（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的高频链逆变器的研究.pdf

摘要 当今，高功率密度和高效率是现代电力电子功率变换器不断追求的目标， 高频化技术是使逆交器向轻型化、小型化方向发展的根本技术。 论文主要研究了以桥式周波变换器作为主电路拓扑、d s p 作为主控制芯片 的高频链逆变器。详细阐述了移相s p w p m 调制原理和控制方法，介绍了其硬件 电路设计，并对软件编程的主要算法进行了部分说明。 论文首先介绍了国内外高频链逆变技术的发展现状和应用前景，在对高频 链逆变技术的典型拓扑结构进行说明与比较的基础上，选用了“d c ( 低压) a c ( 低压高频s p w p m 脉冲) a c ( 高压工频正弦波) ”主电路拓扑结构设计方案， 使得整个逆变器只有两级功率变换，结构简单，输出工频正弦电压谐波含量少。 在控制电路方面，以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为主控芯片，在全比较单元输出s p w p m 波驱动高频逆变器部分，实现了逆变环节的软开关技术。周波变换器的开关管 驱动信号为与载波同频率的方波信号、输出滤波器电感电流过零信号、输出电 压过零信号的逻辑组合信号，使得周波变换器能够根据负载的不同特性而工作 在低频或高频状态，降低了开关损耗。 为使逆变器达到较好的动静态特性，本文采用了电压瞬时值反馈的闭环控 制方式，设计了数字p i d 调节器，保证了系统具有较快的动态响应速度，并使 逆变输出稳定的正弦波。同时对相关保护电路进行了具体说明。 最后，在p s i m 环境下建立了仿真模型，给出了仿真实验波形，并对实验波 形进行了分析，验证了控制方案的正确性和可行性。 关键词：高频链，s p w p m ，d s p ，数字p i d 调节器 西南交通大学研究生硕士学位论文第1 | 页 a b s t r a c t n o w a d a y s ，h i g hp o w e rd e n s i t ya n dh i g he f f i c i e n c yh a v ea l w a y sb e e nt h eg o a lt o p u r s u ei n t h ef i e l do fm o d e r ne l e c t r i c p o w e rc o n v e r t e r s h i g h - f r e q u e n c yl i n k t e c h n o l o g yi st h eb a s i ct e c h n o l o g yf o rt h el i g h ta n dm i n i t y p ed e v e l o p m e n to ft h e i n v e r t e r t h i s p a p e rf o c u s e s o nah i g h f r e q u e n c yi j n ki n v e r t e rw i t h f u l l - b r i d g e l n v e r t e r - e y c l o c o n v e r t e ra si t sm a i nc i r c u i tt o p o l o g ya n dd s pa si t sc o r ec o n t r o l l e r t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so ft h es i n u s o i d a lp u l s ew i d t hp h a s em o d u l a t i o nc o n t r o l s t r a t e g ya n dt h ec o n t r o lm e t h o di sd e s c r i b e di nd e t a i l t h ep a p e re l a b o r a t e st h e h a r d w a r ed e s i g na n di l l u s t r a t e st h em a i ns o f t w a r ea l g o r i t h mf o rt h ei n v e r t e r t h ep a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hw o r kt h a th a sb e e nd o n eh o m ea n da b r o a d t h eh i g h f r e q u e n c yl i n ki n v e r t e ra n dt h ep r o s p e c to fa p p l i c a t i o n b a s e do i lt h e c o m p a r ew i t h t h er e p r e s e n t a t i v et o p o l o g y , t h em a i n s c h e m eo ft h ei n v e r t e r d i s c u s s e di nt h ep a p e ri sd c ( 1 0 wv o l t a g e ) a c ( 1 0 wv o l t a g eh i g hf r e q u e n c ys p w p m p u l s e ) a c ( h i g hv o l t a g ea n dl o wf r e q u e n c ys i n ew a v e ) t h es c h e m ee n a b l e st h e i n v e r t e rt oh a v eo n l yt w ol e v e l so fp o w e rc o n v e r s i o na n do f f e r sas i m p l es t r u c t u r e a n df e wh a r m o n i o u sw a v e si nt h eo u t p u t i nt h ec o n t r o lc i r c u i tu n i t 。