（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的电力逆变器的研制.pdf

a b s t r a c t t h i sp a p e rd e a l sw i t hap o w e ri n v e r t e rb a s e d d s p a f t e re n t i r e l y a n a y z i n ga n dc o m p a r i n gk i n d s o fi n v e r t i n gp o w e rs u p p ya n dt h e i r c o n t r o l l i n gm e t h o d s ，w e a s c e r t a i nf e e d b a c kr e g u l a t i o n o fo u t p u t i n s t a n t a n e o u sv a l u e sa n dd i g i t a lp id u a l l o o p s ( c u r r e n tl o o pa n dv o l t a g e l o o p ) w ei m p r o v ed i g i t a lp ic o n t r o l l i n ga l g o r i t h m w es t u d ya n dp r o d u c e ad o w e ri n v e r t e rb a s e dt m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a 一一d l 2 2 0 d c 2 2 0 a c 一3 k w 。 t h i sp a p e ra c c o m p l i s h e sa n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n s o fs y s t e ma n d a c c o m p li s h e st h ed e s i g n so fs y s t e ms o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h es o f t w a r ec a r r i e so u to u t p u tw a v ec o n t r o l ，c r e a t e sd i g i t a l s i n u s o i d a ln o r ma n di m p l e m e n t sl o g i c a lc o n t r o lf u n c t i o n so f i n v e r t e r ， t h a ti s ，i n v e r t e rp r o t e c t i n g ，m o n i t o r i n ga n dm e a s u r e m e n ta n ds o o n t h ep a p e ra n a l y s e st h ec o n c e r n e de r r o r s t h i sp a p e rs t u d i e s a n d p r e s e n t st h es y s t e mf l a t i nd e t a i 艟yp a p e rb r i n g sf o r w a r dan o v e la s s i s t a n ts w it c hm o d ep o w e rs u p p ly ( s m p ) 。fs y s t e m t h i sa s s i s t a n ts m pb a s e dt o p s w i t c hh a sl o wc o s t ，l e s sv o l u m e a n dw e i g h ta n dh i g h e re f f i c i e n c y t h i sp a p e rp r e s e n t sp o w e rc i r c u i td e s i g na n di t sd r i v e rc i r c u i ta n d b r i n g sf o r w a r dan o v e ld a m p e df i l t e r 。 a u t h o r ：l i uj u n ( p o w e re l e c t r o n i c s e l e c t r i c a l d r i v es p e c i a l t y ) d i r e c t e d ：p r o f e s s o rd a iw e n j i n k e yw o r d s ：i n v e r t e r ，d s p ，d i g i t a ld u a l l o o p s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是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，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同e 作的同志对本研究所做的任何负献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：参心 签字同期： 2 。