠性好；( 6 ) 智能化。由此可 见，实现这些要求是离不开数字化控制技术。然而传统的逆变电源主要采用的是模 拟控制技术，其控制结构较为成熟，但是采用模拟控制存在着许多固有缺点： ( 1 ) 、由于模拟电路采用了大量的分散元件而使其结构较复杂，可靠性差、成本 高，且难以实现精确的控制； ( 2 ) 、由于存在人工可调电位器件，从而导致控制系统的一致性差及效率降低： ( 3 ) 、由于存在温度漂移和器件老化的问题，导致逆变电源输出性能下降，甚至 4 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字控制的逆变器试验研究 导致输出失败； ( 4 ) 、产品升级换代困难，对同一型号的模拟控制逆变电源，如果不改动硬件， 同时升级是不可能实现的； ( 5 ) 、模拟控制的逆变电源的监控功能不完整，出现故障后，技术人员必须亲临 现场使其恢复正常工作。 1 4 本课题研究的目的和意义 风力发电技术及其产业化的发展，为逆变器提供了广阔的应用市场和发展前景， 而对逆变技术的研究又能促进风力发电技术及其产业的发展。 方波逆变器存在输出波形谐波含量大，电能质量低，不能满足现代生活对电能 的要求，其研究和应用日益减少。正弦波逆变器输出波形的谐波含量少，电能质量 高，符合现代生活对绿色环保型电能的要求，因而得到了广泛而深入的研究和应用。 随着工业和科学技术的发展，用户对电能品质的要求越来越高。包括市电在内 的所有原始电能的质量也满足不了用户的要求，在许多场合，电能必须经过加工后 7 j 。能使用，而在这种加工中正弦波逆变技术起到了重要的作用。 综上所述，研究正弦波逆变技术具有重要的现实意义。 1 5 本课题研究的主要内容 1 5 1 基础理论研究 ( 1 ) 、阐明正弦脉宽调制逆变技术的基本原理； ( 2 ) 、说明实现波形的单极性与双极性调制方法的原理，对比分析二者正弦脉 宽调制波形的谐波和主要特性； ( 3 ) 、论述正弦脉宽调制波形的生成方法和利用软件生成正弦脉宽调制波的基 本算法，详细说明规则采样法的原理； 1 5 2 逆变器的设计 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为正弦波逆变器的核心控制器件，设计正弦波逆变器的硬 件和软件。硬件设计包括：控制电路、逆变电路、驱动电路、交流输出滤波电路、 工频变压器稳压控制电路以及保护电路等设计。软件设计包括：主程序设计、模 数转换子程序设计、中断服务程序设计，以及数控p i 控制算法及其程序设计。 1 5 3试验研究 根据本文的设计方案，制作试验样机。通过试验，研究分析逆变器的稳压性能 和输出正弦波中的谐波情况。 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 2 正弦脉宽调制逆变技术 2 1 s p w m 的概念 s p l 】| m 是正弦脉冲宽度调制( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 的缩写， 就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。 2 2s p w m 的基本原理 将大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量 对时间的积分相等，其作用效果基本相同。这就是冲量等效原理。如图l 所示。 把半个周期正弦波波形分成n 等分，那么就可以把正弦波看成由n 个彼此相连 的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于2 兀n ，但幅值不等，且脉冲顶部 是曲线，而不是水平直线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把n 个脉冲序列用 同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲替代，并使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的 中点重合，矩形脉冲和相应的正弦等分的面积( 冲量) 相等，那么就得到如图1 中所 示的脉冲序列，这就是脉宽调制波形。显然，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。 