t 1 i et m s 3 2 0 u 陀4 i ) 7i su s e d 勰t h em a i nc o n t r o lu n i t t h es p w p m ( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t h p h a s em o d u l a t i o n ) c o n t r o ls t r a t e g ya n dt h e o u t p u to ft h es p w p m w a v eg e n e r a t e db yi t sc o m p a r eu n i ti sd i s c u s s e d t h ed r i v e s i g n a lo ft h em o s f e ti nt h ec y c l o c o n v e r t e ri st h el o g i cc i r c u i tc o m b i n a t i o no ft h e o u t p u tv o l t a g es i g n a l ，t h eo u t p u tc u r r e n ts i g n a la n dt h er e c t a n g u l a rw a v ew i t ht h e s a m ef r e q u e n c ya st h ec u r r i e rw a v e 。i tm a k et h ec y c l o c o n v e r t e rc a l lw o r ka tt h el o w o rh i g hf r e q u e n c ya c c o r d i n gt ot h el o a dc h a r a c t e r t oa c h i e v eag o o dp e r f o r m a n c eb o t hs t a t i c a l l ya n dd y n a m i c a l l y , c l o s e dl o o p c o n t r o lm e t h o dh a st ob ea p p l i e d t h ep a p e ru s e sc l o s e l o o pc o n t r o lm e t h o db a s e do n i n s t a n t a n e o u sv o l t a g ef e e d b a c k , a n de n a b l e st h ei n v e r t e rt op r o d u c es t e a d ys i n u s o i d a l w a v e sb yt h ed i g i t a lp i da d j u s t e rd e s i g n e d t h ep r o t e c t i o nc i r c u i ti sa l s om e n t i o n e d i nt h ee n d ，t h ee m u l a t i o nr e s u l t so ft h eh i g l l - f r e q u e n c yl i n ki n v e r t e ra r ea l s o p r e s e n t e da n dd i s c u s s e di nt h ep a p e r k e yw o r d s ：h i g l l f r e q u e n c y u n l 【，s p w p m ，d s p , d i g i t a lp i da d j u s t e r 西南交通大学研究生硕士学位论文第1 页 1 1 课题的背景 第1 章绪论 随着石油、煤和天然气等主要能源的日益紧张，新能源的开发和利用越来 越受到人们的重视。利用新能源的关键技术一逆变技术能将蓄电池、太阳能和 燃料电池等其它新能源转换的电能变换成为交流电能与电网并网发电。因此， 逆变技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。 当今，逆变技术正朝着高功率密度、高变换效率、高可靠性、无污染、智 能化的方向发展，在以直流发电机、蓄电池、太阳能电池和燃料电池为主直流 电源的场合、以变频和恒频交流电为主交流电源且采用交一直一交变换方案的 场合、不间断电源中的核心环节部分以及交流电机调速系统的核心环节等场合， 具有及其广泛的应用前景。 在传统的逆变电源中( 电路结构如图1 - 1 ) ，由于大部分采用的都是逆变器 一工频变压器一滤波器的结构，使得整个逆变电源又大又笨重，效率低，噪音 大，可靠性差。