厂年g 月# n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被杏阅和 借阅。本人授权南昌文学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：“疆导师签名义弗少 签字h 期： 2 0 0 f 年月， = ：j签专r 期： 2 0 0y 年岛月t ) 一同 学位论文作者毕业后去向 工作申位： 通讯地址： 弗嚣千钰篙 电话：8 7 一扣歹7 邮编：”忉 第一章绪论 现代电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电 子学，向以高频技术处理闷题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起 始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变 器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末 期和九十年代初期发展起来的、以功率m o s f e t 和i g b t 为代表的、集高频、高压 和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电 力电子时代。 在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七 十年代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是，现在数字式信号、 数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术r 趋完善成熟，显示出越来越多的 优点。其表现在：便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信 号的干扰( 提高抗干扰能力) 、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、 容错等技术的植入。所以，在八、九十年代，对于各类电路和系统的设计来说，模 拟技术还是有用的，特别是诸如印制版的布图、电磁兼容( e m c ) 问题以及功率因 数修正( p f c ) 等问题的解决，离不开模拟技术的知识，但是对于智能化电源，由于 需要用数字器件和控制设备，因而便离不开数字化技术。 7 0 年代之后，随着集成电路( i c ) 等微电子技术的突飞猛进，人类忽然领 悟到：功率器件就象人的肌肉，控制i c 则是人的大脑。当“肌肉”与“大脑” 有机地结合，就产生了自动化工业的革命。近年来，各种单片机和d s p 器件的涌 现则将电力电子技术带入一个全新的数字化时代。 d s p 采用了先进的哈佛结构，内部采用多总线结构和流水线的工作方式，从 而大大地提高了系统的运行速度和数字信号的处理能力，d s p 的指令执行时间在 n s 数量级，内部程序和数据存储器目前已达几十k ，并带有内部的硬件乘法器， 这些都为d s p 提供了广阔的应用空间。 d s p 技术的高速发展和d s p 应用的普及，为电源控制系统的设计提供了一个 很好的选择。这项技术在国内剐刚起步，是一项前景广阕的新技术，必将得到越 来越广泛的应用。 l1 逆变电源研究现状及发展 目前，国外特别是美国，数字化高频电源已经发展到相对较高水平，我国数 字化高频电源也有了一定的发展。在国外，d s p 的应用已经有了较高水平。而在 我国发展相对晚了一些，但近年也成为了研究的一个热点。在我国生产数字式高 频电源仍是以单片机进行数字控制为主体，而采用d s p 这一新技术的厂家则相对 较少。预计随着d s p 不断的越来越为人们所熟悉了解和重视，相信我国也将会出 现更多的基于d s p 数字控制的电力电子电源产品问世。而且单片机进行数字控制 也常用单电压环控制，这显然无法满足应用要求。为了提高逆变嚣的静态动念特 性，需要采用多环控制技术。 高速数字信号处理器是当前信息产业的热点技术之一，采用最先迸的d s p 无 疑会使所开发的产品具有更强的市场竞争力。与普通的单片机相比，d s p 芯片放 弃了冯诺依曼结构，采用程序存储器总线和数据存储器总线分开的改进的哈佛 结构，独立的程序和数据存储器空间允许同时存取程序指令和数据，因而大大提 高了处理速度。在改进的哈佛结构的基础上，d s p 芯片广泛采用流水线操作以减 少指令执行时间，从而进步增强了处理器的数据处理能力，非常适合于实时数 字信号处理，为电源采用全数字双环控制提供了可行性解决方案。国际：的一些 电子器件大公司纷纷推出具有自身特色的d s p 。目前看来t i 公司的d s p 系列芯 片占有大部分的市场，因面理所应当成为了主流。 目前，有关数字化逆变电源电源国外一些大公司早已推出各自产品，如 a p c 、三菱公司、s e i m e n s 、c h r o m a ，并且较多在大中型容量的逆变电源产 品中采用数字化控制，而国内诸多研究机构和生产厂家也正大力开发数字化控制 这片新的研究领域。国内外不少电源生产厂家陆续推出了数字控制的逆变电源产 品。