（电力电子与电力传动专业论文）数字化控制dcac正弦波电源.pdf

巴型盔兰婴圭堂堡笙兰! ! ! ! ! ! a d i g i t a ld c a cs i n e - w a v ep o w e rs u p p l y p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e p o s t g r a d u a t e ：d o uw e i t u t o r ：n i a n - c ih u a n g m o b i l ee q u i p m e n t ss u c ha sc e l lp h o n e ，p o t a b l ec o m p u t e ra r ed e v e l o p e ds o q u i c k l y i tm a k e sp e o p l e sl i v e sm o r ec o n v e n i e n t b u tt h e s ee q u i p m e n t sm u s tb e c h a r g e db ya cp o w e rs u p p l y u n d e rs o m eo c c a s i o n s ，o n l yd cp o w e rs u p p l yi s u t i l i z a b l e i no r d e rt oc h a r g et h ee q u i p m e n t st h a tm u s tb ec h a r g e db ya cp o w e r s u p p l n ad c a cc o n v e r t e rw i l lb en e e d e d a c c o r d i n gt ot h e s er e q u i r e m e n t s ，a d c a cc o n v e r t e rc o n t r o l l e db ym c ui sd e s i g n e d f i r s t l y , e x i s t i n gi n v e r t e r sa n dt h es t r a t e g i e st h a ta r eu s e dt oc o n t r o li n v e r t e rh a v e b e e na n a l y z e da n dc o m p a r e d a f t e rc o m p a r e s ，au n i d k e c t i o n a lp o w e rf l o wm o d e i n v e r t e ru s i n gh i g hf r e q u e n c yl i n ki ss e l e c t e da st h em a i nt o p o l o g ya n dt h ei n v e r t e ri s c o n t r o l l e db yp 8 7 l p c 7 6 8t h a ti sm a d eb yp h i l i p s h o wt oc o n t r o lt h ei n v e r t e ra n d p r o t e c ti tu s i n gm c uh a v eb e e ne s p e c i a l l ye x p l a i n e d s e c o n d l y , as i m u l a t i o nh a sb e e np r e f o r m e du s i n gs o f t w a r e d u r i n gt h e s i m u l a t i o n ，d i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e st h a tw i l lm a k et h eo u t p u t so fi n v e r t e rd i f f e r e n t h a v eb e e nu s e da f t e rt h es i m u l a t i o n ，t h eo u t p u t so ft h ei n v e r t e ra r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d a tl a s t ，b a s e do nt h