另外，由于多采用阶梯波甚至是方波的方法来近似正弦波，谐 波含量大，波形畸变严重，与要求的优质正弦波相差甚远。难以满足人们对现 代电源高功率密度、高效率、高可靠性、小型轻量化的要求，而且由于制造工 频逆变器需消耗大量的铁和铜，使得整个逆变电源的造价很高。 = 冈网冈竺=一逆变l 一低频变压器l 一滤波l _ 呻 图1 - 1 传统低频逆变电路结构 随着电力电子技术的迅猛发展，新的电子元器件、新的电磁材料、新的变 换技术、新的控制理论和新的软件不断出现，使得高效率、高功率密度、高质 量输出成为包括逆变器在内的各种功率变换器不断追求的目标，同时也使这一 目标的实现成为可能。 在很多设备中，变压器和滤波电感在很大程度上决定了其体积和重量，而 变压器的重量体积和其传输的功率、工作频率是密切相关的。其关系式为： 西南交通大学研究生硕士学位论文第2 页 ( i - i ) 其中：u 一绕组电压( v ) ； k 一波形系数( 正弦波为4 4 4 ，方波为4 ) ； f 一变压器工作频率( h z ) ； n 一绕组线圈匝数； s 一变压器铁心有限横截面积( m 2 ) ； 巩一铁芯工作最大磁通密度( t ) 。 即：n s 兰二( i - 2 ) l 【b 。t 由上式可知，当u 、k 、占i 都不变时，n s 与f 成反比。因此，在功率变换 电路中，在确定u 、k 、曰。之后，如果能将变压器绕组中所加电压的频率大幅度 提高，则变压器绕组匝数和有效横截面积之积就会显著减少。变压器的重量体 积都将大大减少。由此可见，高频化技术是使逆变器向轻型化、小型化方向发 展的根本技术。 1 2 国内外研究现状 逆变技术的种类繁多，从不同角度来看高频链逆变器，就可以有不同的划 分形式。大致可按照交流输出能量的去向、功率流动的方向、功率变换的多少、 输入直流电源的性质、输出与输入的电气隔离、功率电路的拓扑结构、组成功 率电路的器件、中空比的控制方式、控制技术、输出交流电压的电平、输出交 流电压的波形、输出交流电的相数、输出交流电的频率以及功率开关的工作方 式等方面，分类如下： 西南交通大学研究生硕士学位论文第3 页 逆变技术 按电流输出能量的去向 喜豢薹萋 按功率流动的方向 姜昌薹萋 按功率变换的多少 茹徽 按输入直流电源的性质 詈篆鋈耋萎 按输出与输入电气隔离 按功率电路的拓扑结构 按组成功率电路的器件 f 非隔离型逆变 j 低频环节逆变 l 高频环节逆变 f 推挽式逆变 半桥式逆变 l 全桥式逆变 r s c r 逆变 l g t r 逆变 l g t o 逆变 j m o s f e t 逆变 l i g b t 逆变 i i g c t 逆变 l 混合器件逆变 按占空比的控制方式 墓嘉雾 l ：鋈萋 按控制技术 霎掣薹器薹萋 按输出交流电压的电平 按输出交流电压的波形 按输出交流电的相数 按输出交流电的频率 按功率开关的工作方式 r 二电平逆变 l 多电平逆变 f 正弦波逆变 1 非正弦波逆变 r 单相逆变 j 三相逆变 i 多相逆变 r 工频逆变 j 中频逆变 l 高频逆变 r 硬开关逆变 l 软开关逆变 西南交通大学研究生硕士学位论文第4 页 按照交流用电负载在输入直流电源的电气隔离元件的工作频率，逆变技术 可分为低频环节和高频环节两大类。下面以此划分论述逆变技术的发展与现状。 1 2 1 低频环节逆变技术 方波、阶梯波合成、脉宽调制三种逆变器的共同点是，用来实现电气隔离 和调整电压比的变压器工作频率等于输出电压频率，其体积和重量大、音频噪 声也大，故称为低频环节逆变器。具体电路结构如图1 - 2 所示。该电路结构由 逆变器、工频变压器以及输入、输出滤波器构成。 输入滤波器逆变器工频变压器 输出滤波 图1 - 2 低频电路逆变环节结构 1 2 2 高频环节逆变技术 为了克服传统逆变器的缺点，m r m e s p e l a g e 于1 9 7 7 年提出了可变高频环节 逆变技术新概念一利用高频开关技术使隔离耦合变压器实现高频化、小型化、 无噪音化的技术。用高频变压器替代低频环节逆变器中的工频变压器，克服了 低频环节逆变技术的缺点，显著提高了逆变器特性。因此，该技术引起了人们 极大的研究兴趣，成为国内外争相研究的热点。 所谓高频链逆变技术就是采用高频脉冲变压器替代低频变压器传输能量，并 实现变流装置的一、二次侧电源之间的电气隔离。与常规逆变技术最大的不同 在于利用高频变压器实现了输入与输出的电气隔离，减小了变压器的体积和重 量。 按照功率的传输方向，高频链逆变器可分为单向型和双向型。 1 2 2 1 单向型高频链逆变器 单向型高频链逆变器拓扑如图1 - 3 所示。主要由输入滤波器、高频逆变环 西南交通大学研究生硕士学位论文第5 页 节、高频变压器、整流环节、直流滤波环节、低频逆变环节和输出滤波电路组 成。 输入滤波器高频逆变高频变压器整流直流滤波低颡逆变糖出滤波 图1 - 3 单向高频链逆变器 单向型高频链逆变器具有单向功率流、三级变换( d c h f a c d c l f a c ) 、 系统复杂、可靠性差等特点。 1 2 2 2 双向型高频链逆变器 双向型高频链逆交器如图1 - 4 所示。由输入滤波器、高频逆变环节、高频 变压器、周波变换器、输出滤波环节组成。具有双向功率流、两级功率变换 ( d c h f a c l f a c ) 、变换效率和可靠性高等特点。 辅 霭捩器而期理受两觏至压器周藏燹最嚣鬻出撼授 图卜4 双向型高频链逆变器 国外高频链技术发展较早，日本在此方面技术较为领先。早在上个世纪7 0 年代末8 0 年代初，日本日立公司就研制成功了1 千瓦的高频链u p s ，开关频率达 2 0 k h z ，省去了传统u p s 的笨重工频变压器和滤波器，实现了逆变器的小型化。 