市场上现有的逆变电源产品中，已有一些具有了数字化控制的逆变电源电 源，它们数字化的部分不尽相同、数字化程度不一，采用的微处理芯片也各不相 同，比如l i e b e n t 公司的力博特( l i e b e r a ) 牌的a p 2 0 0 系列逆变电源电源( 3 6 、 1 0 k v a ) ，这种逆变电源的控制核心由r 立的h 6 4 1 5 3 2 6 c p 微处理芯片构成的。 当今在我国市场上销售的小型逆变电源的电路设计基本都采用相同的电路结构， 如山特的城堡系列、爱克赛的9 1 1 0 系列、力博特的g x t 系列等，g x t 型逆变 电源的控制核心是m o t o r o l a 公司所生产的m c 6 8 h c l l k 4 承担的。后备式逆变 电源也可采用数字控制，山特公司就于1 9 9 6 年左右推出的采用微处理制器控制 的后备式方波输出的逆变电源电源一8 2 0 0 系列( 5 0 0 w 、1 0 0 0 w ) 。总的说来， 现在推出的这些电源产品售价和成本均过高，特别是针对于电力市场的电力逆变 电源的产品比较少，性能还不够理想。 1 2 传统模拟式电源和数字式电源 t 2 1 模拟电源 现在越来越多的精密电子设备、敏感的电气负载需要更高品质的电源，而电 源的控制方式对其品质至关重要。传统的模拟式电源至今有较长的历史，技术和 工艺相对成熟，但它仍然具有不少缺点： ( 1 ) 模拟控制采用大量的分散组件和电路板，导致成本上升，可靠性下降： ( 2 ) 模拟电路中存在着人工调试器件，如可调电位器，必然使生产效率和控制系 统的一致性下降： ( 3 ) 由于器件的老化问题及热漂移的问题的存在，将导致逆变电源输出性能下 降甚至输出失败； ( 4 ) 产品升级换代困难，对于模拟机要想升级换代必然要对控制系统做改动，则 离不开对硬件的改进。 1 2 ，2 数字电源 ( 1 ) 单片机式数字电源 随着单片机的出现和发展，又不断出现了基于单片机的数字式高频电源。它 的出现的确对电源的数字化有很大的推动作用，但是它的一些性能也并非完美。 它常用的是p l l l m 定时采样技术，常常要涉及到微处理器与数字p w m 信号发生 器的配合问题，一般需要一个或更多的通用计时器。微处理器在每个采样时段 ( 采样频率) 计算脉宽，而脉冲发生器则根据计算的脉宽以恒定的开关频率产生 脉冲。然而采样频率受限于中断延迟、微处理器的频率以及微处理器所要处理的 任务工作量。对于一个价格便宜实用的微处理器控制p w m 系统，它的开关频率往 往还不够高。另外又因为单片机的字长和计算能力的关系，它计算出来的脉宽还 不够精确。这就使控制环的脉宽受到了限制，输出谐波分量加大，输出端仍要求 有一个比较大的l c 滤波器，体积和重量都比较大。在2 0 世纪9 0 年代，开始逐 渐采用单片微处理器进行控制，目前已开始采用数字信号处理器( d i g i t a l s i g n a p r o c e s s o r ，简称d s p ) 进行控制。 随着t i 公司新一代d s p 的推出，由于其d s p 内核4 0 m i p s 的高速处理能力 和专用的外围设备，利用微处理器进行p w m 信号实时调制，为实现性能更好的 全数字式高频电源提供了新的选择。 ( 2 )基于d s p 的数字式电源 可编程d s p 芯片是一种具有特殊结构的微处理器，为了达到快速进行数字信 号处理的目的，d s p 芯片一般都具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作功 能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集。为了快 速地实现数字信号处理运算，d s p 芯片一般都采用特殊的软硬件结构。如t i 公 司的t m s 3 2 0 系列d s p 芯片的基本结构包括：( 1 ) 哈佛结构；( 2 ) 流水线操作； ( 3 ) 专用的硬件乘法器；( 4 ) 特殊的d s p 指令：( 5 ) 快速的指令周期。这些特 点使得1 m s 3 2 0 系列d s p 芯片可以实现快速的d s p 运算，并使大部分运算( 例如 乘法) 能够在一个指令周期内完成。 哈佛结构是不同于传统的冯诺曼( v o nn e u m a n ) 结构的并行体系结构，其 主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器 是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对 应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了 倍。根据数字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有以下主要特点： ( 1 ) 在个指令周期内可完成一次乘法和加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； ( 4 ) 具有低丌销或无开销循环及跳转的硬件支持： ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； ( 7 ) 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，使取址、译码和执行等操作可以重叠执行，如f 图示： n 脚1 厂 广 厂 呶拖0 j l 坐l 毒j q 一 漾茸l 旦= l # j l 毒苎旦0 一 惭0 坐! 