根据冲量相等效果相同的原理，脉宽调制波形和正弦半波是等效的。那么对于正弦 波的负半周，也可以用同样的方法得到脉宽调制波形。这种脉冲宽度按正弦规律变 化且等效于正弦波的脉宽调制波形，就称为正弦脉宽调制波形4 1 。在正弦脉宽调 制波形中，各脉冲的幅值都是相等的，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度，就 可以改变等效输出正弦波的幅值。 u o u o 图1s p w m 原理 2 3 s p w m 的调制方法 s p w m 控制技术根据控制信号的极性，正弦脉宽调制可分为单极性和双极性两种 d 1 。单极性正弦脉宽调制就是每半个周期内，输出波形只能有一个方向；双极性正 弦脉宽调制的输出波形在每半个周期内都是有正负极性之间跳变。 6 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字控制的逆变器试验研究 2 3 1 单极性正弦脉宽调制 单极性正弦脉宽调制原理波形，如图2 所示。 o o 载游u c 参考渡u r h 。 兀i 图2 单极性正弦脉宽调制原理波形 输出电压u 0 ( ，) 的傅立叶级数展开式为 “oo ) = ( 彳疗 n = l c o s ，7 国f + b 疗s i n珂缈f )( 2 1 ) 式中，疗= l ，3 ，5 ，。每个脉宽为臼、起始角为口的正脉冲和对应的负脉冲起始角万+ 口决 定了系数爿。和b 。则输出电压材。( f ) 的傅立叶级数的系数分别为 小争孚c o s ”h 导) 2 磐玎q 一，- s i n n 口j 】 2 ， 内蒙古农业大学硕士学位论文 7 ”和孚s i nt + 导 。争s n 口j - c o s 行g ，) 】 倍3 ， 2 。3 2 双极性正弦脉宽调制 双极性正弦脉宽调制原理波形，如图3 所示。 aia 忆 vvvvvv n 旷j 一文 图3 双极性正弦脉宽调制原理波形 输出电压u 0 ( f ) 波形在o - 2 n 区间关于中心对称、在0 6 - - n 区间关于轴对称其傅立 叶级数展开式为 式( 2 - 4 ) 中b 甩：吾i 。( t ) s i n ( n c o t ) d ( c o f ) 式中甩= 二hf ) 万d t o 厶 ) 缈 g n吼 胛 口 肛 = ) ：0 甜 8 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字控制的逆变器试验研究 鼠= 罢 f i 枷剃) 一fs i r ( 删删) 一e s i r ( 以耐磁删) 一e s i r ( 门耐跏) ：1 - 基。蚓嘞圳 汜_ 5 l 户l _ j 则输出电压为 “。o ) = 卜艺( c 。s g - 1 ) - c 。s g ) ) 1 s i n ( ，z 纠) ( 2 - 6 ) n = l ，3 5 l ；l - j 根据以上分析可以看出，单极性正弦脉宽调制方法与双极性正弦脉宽调制方法 相比，在单极性正弦脉宽调制方法下，开管频率为低频，所以可以选择要求较低的低 频开关管，同时开关损耗也大约只有双极性调制方式的一半。 单极性正弦脉宽调制方法消除了所有或等于2 p - 1 次谐波，逆变输出电压的谐波 含量小于双极性正弦脉宽调制方法。故采用单极性正弦脉宽调制方法。 2 4s p w m 波形的生成方法 正弦脉宽调制波形的生成可以用比较器、振荡器等通用集成电路来实现，但线 路比较复杂，难以保证控制精度。当今微电子技术的飞速发展，以计算机为基础的 数字控制方案逐渐被采用，此方法控制电路简单可靠，利用软件产生正弦脉宽调制 波，减少了对硬件的要求，受外界干扰小，而且成本低。软件生成正弦脉宽调制波， 是指在给定正弦调制波的频率，三角载波的频率及调制度的条件下，计算正弦脉宽 调制波脉冲宽度和功率管开关的时刻。以下是常用的几种j 下弦脉宽调制波形的软件 产生方法吲。 ( 1 ) 、自然采样法。它以正弦脉宽调制的基本原理为出发点，在j 下弦调制波和 高频载波三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的开通和关断，这种方法可以准 确地计算出各功率开关器件的开通和关断时刻，得到很接近正弦波的波形。但其最 大的缺点，如果采用实时计算法，则在线计算时计算量过大，给实时控制带来很多 困难。