但控制电路采用的仍然是模拟电路方法，开关技术主要是硬开关，电压应力较 高，损耗较大。此后在逆变电路拓扑、软开关技术等的研究上，研究人员做了 大量卓有成效的工作。由于高频链正弦逆变技术的复杂性，使用模拟控制电路 的方法有较大的局限性：电路拓扑复杂、控制不够灵活、可靠性也不高，系统 参数依赖性强，可移植性差。9 0 年代中后期，随着微处理器技术的迅猛发展， 数字化技术不断提高，使用高性能高集成度的数字电路研制新一代功率变换器 西南交通大学研究生硕士学位论文第6 页 已经成为可能。日本n t t 集成信息能源系统实验室以d s p 为核心控制器，采用 移相控制方法，利用d s p 的高速计算能力实时输出8 路驱动信号，消除了开关 电压尖峰，省去了吸收电路。但是没有使用d s p 强大的p 州外设，使得驱动计 算过于复杂，加重了c p u 负担，限制了开关频率的提高( 其开关频率仅为2 l ( h z ) 。 国内关于高频链功率变换技术的研究还处在起步阶段。主要是处于电路拓 扑，控制技术等的仿真阶段，仅有少数用于试验验证其理论研究的样机出现， 对高频链逆变器的数字化技术也还是刚处在起步阶段，还有用单片机、专用集 成芯片产生s p 雕正弦波，以改善输出波形，但本质还是工频变换，而不是高频 链技术。1 9 9 9 年，浙江大学研制成了基于f l y b a c k 反激变换器原理的2 5 0 w 高频 链逆变器，实现了功率双向流动。但由于反激变换器的自身缺陷，使得这种拓 扑很难提供大功率的输出。 高频链转换器是一种灵活多变的拓扑结构，其共同特点是电路结构形式紧 凑，功率密度和效率高，响应速度快。另外，系统可以工作在2 0 k h z 以上，无 音频噪音，滤波相对容易，并且功率可达k w 级以上。因此，无论在恒压恒频( c v c f ) 领域，还是在调频调压( v v v f ) 领域都有很大实用价值，它是未来继续研究发 展的一个重要课题。 1 3 课题的研究内容、拟解决的关键问题 该逆变系统的基本结构包括主逆变电路、控制电路、驱动电路、保护电路 和辅助电路等。其系统框图如图卜5 所示。其中逆变电路和控制电路最为重要。 逆变电路又叫逆变开关电路，是逆变系统的核心，通过电力电子器件的开通和 关断完成系统的逆变功能。产生和调节驱动脉冲的电路通常称为控制电路。 图卜5 系统框图 堕塑銮些奎兰堡塞竺塑主兰竺堡茎 兰! 里 在查阅大量国内外参考资料后，经综合考虑，确定采取全桥一全波双向电压 源高频链逆变拓扑，结构图如图i - 6 所示。并以d s p 作为主控芯片。 圈l - 6 主电路结构 其主要由高频逆变器、高频变压器和周波变换器三部分组成。高频逆变器 实现的是高频逆变，其输出为高频交流脉冲电压，高频逆变器可以显著减小变 压器的通态损耗和系统的复杂性，提高了系统的效率和可靠性，而且功率可以 实现双向流动。 在控制策略上，目前应用广泛的正弦脉冲脉位调制( s p w p m ) 技术，前级高 频逆变器采用移相s p 咖技术，后级周波变换器采用同步开关方案，但是前级逆 变器开关管不可能实现所有情况下的z v s ，并且由于变压器副边漏感影响，周波 变换器换流时存在电压过冲。本设计中采用的是一种全数字化混合式正弦脉冲 脉位调制( h y b r i ds i n u s o i d a l p u l s ew i d t hp h a s em o d u l a t i o n ) 控制策略， 所谓全数字化就是不再依赖现有的p 删模拟芯片而采用数字控制，方法简单。 混合控制就是周波变换器开关管的驱动脉冲为低频和高频脉冲的混合，逆变能 量可以双向流动，在保留现有控制策略的优点的基础上，可以极大地减小周波 变换器地开关损耗，提高逆变器的变换效率和可靠性。 具体地，高频逆变桥部分采用双调制波调制，传递的是高频s p 删脉冲波； 该电压经高频变压器后，送至周波变换器整流成低频交流信号，周波变换器的 驱动脉冲是输出电压极性、滤波电感电流极性和与载波同频率的矩形脉冲波( 占 空比0 5 ) 经逻辑处理后得到的。 在控制对象上，本设计采用电压瞬时值反馈控制，输出电压反馈经精密整 流电路后，送至d s p 与软件设定的电压基准进行比较，得到的电压偏差( 即误 西南交通大学研究生硕士学位论文第8 页 差信号) ，经数字p i d 调节后输出，与三角载波进行比较获得驱动脉冲，经d s p 的p w m 口输出后送至i r 2 1 1 0 ，其输出驱动高频逆变环节四个开关管，与载波同 频率的高频方波经滤波电容电压极性、滤波电感电流极性经逻辑门进行逻辑运 算后，通过推挽电路驱动周波变换器四个开关管。 本论文研究的技术难点包括以下几个方面： ( 1 ) 高频变压器的设计。高频变压器是整机设计中重要的一环，设计的好 坏对整机的性能有很大的影响。理论计算出的设计参数还需要通过实验不断修 正以确定最佳参数。 ( 2 ) 高频逆变器的移相s p w p m 驱动脉冲的实现。正确的产生高频s p w p m 脉 冲是高频链逆变器成功的关键。传统p w m 驱动脉冲靠正弦参考波和三角载波比 较产生，需要搭建相应的硬件电路。本设计中利用d s p 的强大功能，采用数字 控制方法，软件生成驱动脉冲波形，精度更高，稳定性能更好。 ( 3 ) 功率的双向流动。当系统负载为感性和容性时，有能量反馈的过程。 