世量_ 一 幽1 - 1 二级流水线操作 使用d s p 进行控制有阻下几个好处： ( 1 ) 元件数目传统的模拟或单片机电源，其控制系统组成元器件较多，使 故障率提高，由此增加了维修、维护的工作量，而基于d s p 的电源数字化 控制系统元件数日显著减少，有利于提高可靠性并使成本降低： ( 2 ) 速度方面基于d s p 电源数字化控制系统充分发挥了d s p 运算方面的优 势，而充分提高了控制系统的实时性； ( 3 ) 精度、稳定性1 6 位定点d s p ，其精度可以达到1 0 。数量级。基于d s p 电源数字化控制系统同时消除了模拟系统中参数的误差、老化、温漂引起的 控制参数变化，从而提高了稳定性； ( 4 ) 灵活性基于d s p 的控制系统灵活性更高，参数改变只需更改软件，硬 件可以不修改或只做少量改动，便于产品的升级换代； 本文的控制元件采用t i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1d s p 芯片； 1 3 逆变电源的数字控制策略 正是有了高性能的d s p ，才使得模糊控制、重复控制、无差拍控制、及其它 一些先进的控制思想应用到逆变电源的控制系统之中成为了可能。但传统的经典 控制也有其概念清晰、控制简单等优点。 1 3 1 控制方式 ( 1 ) 模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 模糊控制理论当然也可以在电力电子领域中得到推广应用，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，有效的对复杂事物做 出判断和处理。针对于高性能的逆变电源设计，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系统精确数学模型，模糊控制器有 着有着较强的鲁棒性和自适应性； ( d 查找模糊控制表只需要占用处理器的很少时间，因而可以采用较高的采 样率来补偿模糊规则和实际经验的偏差。 ( 2 ) 重复控制( r e p e t i t i v ec o n t r 0 1 ) 重复控制最早是用于重复性机械运动机构的控制，近年来许多学者也开始 把它用在逆变电源中。重复控制的基本思想源于控制理论的内模原理 8 】，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反馈控 制系统的一种设计原理。若要求一个反馈控制系统具有良好的跟踪指令以及抵消 扰动影响的能力，并且这种对误差的调节过程是结构稳定的，则在反馈控制环路 内部必须包含一个描述外部输入信号动力学特性的数学模型。根据此原理可以将 系统需要跟踪的任意周期性参考信号植入控制器内部，从而构成高精度反馈控 制，达到稳态误差为零，实现对参考信号的高品质稳态跟踪。逆变电源的重复控 制主要是为了克服整流型负载引起的输出波形周期性的畸变。它的基本原理是通 过对本输出周期各采样点上输出电压误差的检测，计算出个补偿量，存卜- _ 一个 波形周期中叠加在给定信号上，形成一个新的控制量，从而有效减小输出电压的 波形畸变。系统结构框图见图1 - - 2 ： 框刊 v g ：硒 倒刊匠 ，r 闰1 - 2 重复控制系统结构框图 如上图，虚线框内为重复控制器，z 。n 为周期延时环节，g ( z ) 为控制对象模 型，d 为负载扰动。重复控制虽然可以保证输出波形质量，但却有一个致命的弱 点。由于延迟因子z 。n 的存在，重复控制得到的控制指令并不是立即输出，而是 滞后一个参考周期后才输出。这样，如果系统内部出现干扰，消除干扰对输出的 影响至少要一个参考周期。干扰出现后的一个参考周期内，系统对干扰并不产生 任何调节作用，这一个周期系统近乎处于开环控制状态，因此重复控制系统的动 态响应特性很差。 ( 3 ) 无差拍控制( d e a d b e a t c o n t r 0 1 ) 状念变量的无差拍控制在8 0 年代中期开始应用于逆变电源的研究。它是在 控制对象离散数学模型的基础上，通过精确计算控制量而在下一个周期内修f 输 出误差。无差拍控制的基本思想是将输出正弦参考波等间隔地划分为若干个采样 周期。根据电路在每个采样周期的起始值，用电路理论预测在关于采样周期中心 对称的脉冲作用下，在采样周期末，负载应输出的值。这个输出值的大小，与方 波脉冲的极性与宽度有关，适当控制就能使负载上的输出在采样周期的术尾与参 考波形相重合。 u d 6 q 假设取输出滤波电容电压k 和电容电流t 为状态变量，则得状态方程为： 胩忙鬟a a 荆：j l i cj 悱 吣m 蚓 m ， u a b 是逆变器的输出的方波脉冲序列。每一方波位于取样周期中心，可以 是单极性也可以是双极性。在这儿取单极性，如图l - 4 所示： 王 ， t l l ia r ( , z 删i l r 韩 u 一。 