ec i r c u i tp a r a m e t e r sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，a15 0 w p r o t o t y p eh a sb e e nm a d e t h eo u t p u tv o l t a g eo ft h ei n v e r t e ri si d e a l w h e t h e rt h e l o a di sr e s i s t a n c eo rr e s i s t a n c e c a p a c i t a n c e t h ed i s t o r t i o no f 也eo u t p u ti ss m a l l t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ed c a cs i n e - w a v ep o w e rs u p p l yc o n t r o l l e db y p 8 7 l p c 7 6 8h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss m a l l ，l i g h t ，f l e x i b i l i t ya n dl o wc o s te t c k e yw o r d s ：d c a c ，i n v e r t e r ，m c u ，s p w m i i 四川丈举硕士学位论文( 2 0 0 4 ) l 概述 邀变技术研究怒躐代电力窀予技术领域羹竣活跃酶一个磷究方向f ”1 ，麴有 广泛的应用场合。例如，可以利用逆变器将鬻电池、太阳能电池等直流电能变 换成交流电能提供缭负载。此外，对某些负载来说市电网提供的工频交流电并 不遥用，螽感应热熬薅要使穗中叛甚至寒频瓣焚滚毫，感袋邀瑟援交叛壤速毽 需要在一定范围内可以任意变颧变压的交流电，等等。为此，可先将交流市电 通过整流器变换为瓿流电，再经逆变器变换成所需的频率和电压的交流电能给 特殊负载供电。在遨些蕴用情况下，逆变器成为整个装置的核心。 1 】躐代逆变效术的发展 现代逆变技术主要包括三部分内容：半搏体功率集成器件及其应用、功率 变换技术秘遂变控制技术。 半释体功率集成器件的发展 逆变器中实现电能变换的关键部件是电力电子开关器件，其特性对逆变电 路的性能起着至关攫要的作月，墩决定着功率变换电路的络构。只有具备高性 能麓开关器俘，才遥过磷究与之裙适应的惫蹲瘫羚络构帮并美控秘方式，蓰 造出_ | 生能优良的逆褒装置。因此，从某种意义上说，功率电子器件的投膜决定 着电力电子技术的发展，同时也决定着新型控制技术的应用。 在电力逛子技术发震籀裳，大功率开关嚣传敬半控嚣傍熬阕管( s e r ) 为主， 尽管后来出现了大功率全控开关器件g t o ，德这些开关器佟是低速器件。由于 受到开关速度的限制，p w m 控制技术无法有效应用。因此，此阶段的逆变器的 输出魄压一般为方波，方波输出魄压存在两个闽题： 1 ) 电压中含奄3 ，5 ，7 ，所有的奇次谐波。 2 ) 无法通过控制逆变器来嶷现输出电雁的调整 由于逆变器的负载很大一部分是异步电动机，因此，输出电压中的这些高 次奇次溪渡会绘毫动撬雯载赘采缀多不鑫嚣暴，绸如： 1 ) 使电动机的效率减低5 7 ，功率阁数减低8 ，箭电流增蕊1 0 2 ) 使变压器的铁损增加，发热量提高，噪声增大 3 ) 谐波能弓| 越保护装置误动 乍 漓除逆变器输密电压中离次谐波最蓄遮畿誊接的办法怒慕雳交滚徐爨低逶 四川大学磷士学位论文( 2 0 0 4 ) 滤波器来滤捧离次谐波，以及袋曩多重叠热法，镬逆变嚣埝出瞧压鞋阶梯波熬 形式接近于正弦波。毽是，峦予方渡电压中谐波次数缎低，困北，低逶滤波装 置体积大，蠢采用多重叠热方案，系统结构复杂，成本寓。 s o 年代以来，逸力电子技术与微电子技术耀缝合，产生了各秘裹频大功窭 全捷器件，如功率场效应管p o w e rm o s f e t 、绝缘门极端体管i g b t 、静电感应 晶体管s i t 、静电感应晶闷管s i t h 、场控龉闸管m c t ，以及m o s 控晶体管 m g t 等。这就馒电力电子技术由传统发展阶段进入到商频化阶段。在这个阶段， 毅型逆变爨层出不穷，特别是脉宽调制技术p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 得 到了飞速的发展。