因此，本设计中通过采集负载电流和电压极性，并作为逻辑信号与d s p 发出的 四路信号进行逻辑运算后，来控制周波变换器四路开关管的工作，不仅实现了 功率的双向传输，还可根据负载特性使周波变换器开关管工作在高频和低频两 种状态，降低了开关管损耗。 西南交通大学研究生硕士学位论文第9 页 2 1 系统构成 第2 章系统构成与工作原理 全桥一全波型高频链逆变器的逆变方案为“d c ( 低压) a c ( 低压高频脉冲) c ( 高压工频正弦波) ”，共两级功率变换环节。包括功率主电路和控制电路两 大部分。功率主电路拓扑如图2 - 1 所示。 ：璀一| 拦”，肖 冉一i 瓣 图2 - i 功率主电路 主要包括： 1 ) 直流电压输入：为系统提供低压d c 输入。 2 ) 逆变桥：实现d c a c 转换，通过控制四个开关管的高频切换，将直流电 压逆变成高频s p 踟脉冲。 3 ) 高频链变压器：将低压高频的s p w m 波形升压至所需的电压幅值。 4 ) 周波变换器：实现a c ( 高频) a c ( 低频) 变换，通过控制开关管驱动 脉冲，将高频脉冲整流成工频脉冲波。 5 ) 输出滤波器：将得到的工频脉冲波进行滤波，得到标准的正弦波。 控制电路则主要包括： 1 ) d s p 控制电路：实现逆变器的输出电流、输出电压检测、s p v p m 开关控 制信号、数字p i d 调节器、a d 采集及保护脉冲信号等。 2 ) 开关管驱动电路：将经d s p 输出的p 吣信号进行功率放大驱动8 个开关 管。 4 ) 采集电路：实现控制信号、检测信号的采集，供d s p 采集和计算。 西南交通大学研究生硕士学位论文第1 0 页 2 2 工作原理 2 2 1 正弦脉宽调制( s p w m ) 原理1 1 田 脉宽调制逆变技术，包括可调脉宽调制逆变技术( 多脉宽调制、正弦脉宽 调制) 、固定脉宽调制逆变技术( 改进型正弦脉宽调制、直接确定开关角消除谐 波) 、可调脉宽消除谐波逆变技术和关联指令分区脉宽调制逆变技术。结合本设 计所采用的控制方法，在这里，主要阐述正弦脉宽调制的原理。 所谓正弦脉宽调制即是调制波的脉宽随正弦波幅值变化，其t h d 和低次谐 波将大大减小，输出滤波器体积和重量也明显减小。由于其谐波消除效果好， 因而应用广泛，是用功率开关器件产生数字正弦波的较好方法。根据输出滤波 器的前端电压s 刚波形的极性，正弦脉宽调制可分为单级性和双极性调制两种。 2 2 1 1 单极性正弦波调制 用幅值为u ，的参考正弦波u ，与幅值为u 。、频率为，c 的三角波u 。比较，产 生功率开关驱动信号。单级性正弦脉宽调制原理波形如图2 - 2 所示。 孤胛瓢f 辩 o 的半个周期为例，其稳态原理波形如图2 - 1 0 所示。 l l f 2 l u 柚 s ，l e 二二二 ， s - 1e ： 图2 1 0 一个输出周期内稳态波形 ( i ) t = t 0 f 1 ：电流l 经五、五( 珥。) 流通，实际电流方向与图中所标 注的方向相反；原边绕组电压= 0 ；电感电流f 经马、瓦流通；滤波器前 靠n 旧 乃 乃 n n & 如 0 西南交通大学研究生硕士学位论文第2 1 页 端电压u 月- - - - 0 ；如图2 1 1 ( a ) 所示。 瑟替 图2 - 1 1 ( a ) 工作原理( f o f l 期间) ( 2 ) t 2 f l f 2 ：f 1 时刻，l 零电压关断，经d 、正流通，实际电流方向 与图中所标注的方向相反；原边绕组电压【k - - - - - 0 ；电感电流t 经弓、瓦流通； 滤波器前端电压c k = o ，如图2 1 1 ( b ) 所示。 图2 - 1 1 ( c ) 工作原理( f 2 岛) ( 4 ) t 2 岛：f 3 时刻，五零电压关断，经e 、d r ，流通，= 0 ； 经弓、瓦流通，滤波器前端电压( ，。= o ，如图2 - 1 1 ( d ) 所示。 西南交通大学研究生硕士学位论文第2 2 页 璐缔 图2 - 1 1 ( d ) 工作原理( 岛f 4 期间) ( 5 ) t 2 f 4 岛：f 4 时刻，正零电压开通：经疋、互( 岛。) 流通，= ；屯经五、毛流通，滤波器前端电压= u 舾= 。如图2 - 1 1 ( e ) 所示。 瑟擗 图2 - 1 1 ( e ) 工作原理( f 4 岛期间) ( 6 ) t 2 f 6 ：如时刻，经正、五( 岛：) 流通，- - - - 0 ；五经互、瓦流 通，滤波器前端电压u 。= 0 ，如图2 1 l ( f ) 所示。 瑟j l 图2 - 1 1 ( f ) 工作原理( 岛f 6 期间) ( 7 ) t = t 。0 ：k 时刻，五零电压关断，i l 经正、珥2 流通，= 0 ；屯经 弓、瓦流通，滤波器前端电压u m = o ，如图2 1 l ( g ) 所示。 西南交通大学研究生硕士学位论文第2 3 页 图2 - 1 1 ( g ) 工作原理( f 6 岛期间) ( 8 ) t = t 7 t 8 ：t 7 时刻，矗全电压开通，经五、五流通，= ；屯经 弓、瓦流通，滤波器前端电压。2 u m 。如图2 - 1 1 ( h ) f 矫。 图2 - 1 1 ( h ) 工作原理( t 7 期间) ( 9 ) t = t s 岛：时刻，互零电压关断；g ，端电压快速从零上升到【k 值， 变压器漏感释放能量使c r ，谐振放电，其端电压从值快速下降到零；上k 导 通续流，形成了巧的z v t 条件。经瓦、珥，流通，= o ；经五、瓦流通， 滤波器前端电压【厂。= 0 。如图2 一l l ( i ) 所示。 图2 - 1 1 ( i ) 工作原理( f b f 9 期问) ( 1 0 ) t = t 。