如果事先离线计算好，然后将数据放在计算机内存中，利用查表法输出正弦 脉宽调制波，则将占用大量内存，所以在实际工程上使用并不多。 ( 2 ) 、面积等效法。是根据脉宽调制的基本原理，即面积( 冲量) 相等，效果相 同提出的，它的原理如图1 所示。 ( 3 ) 、规则采样法。是对自然采样法科学而合理的简化，在自然采样法中，每 个脉冲的中点并不和三角波载波的中点重合。而规则采样法则使两者重合，即使每 个脉冲的中点都以相应的三角波中点对称，这样就使计算大为简化。因此，它是一 种应用较广的工程实用方法，它的效果接近自然采样法，且比自然采样法计算量小 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 得多。 本系统采用规则采样法生成正弦脉宽调制波形。 规则采样法的原理如图4 所示，根据a a b c 相似于a a e f 得：式中，b c 为三角波载 波周期l ( s ) ；a o 为脉冲中心的正弦波值，即u ，s i nc o t ( u 。为正弦波幅值) ( v ) ；a h 为 三角波的幅值u 。( v ) ；e f 为第，个脉冲宽度4 ( s ) 。于是，对于第，个脉冲的宽度可由 下式计算：4 = 半= 崛s i nc a s t = m t 。s i n 2 r r f ( i - 0 5 ) 式中，一为第f 个脉冲宽度( s ) ；m 为调制度，即睾 u f l 为三角波载波周期( s ) n 为载波比! 即孚，五为载波频率( 日：) ，工为调制波频率( h ：) 。 l t 图4 规则采样法原理示意图 如果要稳定或调整逆变器的输出电压值，则必须调整脉宽4 ，而调整4 可以通 过调整调制度m 来实现。 2 5s p w m 逆变器的数字控制策略 经过多年的研究，逆变器的数字化控制出现了许多种不同的控制方法，包括数 字p i d 控制、无差拍控制、重复控制、模糊控制以及神经网络控制等n 8 1 。 2 5 1数字pld 控制 数字p i d 控制算法由比例、积分、微分三种算法构成，它克服了模拟p i d 控制 器的许多缺点和不足，可以方便的调整p i d 参数，具有很强的适用性和很大的灵活 性。与其它的控制方法相比，数字p i d 控制具有如下优点： 1o 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字控制的逆变器试验研究 ( 1 ) 、数字p i d 控制算法蕴含了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息， 控制过程快速、平稳、准确，具有良好的控制效果。 ( 2 ) 、数字p i d 控制算法在设计过程中对系统参数依赖性不强，改变系统参数 对控制效果的影响很小，控制的适应性好，具有较强的鲁棒性。 ( 3 ) 、数字p i d 控制算法简单明了，便于用单片机或d s p 实现。 2 5 2 无差拍控制 无差拍控制是一种基于被控制对象精确数学模型的控制方法。基本思想是根据 逆变器的状态方程和输出反馈信号推算出下一个开关周期的脉宽调制脉冲宽度。根 据当前时刻状态相量和下一采样时刻的参考正弦值来计算脉宽调制脉冲宽度。 无差拍控制具有非常快的暂态响应，当负载突然改变时，只需几个丌关周期就 可以调整输出电压，使输出电压值能够很好地跟踪给定量。输出电压波形的畸变率 小，在无差拍控制下，即使开关频率不是很高，也能得到较好的输出波形品质。无 差拍控制能够使得输出电压的相位与负载关系不大，可以通过调节逆变桥的输出相 位来补偿无源滤波的相位延时。对于线性负载来说，无差拍控制方法既具有较快的 动态响应特性，同时具有较好的稳态输出特性。 无差拍控制要求控制脉宽必须当拍计算当拍输出，否则会破坏了控制特性影响 整个系统的稳定性。由于采样和计算延时，要做到当拍计算当拍输出必然使输出脉 冲的占空比下降，这样降低了输入直流电压的利用率。无差拍控制的控制参数受直 流电压、输出滤波器参数以及负载性质的影响，只要它们当中的任意一个发生变化， 控制参数就得作相应的调整，因此，由无差拍控制的系统鲁棒性很差。当系统参数 出现较大波动和系统模型建立不准确，系统将出现很强的振荡。 2 5 3 重复控制 重复控制是一种能够消除稳定闭环内所有周期性误差的控制策略，其基本思想 来源于控制理论中的内模原理。