例1 4 无差拍控制调制脉冲波形 采用状态空间法将上式离散化，根据求得的状态方程，求得： ( k + 1 ) i f ( 七+ 1 )= 溉 鬻 + 淖 r a m m 2 】嘲 m z ， 式( 1 2 ) 取第一行，可得：咋( k + 1 ) = i l v c ( k ) + - ，；2 i f ( k ) - i - g l a t ( k ) ( 1 - 3 ) 式中： ( | i )一第k 个采样周期起始时刻输出滤波电容上的电压 匕、( 女4 - 1 ) 一第k + 1 个采样周期起始时刻输出滤波电容上的电压 a t ( k 1 一方波脉冲宽度 无差拍控制是根据逆变电源系统的状态方程和输出反馈信号来计算逆变器 的下一个采样周期的脉冲宽度。即如已知u d ，( j ) ( t ) ，那么适当选择a t ( k ) 厂iii，11jil 就丁使”( k + 1 ) 等于输出参考波形在该时刻的值。对每一采样周期用该式对逆 变桥输出方波电压脉冲的宽度进行调节，即可在负载上获得失真小的正弦电压。 由( 1 3 ) 可得： 1， a t ( k ) = 二i v , ( k + 1 ) 一_ l k ，( k ) 一z 2 0 ( t ) j ( 1 4 ) g i 理论e 讲任何扰动或非线性负载引起的输出相对于基准的偏差，都可以在 一个采样周期内得以校正。但它要求的模型必须十分精确。且能适应直流电源的 变动，降低逆变器对直流电源供电质量的要求；无差拍控制输出波形的畸变率小， 即使丌关频率不是很高，也能够得到较好的输出波形品质；它通过调节逆变桥的 输出相位来补偿l c 滤波器的相位延时，能够使得输出电压的相位与负载关系不 大。无差拍控制的自身缺点也十分明显：系统的鲁棒性不强，当负载变化，非线 性负载或者温度、运行条件等原因出现参数波动，都容易造成系统的不稳定或者 输出性能恶化；系统的误差与调制比输出的l c 等有关：瞬态超调量较大。在它 的控制算法中，把负载也作为一个输入参数，因此对参数变化非常敏感，且实现 复杂。 ( 4 )滞环控制 滞环控制的基本工作原理是，检测滤波电感电流i l 产生电流反馈信号i f ， i f 与给定电流i 。相比较，根据两个电流瞬时值之差来决定单相逆变桥的瞬时输出 状态。如i g i f i h ，瞬时输出 + e ( e 为逆变器的输入直流电压) ；i g i f l 时，为过调制，此时可以增大基频分量的幅值，但其与m 。已不再具 有线性关系，同时恶化了输出电压的谐波频谱。对于要求输出电压畸变较小的逆 1 2 变电源来说，应避免使逆变器进入过调制区域。因而本文采用线性调制。 1 3 3 电流内环反馈方案 采用电压电流双闭环控制策略的s p w m 逆变器，它的内环电流反馈存在两 种反馈方式：电容电流反馈与电感电流反馈。电容电流反馈采样的是滤波电容的 电流，由于逆变器在满载以及空载的条件下，滤波电容的电流是几乎不发生变化 的，所以，采用这种反馈方式的逆变器拥有良好的外特性。但是，它有一个明显 的缺点就是没有自动限流功能。采用电感电流反馈方式的逆变器，若对其电流环 给定电流进行限幅，那么，电感电流的最大值也就限定了，负载电流的最大值也 就随之限定了，所以它不用外加过流保护装置，即可实现对逆变器负载的自动限 流，使得逆变器的控制电路变得更加简单，可靠。本课题目的在于能使研究成果 赢接用形成产品，而逆变电源产品的基本要求主要包括： ( 1 ) 输出电压、频率稳定，正弦波输出且失真度小，效率高，较好的动态性能 和电磁兼容性( e m c ) 。 ( 2 ) 可靠性高，成本低，维护方便。 综上所述，本课题采用数字p i d 的电压电流双闭环s p w m 的控制策略，即外 环电压环，内环电感电流环。 1 4 本文主要工作 本文研究工作的目的是实现基于1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 l a 的电力逆变电源的数字 化控制，开发出相应的数字化控制硬件和软件平台，并使研究成果直接形成产品， 最终研制的产品，型号为d l 2 2 0 d c 2 2 0 a c 一3 k w 。 本文的研究工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 全面分析综合比较各类逆变电源及其控制技术，并最终确定采用输 出瞬时值反馈调节及其调节器一数字p i d 调节器的选用； ( 2 ) 进行系统的闭环分析并完成了系统的软硬件设计； ( 3 ) 实现输出波形控制，生成数字正弦基准； ( 4 ) 实现逆变电源逻辑控制功能，即逆变电源的保护、监测、切换进 行控制等。 本文一共分为七章。 第一章绪论介绍选题的背景和意义，全面分析综合比较各类逆变电源及其控 制技术，并最终确定采用输出瞬时值反馈调节及其调节器一数字p i d 调节器。 第二章主要对整个逆变器控制系统的特性进行仿真、分析，为本文提供研究 的理论基础。 第三章介绍了本课题的整个硬件实验系统平台。主要是处理器各资源分配， d s p 为核心的硬件控制系统，包括信号采集、线性调理，以及控制信号的输出 及驱动，给出了各单元电路设计。 第四章具体介绍了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a 的软件设计和实现方案。文中给出 了有关软件设计的改进，着重介绍波形控制、各类故障保护和监控等并进行了有 关误差分析。 第五章主要介绍了系统辅助电源的设计，提出一种成本低廉性能优越的设计 方案并给出了相关的设计方法及其结果。 第六章给出了整个系统电路设计，给出了功率主电路的设计，并提出了一种 新型的滤波电路的方案并给与了详细分析，给出功率开关的驱动电路，并对一种 新型功率变压器进行了简要介绍。 第七章最后对全文进行总结。 