：t 9 时刻，经死区时间后，l 零电压开通；电流换流，l 经 五( 珥，) 、l 流通，【，么2 0 ，变压器停止传输功率，t 经五、瓦流通，滤波器 西南交通大学研究生硕士学位论文第2 4 页 前端电压u 。= o ，滤波电感向负载释放能量。如图2 1 l ( j ) 所示。 图2 一1 1 ( j ) 工作原理( f l o 期间) ( 1 1 ) t 2 。：。时刻，经五、瓦( 岛。) 流通，周波变换器部分，毛 零电压关断，乃全电压开通；屯经弓、岛。流通，滤波器前端电压【，尼= o 。如图 2 1 l ( k ) 所示。 图2 - i i ( 1 ) 工作原理( f l ，f 1 2 期问) ( 1 3 ) t 2 f 1 2 k ；f 1 ：时刻，五零电压关断，c ，。端电压快速从零上升到c k 值；经五、d 流通，= 0 ；t 经弓、岛。流通。如图2 - 1 1 ( m ) 所示。 西南交通大学研究生硕士学位论文第2 5 页 瑟i 一 强_i l 1 il l l皆兮 2 3 1 闭环控制 现代逆变系统也是一种控制系统，通过调节一个或几个参考值来改变逆变 系统的输出。所谓开环系统就是没有反馈环节，无反馈控制，从输入到输出是 单一方向的，输入信号对输出控制，输出的变化对输入没有影响，开环系统其 干扰不能自动修正，当输出量在电源电压扰动或负载变化时不能保持稳定，控 制效果不够理想，几乎不能满足任何种逆变系统的实际要求，因此，现代逆 西南交通大学研究生硕士学位论文第2 6 页 变系统一般都是采用闭环控制系统。 闭环控制就是指将被控对象的全部或者部分输出量反馈到输入端与给定值 进行比较，偏差信号作用在控制器上，使系统的输出量趋向给定的数值，最后 消除偏差，从而对输出量进行调整。整个系统是被控量的反馈构成的闭合回路。 p w m 型逆变系统分为电压型p w m 控制系统和电流型p w m 控制系统两种。系统 框图如图2 - 1 2 所示。 ( a ) 电压型p - l 脏制系统结构框图 ( b ) 电流型p 删控制系统结构框图 图2 - 1 2 闭环逆变系统结构框图 电压型p w m 控制系统只以输出电压为反馈量，为单环系统，其控制较为简 单。电流型p w m 控制系统在电压型控制系统的基础上增加了电流内环，系统的 稳定性能、动态响应和稳定性上都有较大的提高。 一个自动控制系统要能很好地完成任务，首先必须工作稳定，同时还必须 满足调节过程的质量指标要求。即：系统的响应快慢、稳定性、最大偏差等。 很明显，自动控制系统总希望在稳定工作状态下，具有较高的控制质量，我们 希望持续时间短、超调量小、摆动次数少。为了保证系统的精度，就要求系统 有很高的放大系数，然而放大系数一高，又会造成系统不稳定，甚至系统产生 振荡。反之，只考虑调节过程的稳定性，又无法满足精度要求。因此，调节过 程中，系统稳定性与精度之间产生了矛盾。 如何解决这个矛盾，可以根据控制系统设计要求和实际情况，在控制系统 中插入“校正网络”，矛盾就可以得到较好解决。这种“校正网络”，有很多 西南交通大学研究生硕士学位论文第2 7 页 方法完成，其中就有p i d 方法。 2 3 2 数字p i d 调节器 2 3 2 1p i d 调节器原理 p i d 是比例、积分、微分的缩写。具体每部分功能介绍如下： 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差。比例调节 立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过 大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。当仅有比例控制时， 系统输出存在稳态误差( s t e a d y - s t a t ee r r o r ) 。 积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。在积分控制中，控制 器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。如果在进入稳态后存在稳态误差， 则称这个控制系统是由稳态误差的，或简称有差系统( s y s t e mw i t h s t e a d y s t a t ee r r o r ) 。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。 因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。 积分作用的强弱取决与积分时间常数五，王越小，积分作用就越强。反之t i 大则 积分作用弱。随着时间的增加，积分项会增大。这样，即使误差很小，积分项 也会随着时间的增大而增大，它推动控制器的输出增大，使稳态误差进一步减 小，直到为零。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常 与另两种调节规律结合，组成p i 调节器或p i d 调节器，使系统在进入稳态后无 稳态误差。 微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见 偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微 分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下， 可以减少超调，减少调节时间。