由于内模原理是把作用于系统外部信号的数学模型 植入控制器以构成高精度反馈控制，使该系统输出就能够无静差地跟踪参考输出信 号。重复控制方法具有良好的稳态输出特性和一定的鲁棒性。 逆变器采用重复控制的目的是为了消除非线性整流负载所引起的输出电压波形 周期性的畸变。重复控制虽然可以保证输出电压波形精确跟踪给定波形，其控制指 令不是立即输出，而是滞后一个参考周期才输出。这使其动态响应速度变慢，严重 影响了控制系统的动态性。因此，在重复控制系统设计中，如何解决好重复控制动 态响应速度慢是一个关键问题。 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 2 。5 4 模糊控制 模糊控制属于智能控制的范畴。与传统的控制方式相比，智能控制最大的优点 是不依赖控制对象的精确数学模型。模糊控制是从模仿人的思维特性入手，模仿人 的模糊处理能力，具有很强的鲁棒性和自适应性，比较适合于复杂的非线性系统。 模糊控制由3 个基本部分组成：即模糊化、模糊决策和精确化计算。其工作过程可 描述如下：首先将信息模糊化，然后经模糊推理规则得到模糊控制输出，最后将模 糊指令进行精确化计算后输出控制量。模糊控制不需要知道输入输出间的数学依赖 关系，给定一个输入，便可以根据模糊控制规则表得到一个合适的输出，控制算法 简单，计算时间较少。 2 5 5 滑模变结构控制 滑模变结构控制是一种非线性控制，其控制的特点是具有非连续控制的特性， 它使系统在一定条件下沿着规定的轨迹做高频率、小振幅的上下运动。具有对参数 变化及外部干扰的不敏感性，较强的鲁棒性等显著优点。基于微处理器的离散滑模 变结构控制，使逆变器输出波形有较好的暂态响应，但系统的稳态性能较差。具有 前馈控制的离散滑模控制系统，暂态性能和稳态精度都能得到提高。但是，当过载 时，这加重了滑模变结构控制器的负担。利用自矫f 离散滑模变结构控制可以很好 地解决这个问题。快速性和强鲁棒性是滑模变结构控制的突出优点，但控制系统稳 态性能较差，控制效果受采样率的影响。 2 5 6 神经元网络控制 神经元网络控制是模拟人脑神经中枢系统活动的一种控制方式。神经网络的优 点是具有并行计算能力，非线性映射能力和较强的鲁棒性，已在控制领域广泛的应 用，特别是在非线性系统领域。随着神经网络控制芯片的问世，研究人员正在研究 神经网络控制在逆变电源中的应用，目前在神经网络结构的设计、学习算法等方面 己取得了一定进展。但是由于目前硬件系统的限制，神经网络控制还不能实现对逆 变器输出电压波形进行实时在线控制，大多数应用都是采用离线学习方法来获得优 化的控制规律。 逆变器的控制方法种类比较多，不同的控制方法都有各自的独特优点及适用场 合，同时也存在各自的不足之处。因此将各种控制策略取长补短、组合成性能更加 优良的复合控制方案，将是设计逆变电源控制系统的一种必然趋势。 ： 3 逆变器系统的设计 3 1 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 简介 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 又称数字信号处理，是利用计算机以数字 12 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字控制的逆变器试验研究 的形式对信号进行采集、转换、过滤、评估、识别等处理，以得到符合所需的信号 形式。 由于d s p 具有丰富的硬件资源、高速的处理能力、并行结构的改进、强大的指 令系统和令人满意的性价比己经广泛应用在航空、航天、通信、工业控制及家用电 器等领域。d s p 具有如下特点： ( 1 ) 、采用了改进型哈佛结构，具有独立的数据总线和程序总线，同时可访问 指令空间和数据空间，允许数据在数据存储器和程序存储器之间传输。高速度的操 作“并行性”，在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法。 ( 2 ) 、支持流水操作，使取指、译码和执行等操作可并行执行。 ( 3 ) 、具有高性能的运算器和专用的硬件乘法器及累加器。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 13 内部结构工作框图如图5 所示o t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 共有1 4 4 个引脚，硬件资源极其丰富，其中包括： ( 1 ) 、由于采用高性能静态c m o s 技术，供电电压仅为3 3 v ，减小了控制器的 功耗。