第二章逆变器闭环控制系统 逆变器的动态性能取决于滤波器和负载，可以定义在一定负载条件下逆变器 的模型，当负载变化时模型随该负载变化而变化。由于逆变器中存在着开关器件， 因此逆变器是一个非线性系统，但由于逆变器的丌关频率( 2 0 k t z ) 远高于调制 频率( 5 0 h z ) ，可以利用传递函数和线性化方法，建立s p w m 逆变器的线性化模 型。图2 1 为逆变器的系统构成图，该系统采用电压、电流瞬时值双环控制，电 压外环是由给定电压和反馈电压比较后得到的误差经过p 调节器作为电流内环 的给定。给定电流和反馈电流的误差经过p i 调节，和三角波进行交截得到s p w m 信号，来控制功率器件，保证输出电压的稳定，形成典型的电压、电流双环控制。 该系统包括如下环节：脉宽调制环节、输出滤波环节、电流环、电压环等。 图2 1 逆变器的系统构成图 2 1 脉宽调制环节 脉宽调制环节由脉宽信号产生环节和功率电路环节组成。脉宽调制过程实质 是控制信号的采样过程，由于采样时间的存在，会造成一定程度的延迟。不过由 于开关频率较高，即采样周期相对很短，其延迟时间非常小，可近似为惯性环节； 而且，惯性环节时间常数很小，对整个系统低频动态分析的影响可以忽略，可近 似将其作为比例放大环节处理。脉宽调制环节等效为比例环节，其输入是正弦控 制电压，输出为等效的正弦调制电压。其比例放大倍数为k = 虬。“，式中“，为 调制波信号， 乙为逆变器的桥臂输出电压。当逆变器的开关频率远大于调制频 率，且没有过调制时，调制波中的基波信号及低次谐波与逆变器输出电压中的对 应分量存在固定的比例关系k = 虬。u ，= u 。u 。，式中为直流母线电压，u 。 为三角载波幅值。 叫kl l i _ j 图2 2 脉宽调制框幽 2 2 输出滤波环节 2 2 1 滤波电容c 的设计 滤波电容c 的作用是和滤波电感4 起用来滤除输出电压中的高次谐波，电容 c 大，则输出纹波小。但电容c 增大的同时，逆变器的无功电流也要增加，增加 了逆变器的电流容量，系统效率降低。滤波电容的选取原则是在保证输出纹波满 足要求的情况下，取值尽量小。 2 _ 2 2 滤波电感三的设计 输出滤波电路之所以能提高输出波形的质量，是因为逆变输出调制波形中的 高次谐波主要降在滤波电感两端。因此，滤波电感的高频阻抗不能过低，即滤波 电感的感值不能太小。增加滤波器电感量可以更好地抑制低次谐波，但是电感量 的增加带来体积重量的加大。滤波电感的大小，不仅影响输出电压的稳态波形， 实际上，它也影响逆变器的动态特性。滤波电感越大。电感电流变化越慢，动态 时间越长，波形畸变越严重。而减小滤波电感，可以改善电路的动态性能，但是 会增大电感电流的脉动量。故选取电感值，要综合考虑。 2 2 3l 、c 的计算 电感上的电抗等于电容上的电抗时所对应的频率称为截止频率：五：j 去 特性阻抗：p = 吉 嗍1 ：c = j 而1 若知道 、p 的值，便可计算出l 、c 的值。 i 特性阻抗p 的选择 特性阻抗j 口与负载阻抗的关系是p = ( o 5 0 8 ) r e i i 截止频率z 的选择 截止频率f ，与最低次谐波频聋轨关系为：办= 告 、 c n o 1 6 式中b 称为滤波器的衰减系数，为滤波器谐波输出电压的比值对数，即： 6 ：i n 竖 ( ，b “ 本系统取6 = l n 号烹2 1 1 1 2 。 31 3 ，有c 肋：! ! ：1 0 则 2 z ，= c 嘉b = 2 0 0 0 0 ，。= z o o 。“z 。 文中：n l = u o = 1 1 5 2 3 0 0 0 = 4 4 1 n ，并取p = 0 8 r l = 3 5 1 1 。 ：卫：i ：! ：2 7 8 u h 2 礤2 万+ 2 0 0 0 c ：上：2 2 7 u f 。 2 口f c p 以上理论计算可作为设计参考值，实取参数可以也应该适当修改，本文中我们 取c = 3 0 u f ，l = 5 0 0 u h 。 输出滤波环节如图2 3 示： l i l 圈2 - 3 狲出越、圾扑口放贝载e 邑蛞 u a b ( s ) u o ( 8 ) 3 两瓦蒜 i l ( s ) u a b ( s ) = 两茹i 五+ s 丽r c u o ( 8 ) i i l ( 8 ) 2 志i 根据系统的信号流动方向，把脉宽调制环节和输出滤波环节及负载电路连接起 柬可得逆变器_ 丌环系统的动杰结构图： m 。 k 型些堕。 l + s r c i l ( s 1 r r s 2 r c l + s l + r r 1 + s r c 图2 - 4 开环系统框图 根据开环系统图，可画出系统的根轨迹图。图2 5 为负载取不同值时开环根轨迹 1 7 爪j i mi；- 图，图2 6 为负载取不同值时开环系统b o d e 图，从两图中可以看出：当系统空 载时，极点靠近虚轴，系统的相对稳定性不好，丽系统加载时，极点离虚轴较远， 相对稳定。负载越轻，系统的动态调整时问越长，阻尼越小，超调量越大，动念 性能差。 一4 5 雪 i 9 0 f 一1 3 5 1 8 0 1 孓弋i 一叫。a a 廿h a l f - l o a d 烈 枷蛔6 怒 蚓2 - 6 负载取不同值时开环系统b o d e 圈 0 0 (扫p)pn芒冒芏 2 3电流环 电流环的设计必须保证电流闭环具有较好的稳定性，同时具有较快的动态响 应和抗噪声干扰能力。