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出 现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件( 环节) 或带有滞后( d e l a y ) 组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的方法是使 抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该为 零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，而需要增加“微 分项”，预测误差变化趋势，提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至负值，从 西南交通大学研究生硕士学位论文第2 8 页 而避免了被控量的严重超调。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微 分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时， 微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合， 组成p d 或p i d 控制器。 p i d 控制器由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三 个参数( k p ，k i 和k d ) 即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可 以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。 首先，p i d 应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其 简化可变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样p i d 就可控制了。 其次，p i d 参数较易整定。也就是，p i d 参数k 。，七；和屯可以根据过程的 动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系 统动态特性变化，p i d 参数就可以重新整定。 第三，p i d 控制器在实践中也不断的得到改进。在工厂，总是能看到许多回 路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些 不足，采用p i d 的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问 题的困扰。p i d 参数自整定就是为了处理p i d 参数整定这个问题而产生的。现 在，自动整定或自身整定的p i d 控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统 的一个标准。 在一些情况下针对特定的系统设计的p i d 控制器控制得很好，但它们仍存 在一些问题需要解决：如果自整定要以模型为基础，为了p i d 参数的重新整定 在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测 试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的p i d 参数自整定在工业应用不 是太好。 如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动 态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产 生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性 分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。 因此，许多自身整定参数的p i d 控制器经常工作在自动整定模式而不是连 续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动 计算p i d 参数。 西南交通大学研究生硕士学位论文第2 9 页 但仍不可否认p i d 也有其固有的缺点： p i d 在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作得 不是太好。最重要的是，如果p i d 控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数 都没用。 虽然有这些缺点，p i d 控制器是最简单的有时却是最好的控制器。 2 3 2 2 数字p i d 调节器的设计 p i d 经过多年的发展，性能不断提高，积累的经验也越来越多，在工业控制 中得到广泛的应用。微型计算机、微处理器在p i d 控制中的应用，又使p i d 控 制得到进一步的发展，出现了非线性p i d 控制算法、选择性p i d 控制算法和自 适应p i d 控制算法等等。所有这些算法都是在基本p i d 算法的基础上发展起来 的。 