高达4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期更短，极大提高了实时控制能力。 ( 2 ) 、含有事件管理器a 和事件管理器b 两个模块。每个事件管理器又包括两 个1 6 位通用定时器、可编程的脉宽调制死区控制、8 个脉宽调制通道、3 个捕获单 元、1 6 通道的模数转换电路。可编程的脉宽调制死区控制以防止上下桥臂同时输 出触发脉冲。 ( 3 ) 、含有高达3 2 k b 的闪速程序存储器，1 5 k b 的数据程序随机存储器，2 k b 的单口随机存储器和5 4 4 k b 的双口随机存储器。 ( 4 ) 、可扩展的寻址空间、外部存储器总共1 9 2 k b 空间：其中包括6 4 k b 程序 存储器空间、6 4 k b 输入输出口寻址空间和6 4 k b 数据存储器空间。 ( 5 ) 、有5 个外部中断。 ( 6 ) 、有1 0 位模数转换器，可选择由两个事件管理器来触发一个1 6 通道输入 的模数转换器或两个8 通道输入模数转换器。 ( 7 ) 、含有控制器局域网络模块、实现半双工或全双工串行通信的接口模块、 1 6 位的串行外设接口模块。 ( 8 ) 、含有可单独编程或复用的通用i o 引脚共4 0 个。 ( 9 ) 、含有基于锁相环的时钟发生器。 ( 1 0 ) 、含有一个看门狗模块含。 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 3 逆变器控 图5t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 结构图 在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 中，模数转换自动排序，转换时间仅需5 0 0 n s 。在数字信 号处理中的模数转换模块由外部电路提供基准电压，通过将肌d 和连接到 幅值不超过模拟供电电源的基准上。模数转换模块供电电源为3 3 v ，引脚。和 分别接到3 3 v 直流电和模拟地上。模数转换的l o 位数字结果由下面等式近似 得出： 数字量= 10 2 3x 笔瓣 浯， 3 2 逆变器系统的总体结构及工作原理 正弦逆变器总体系统结构原理框图如图6 所示。 1 4 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字控制的逆变器试验研究 图6 逆变器总体系统结构原理框图 在图6 系统的结构中，主要由d s p 、逆变电路、驱动电路、工频变压器、无源 滤波器、电压反馈电路及保护电路等环节所构成。其工作原理：由主电路功率变换 输出的电量经采样电路，送入t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片经过模数转换后变成数字量存 于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的寄存器内。逆变器外部给定量经模数转换后也存于 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 中，给定量与反馈量比较得到的偏差在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 内部完成比 较积分计算，通过数字输入输出口输出占空比连续可调的脉宽调制脉冲，然后送 入驱动电路，驱动功率m o s f e t ，以达到控制目的。外围功能包括过电压、欠电压、 过电流等动作保护等。 3 3 工频变压器的设计及功率开关的选择 主电路如图7 所示。 d c2 4 v 图7 单相全桥逆变器主电路 3 3 1 变压器次级功率计算 根据变压器的输出功率8 0 0 w ，考虑1 2 倍的裕量，得 2 2 0 v 5 0 h z 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 5 p ：= 1 2 p 。= 1 2 8 0 0 = 9 6 0 w( 3 - 1 ) 3 3 2 铁芯参数计算 根据变压器钔的次级功率、电源频率、以及选用的铁芯材料，从曲线图中查得 磁感应强度b _ 为2 0 0 0 高斯。