电流环输出量是电感电流，为方便分析，把电流环单独取 出。在电流环中我们采用比例调节器，电流闭环后系统阶次不变，不增加相角迟 后以便于电压环的设计，图2 7 为电流闭环框图： 蚓2 7 电流闭环框图 图2 7 中，k ，为电流环反馈系数，k ，电流环比例系数，l g ( s ) 为给定电压与 。岱) 为电感电流的拉式变换，作为反馈电流与给定电流作比较。以e i ( s ) 为输入， ，。( s ) 为输出，得电流环的等效开环传递函数为： = 器= 等 图2 8k p 取不同值时b o d e 图( 满载) 1 9 【日p)|ca p p 3 e 厂、j 。，： t 一 | 一一一 ，- 、。k p = 1 一一 i _ 二 芝兰一一一一一 我们从图2 8 和图2 9 中可以看出， k p 较小时，上升时间虽长但超调量较小，稳 态误差较大，k e 变化只改变信号的增益而不影响其相位。k ，的设计中一味加 大k 。也必会导致系统的抗噪声干扰能力下降，超调加大，降低系统的稳定性， 不利于电压环设计。显然，比例控制器改善闭环系统的特性，选择非常有限。所 以其增益适当选取即可。 巾流环闭环传递函数为： k ! 整1 坚塑q g ，( s ) = i s 了z r i l c 砸+ - s l 再+ r - - 丽丽1 1 + 一i f - 面- 石面t - 万 k 4 k 。( 1 - t - s r c ) 2一s2rlc+sl+r+kit*k*kpfl+src) 一茎：坠! ! 塑! 一 2 s z r l c + s ( l + ，一十+ ，$ 十p , * k * k e * r c ) r kkk s2rlc s ( l kkk rk ikk 一 + + ，$ 十 p s a i d 霹 已 篙 b o d ed i a g r a m f u l l - l o a d n o t o a d 1 一 一 、 i i 、一尹。： 一竺匆一一一一 一 f r e q u e n c y ( r a d s e c ) 图2 1 0 电流环开环r o d e 图 将图2 - 1 0 与图2 6 中的开环b o d e 图相比较，可以看出，电流内坏扩大了逆变器控 制系统的带宽，使得逆变器动态响应加快。 2 4 电压环 为减小稳态误差，通常可采用p i 控制器作为电压调节器，以提高稳态精度。 p i 控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个 位于s 左半平面的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别，以减小系统 的稳态误差，从而改善系统的稳态性能，而增加的负实零点则可用柬提高系统的 阻尼程度，缓和p i 控制器极点对系统稳定性产生的不利影响，只要积分常数k 。 足够小，p i 控制器对系统稳定性的不利影响可大为减弱。希望电压环开环传递 函数低频增益尽可能高，保证具有较低的稳态误差，提高稳态精度。另一方面， 为消除调制分量的影响，也期望高频增益衰减尽可能快，且系统还需具备适当的 相角裕度，截止频率uc 足够大，可以保证较快的动态响应。电压闭环系统动态 结构图如图2 1 1 所示： o 一皿p)口3总c曲罩 图2 11 电压刚环系统动态结构图 图2 一1 0 中，k v f 为电压环反馈系数，未加p i 控制器的系统的等效开环传递函数 为： a 咆篙 竺! ! ：墨坚：墨：墨 s 2 r l c + s ( k l f + k + k 。p 4 r c + ) + k i f + k k p + r 其频率特性如图2 1 1 所示，容易看出其低频增益很小，输出稳态误差很大，因而 需加入合适的校正环节。 b o d ed i a g r a m g m = i r f fd b ( a ti n fr a d s e c ) p m = 晰 f r e q u e n c y ( r a d s e c ) 图2 12 未d l l p l 控制器系, 5 壳b o d e 图 在设计系统或带负载时，控制系统的稳定性首先是必须保证的，在此基础上 一日p一司nllc6e= 一69p)o瓮左 对控制系统的要求主要包括稳态性能、动态性能以及系统的抗干扰能力等方面。 此处令p i 控制器的传递函数： g p ，( s ) = k p + k ，s 校j 卜后系统的开环传递函数为： g 。( s ) = g ( s ) g 尸，( s ) 则加t p i 控制器的系统等效开环传递函数为： k 。+ k 。k + r g 博卜两面_ 面i ；毫瓦面五i 丽而 k 。+ k 。+ k + r + ( k p + k ，s ) g o ( s 卜而五葡毒紊万高高最蠢丽 f p 翰k + r + ( 砟s + k ，) s 3 r l c + s 2 ( 足i f4 k + 足，+ r c + ) + s ( k i f + k + k p + 月) 且系统等效闭环传递函数为： k p + k + r + ( k p s + k ，) g = # 堕攀篇篇裂岩蔷坐盟 s3 r l c + s 2 ( 芷jr + k + k 1 ，+ r c + 上) + s ( k l f k + k p + r ) s 3 r l c + s 2 ( k i f k + 世p + r c + 三) + s ( 足l f k k p + 月+ f ，k v j + k r + k ，) + k p + k 盯+ k + r + k 咖r g m 2 i r i fd b ( a t i n fr 批t t s e e ) ，r n 5 7 2 1d 叼( s t 3 9 7 e + 0 0 4r a d 辨) ，一一、 ，i、 ， s y 8 t e r r zu n t i _ e d l 7 f r e q u e n c y ( r 利$ ) ：41 轴+ 0 0 4 r _ 1 a s e ( d e g ) ：- 1 0 9 11 1。 