具体到本设计，由于采用d s p 为主控芯片实现整个高频链逆变器的数据采 集、计算和控制，因此，此处所讨论的逆变系统实际上是一个数字控制系统， 主电路为连续部分，d s p 主控电路为离散部分，a d 转换以及驱动电路则是连接 两者的桥梁。 数字控制系统的设计方法有模拟一离散设计法和直接数字设计法两种k 2 6 1 0 模拟一离散设计法认为采样频率足够高( 相对于系统的截止频率而言) ，以至于 采样保持器所引起的附加相移可以忽略不计，因此可以把系统中的离散部分用 连续环节来代替。整个系统完全用连续系统的设计方法来设计，待确定了校正 装置( 或控制器) 后，再用合适的离散化方法将连续的校正装置离散处理为数 字校正装置，以便于微处理器来实现。虽然这种方法是近似的，但由于设计简 单，应用十分广泛。直接数字设计法则是先把由保持器和被控对象组成的连续 部分离散化，使整个系统变成离散系统，然后根据采样理论对系统进行分析， 确定数字控制器并通过计算机或微处理器编程实现。 模拟一离散设计法容易掌握，要求采样周期足够小，一般只能实现简单的 算法。当采样周期较大( 例如控制回路数较多) 或者对控制质量要求较高时， 应采用直接数字设计法。本论文采样模拟一离散设计法来设计p i d 调节器。 理论和实践均证明，p i d 控制( 即：比例一积分一微分控制) 是一种很好的 方法。基本p i d 的算法是：调节器的输出u ( t ) 是三个分量之和，这三个分量分 西南交通大学研究生硕士学位论文第3 0 页 别与调节器的输入( 误差信号e ( t ) ) 成正比、与输入的积分成正比和与输入的 微分成正比。其输入e ( t ) 与输出u ( t ) 的关系为 “( t ) - k p + 瓤e 扣矽毛警】 ( 2 8 ) 其中： e ( t ) 一测量值与给定值之间的误差5 z 一积分时间常数 l 一微分时间常数 或者： h o ) i g e ( s ) + k 型+ g , s e ( s ) ( 2 9 ) 写成传递函数形式： c d s ) - 器- 耳+ 争+ 局s ( 2 q o ) 其中： 配一比例系数 k 一积分系数 一微分系数 u ( s ) 一为输出u ( t ) 的拉氏变换 e ( s ) 一为输入误差信号e ( t ) 的拉氏变换 采用不同的方法对g o o ) 离散化，可以得到很多种不同的数字p i d 调节器的 算法。下面简单介绍一下几种常见的数字p i d 控制的基本算法。 一、位置式数字p i d 控制算法 对式( 2 8 ) 进行离散化，令 p o ) _ “婴 ( 2 - 1 1 ) i e ( o e ) j c p o f r 善p ( f ) 一用求和代替积分( 2 - 1 2 ) 生掣e ( k ) - = e 一( k - 1 ) 一用后向差分代替微分 ( 2 1 3 ) 出r 式中： t 一采样周期，在上述离散化过程中，t 必须足够短，才能保证有足 够的精度： 西南交通大学研究生硕士学位论文第3 1 页 k 一采样序号。 将式( 2 - 1 2 ) 、( 2 - 1 3 ) 代入式( 2 8 ) ，得 “c 七，酢 e c 七，+ 号妻e c ，+ 等 e ( k ) - e ( k - d ， c z 一4 ， 式( 2 1 4 ) 就是位置式数字p i d 控制算式。 位置式p i d 控制系统框图如图2 - 1 3 所示。 图2 1 3 位置式p i d 控制系统框图 位置式数字p i d 控制适用于执行机构是调节阀的场合，调节器的输出u ( k ) 是全量输出，是执行机构所应达到的位置( 如阀门的开度) ，输出u ( k ) 跟过去的状 态有关，计算机的运算工作量大，需要对e ( k ) 作累加，而且，计算机的故障有可能 使u ( k ) 作大幅度的变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，而且有些场合可 能会造成严重的事故。 二、增量式算法 增量式p i d 是指数字控制器的输出只是控制量的增量血他) ，由式( 2 1 4 ) 可得： “( k - d 。耳 c 七一，+ 三薹e c ，+ 争k c 七一，一e c 七一2 ) 1 c z t s ， 所以， ( 七) - u ( k ) - u 0 - i ) 2 群 e ( ) 一e ( t 一1 ) + 詈e ( 七) + 争【8 ( 盘) 一2 e ( k 1 ) + e ( t 一2 ) 1 = k ，p ) 一e 一1 ) 】+ g , e ( k ) + k d e ) 一2 b 一1 ) + e - 2 ) 1 = s o e ( k ) + s , e ( k - 1 ) + s 尹( 七一2 ) ( 2 一1 6 ) 其中： x l k p ； k d k p 等 s q # k p 七k l 七k n s 1 一一( k p + 2 磊，d ) 西南交通大学研究生硕士学位论文 第3 2 页 s 2 一 式( 2 1 6 ) 即为增量式数字p i d 控制算式。 采用增量式算法时，计算机输出的控制量血征1 对应的是本次执行机构位置 的增量，而不是对应执行机构的实际位置，因此要求执行机构必须具有对控制 量增量的累积功能，才能完成对被控对象的控制操作。执行机构的累积功能可 以采用硬件的方法实现；也可以采用软件来实现，如利用算式程序化来完成。 位置式和增量式p i d 算法流程图如图2 1 4 所示。 ( a ) 位置式( b ) 增量式 图2 - 1 4p i d 算法流程图 与位置式算法相比，增量式算法有如下优点： ( 1 ) 计算误差对控制量影响小。增量式算法只需计算、存