导线的电流密度j 取1 5 a r a m 2 。铁芯的占空系数k 。取 o 9 。铜线在铁芯窗口中的占空系数k 。取0 3 。变压器效率根据变压器次级功率的大 小从曲线中求得，为0 9 6 。将这些参数代入公式得 s 。s 。= p ：( 1 + r 1 ) 1 0 6 ( 4 4 4 f b m j k 。k 。t 1 ) = 9 6 0 1 9 6 1 0 6 4 4 4 x 2 1 0 4 x 2 0 0 0 1 5 0 9 0 3 0 9 6 = 3 4 0 6 a m l ( 3 - 2 ) 选用的规格n 2 1 如下表： l 铁芯规格s c ( c m2 )s o ( a m2 )s c s o ( c i i l4 )g ( k g )l c t ( c m ) f o x ( c i t l2 ) l l l 2 0 x2 041 04 00 4 6 217 1 42 4 0 为了确保输出电压的波形质量，防止输出波形的顶部出现平顶失真，应满足 u f n 2 n 1 面o = 3 11 v ( 3 3 ) i 又u e 2 l = 3 8 0 v , 则瓦n 2 = 7 9 3 ( 3 4 ) 选用d ：7 9 m 聊的硅钢铁心， 截面积为d 厂：7 9 7 9 ：3 1 6 c m 2 ， 窗口面积 s 。= 0 5 d 1 5 d = 4 7 c m 2 。实际铁心截面积为s = 3 1 6 x o 9 = 2 8 6 c m 2 。 4 0 0 7 二二 l = 百u i r a i n t o n l o s ：i 业：4 0 8 ( 3 5 ) 1 嬲2 1 2 0 0 0 x2 8 6 3 3 4 功率开关参数的选择 从器件的电流等级和电压等级两个方面来选择功率m o s f e t 。 根据流过它的最大峰值电流来确定器件的电流等级。系统过载系数为1 5 ，电 流峰值，：! ! ；! ：! 堡生： 、互x 1 5 x 8 0 0 里；6 1 1 6 彳 u dn i 2 2 04 1 考虑到反向恢复尖峰电流，电流纹波的影响，选m o s f e t 的电流额定电流为1 3 0 a 。 16 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字控制的逆变器试验研究 考虑电压尖峰影响，器件的电压等级，实际所承受的最高电压的大小与吸收电 压尖峰的能力有关，这里的逆变器最高直流输入电压为2 6 4 v ，选用耐压等级为9 0 v 的m o s f e t 。 3 4 驱动电路设计 逆变电路功率开关器件的驱动是逆变器电路与控制电路之间的接口，是逆变器 系统的重要环节，对整个系统的性能有很大的影响。采用性能优良的驱动电路，可 使功率开关器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对系统 的运行效率，可靠性都有重要的意义。 ( 1 ) 功率m o s f e t n 3 3 对驱动电路的基本要求 功率m o s f e t 是电压控制型器件，栅极输入阻抗很高，一般在1 0 9 范围内。输入 阻抗基本是纯电容性的，静态时几乎不需要输入电流，在丌通和关断过程中仍需要 一定的驱动电流来给栅极输入电容充放电。驱动功率很小，故驱动电路比较简单。 它对驱动电路的基本要求： ( 1 ) 、为了确保功率m o s f e t 的开通或关断，驱动电压幅值要大于或小于其开启 电压，而且驱动电压幅值越大，开关时间也越快。 ( 2 ) 、为了减小通态损耗和提高效率，驱动电压的幅值要尽可能大，但不能超 过极限电压。 ( 3 ) 、为了加快功率m o s f e t 的通断，就要减小输入电容的充、放电时间。 ( 4 ) 、功率m s o f e t 工作在高频时，为了防止振荡，应尽可能缩短栅极引线，同 时靠近栅极处串联一个小电阻。 ( 5 ) 、功率m o s f e t 在关断状态一般不用在栅源极之间加反向电压，但是要在栅 源极并联一支的电阻，以提高功率m o s f e t 的耐压、孚耐量和抗干抗能力。必要时 d t 还要在栅、源极之间并接一个双向稳压管。 ( 2 ) 驱动电路的类型 ： 功率m o s f e t 的栅极驱动电路按其结构形式可分由分立元件构成的驱动电路和 专用集成驱动电路。分立元件驱动电路主要有t t l 型驱动电路、c m o s 型驱