。 j 矿1 矿 f r e q u e 孵y ( t a d s a c ) 图2 13 加p l 控制器空载时系统b o d e 图 一 j j 、。、 卜 一 ， 钆 噬；孵蛳 j ；| i m 一口兽一-篇m g m = b fd b ( a t i n fr a d t s e e ) ，m = 8 35d e g ( a t 38 9 e + 0 0 4r a d s e c ) 。、 s y s t e n xu n t i t l e d l 、，f r e q u e n c y ( r a d s e c ) ：3 8 8 e + 0 0 4 量睢 一 m a g n i t u d e 。唑岬k ， 刁 ：|i 、 c 星5 0 ： 、 0 ，j 一一一一：、_ ! 、， 4 5 ： ，7s y s t e mu n t i t l e d l ： 喜。j即一州篇筠鬻i i 。0 ，。_ “缁 卜、 j 1 0 2 1 0 。1 0 21 0 41 矿 图2 i4 加p i 控制器满载时系统b o d e 图 逆变电源的瞬态性能指标主要有：稳定性、快速性和抗扰动性。其稳定性主 要反应在相角裕度吖和幅值裕度h 上，通常相角裕度l y 取在4 5 度6 0 度左右， 幅值裕度冉大于6d b ：动态性能则主要体现在系统的开环截止频率。e ，截 l f = 频率m 。越大，动态响应越快，但是截止频率受到开关频率的限制，如高频段 增益随的增大而迅速减小，可以削弱噪声影响，即系统的抗扰动性好。从上两 图中，可以看出系统在空载、满载时瞬态性能指标均能满足要求。相角稳定裕度 为6 0 度，截止频率3 9 k r a d s 。逆变器的截止频率( o i 通常取( 1 3 1 5 ) 2 竹 ， ，。为开关频率，取3 9 k r a d s 在此范围内，对应于输出频率处的开环增益较高，基 本符合设计目标的要求。在设计时，尽可能使整个闭环系统的开环频率特性符合 如上的要求，以保证逆变器的输出达到预定的指标。当各项性能指标要求之侧产 生一定的矛盾，难以同时兼顾时，只能根据不同的侧重采取适当的折衷。 2 4 第三章逆变控制系统的硬件设计 本章首先简要介绍了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a 主要功能和特点，分析t d s p 芯片的 逆变器控制系统的硬件设计。 本课题中采用的数字信号处理器是t e x a si n s t u m e n t s ( t i ) 公司推出的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a 芯片，它在2 4 0 x 系列中是价格便宜且功能强大适用于马达控 制、变频调速及不间断电源的控制。其主要的特点是： ( 1 ) 大的内核运算能力：由于d s p 内核运算能力极强，使得它可以实现复杂 的控制算法，以期更好的输出效果。控制器的实时控制能力也大大增强。指令周 期仅为2 5 n s 。控制器的功耗较低：采用高性能c m o s 技术，供电电压为3 ，3 v ， 减小了控制器的功耗。 ( 2 ) 有多达8 k * 1 6 位字的f l a s he 。p r o m ，5 4 4 字在一个机器周期可以访问两次 的双口r a m 和5 1 2 字的单口r a m 。 ( 3 ) 一个事件管理器模块： 2 个通用定时器：定时器是数字化控制所不可缺少的基本单元，它可以 为p w m 模块、捕获单元等提供合适时基。 ( d7 个1 6 位p w m 通道。有外部引脚p d p i n t ，当它出现低电平时可关闭 p w m 通道呈高阻态。 ( d 可编程控制死区时间，可防止上、下桥臂直通。 ( d1 个捕获单元：用以捕获事先规定好的事件之间的时间差，事件可以是上 升沿或下降沿，这可由软件设计，具体时基也可以软件设定。 5 个同步a d c 转换通道，转换时间仅需5 0 0 n s 。 3 1 本系统中t m s 3 2 0 l f 2 4 0 l a 的资源分配 本逆变器数字控制系统采用的是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 1 a ，充分利用t d s p 的硬件 资源。如p w m 用于输出驱动信号，a d c 采集口则是用束采集反馈电压、电流 和各状态量等，数字i o 口是用来进行驱动、报警等。 分配各资源原则为实现既定功能利用最少功能单元，尽量减少使用复用引 脚，控制方便等。综合考虑，本文使用的资源分配方案如下表： 赉源用途1用途2用途3用途4 i n v e r t 交流电压 a d cb u s 电压( a d c 4 )电感电流( a d c l )市电电压( a d