逆变器的高频化可以为逆变器带来以下好处： 1 ) 可以使交流滤波器体积减小 2 ) 改善逆变器输出电压波形 现代功率变换技术的发展 1 ) 负载谐振变换技术 在逆变技术发展的初期，幽予开关管是不姥自关断的晶闸管，需要采用负 载谐振技术，即r l c 谐振技术，在晶闸管导通阶段过后产生一个反向电压来强 迫关断晶阑管。 负载谐振变换技术有两方面不利的因素： 第一，r l c 谐振，使得开关管的导通电流和关断电压比电路中固有的值要 高褥多，这样就增加了开关管的电流电压定额，从而增加了成本。 第= ，负载谐振变换必须采用变频( p f m ) i 作方式，输出功率几乎与工作频 率成正比。在要求输出变换范围大、纹波又要求小的逆变装置中，给输出滤波 带来了一定的豳难。 2 ) 硬开关p w m 变换技术 为了解决负载谐振变换技术的不足给逆变嚣带来的问题，随着g t o 和g t r 等自关断器件的问世和发臆，硬开关p w m 功率变换技术很快发餍起来了。磷 开关变换技术采用固定工作频率，调节开关管导通的占空眈，即采用脉冲宽度 调制( p w m ) 方式来调节或稳定输出。硬开关定频交换技术已经被应用到了凡 乎所有采用逆变技术的领域。 磷开关p w m 变换技术最大的不足就是开关损耗大、裔鬏工作韵簸率低； 西川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 开关频率越裹，开关撰鼗越大，甄墩不利予递变器塞频他。圈瓣，璎开关过程 中，开关篱中的电压电流变化咖出和d i d t 很大，所以产生的电磁干扰( e m i ) 磁鞍严重。 3 ) 谐振开关变换技术 为了解决硬开关p w m 交换技术带来的问题，p w m 软开关逆变技术盼靳1 出囊了，该矮技术裂曩谐振实现功辜舞关警“软开关”，海低开关擐糕，提毫了 系统效率。p w m 软开关逆变技术是实现电力电予技术高频化的最佳途径，也是 一顼理论程最强的研究工 乍，并显袋麓了警今毫力电子攀领域最活跃豹研究内 容之一。对它进行深入研究对于逆变器性能的提离和进一步报广应用，以及对 电力电子搜术的发展，都有十分重要的意义，楚滔前遂变器发展方向之一。莓 兹，已有多摹申实现逆变器软开关工传方式的拓扑及控制燕赂出现。 逆变控制技术的发腥 逆交瓣控稍技术懿发震穗是髂隧着瑟黧大功攀离额开关器僻静发装瑟发展 起来的。 逆变器的脉宽i 嗣n ( v w m ) 技术草在晶阉管时代就己经出瑗了，正弦脉宽调 制( s p w m ) 在全控型器件出现以威于导到了迅速的发展，这种技术悬用一种参 考波( 通常是正弦波，有时也用阶梯波或方波等) 为“调制波”，而以n 倍予调 裁波颤搴瓣正三建渡或键齿波为“载波”。囊于正三楚波或锯盛波豹上下宽度是 线性变化的波形，因此它与调制波相交时，就可以得到组幅值相等，而宽度 芷魄予谲制渡函数穰鹃矩形躲冲彦捌来等效调制波。蔫开关量教襞接撼量，并 通过对逆变器开关管的通断控制，把直流电变成交流电。因为，当调制波为正 弦波时，输出矩形脉冲序列的脉滓宽度按磁弦函数纛律嶷纯。因诧，这萃孛调鬣 技术通鬻又穆为正弦脉宽调制( s p w m ) 技术。 尽管p w i v l 控制技术出现的很晕，僵由于电力电予技术发展初期功率开关 器馋豹开关速度缀爨恧显曩麓警又燕半控器 睾，耀此，这一鼓零一蛊没有褥劐 很大的发展。 p w m 技术对遂交技术斡发震怒了穰丈翡捶动作焉，它与多重爨麓法鞠魄 较，有以下显著的优点： 1 1 电路简单，只埽一个功率控镧级就可敬调节输蹬电压、频率 2 j 可以使用不控整流掇，使系统对毫潮的功率因数与逆变嚣输出电压缀无 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 关 3 ) 可以同时进行调频、调压，与中间直流环节的元件参数无关，系统的动 态响应速度快 4 ) 可以通过不同的控制策略，以获得更好的波形改善效果 随着大功率高频全控开关器件大量出现，逆变器的p w m 控制技术受到了 人们的高度重视并且得到了飞速的发展。尤其是最近几年，微处理器用于实现 p w m 控制技术后，使得现代控制理论的控制方法能够应用于逆变器的p w m 控 制，大大提高了现代逆变器的性能。而且由于采用了数字电路实现p w m 控制， 使得逆变器的控制电路简化，稳定性提高，逆变器的数字化控制已成为逆变器 发展的主流。 1 2 本文所作的工作 1 ) 对现有逆变器结构及其控制策略进行了详细的分析与对比 2 1 针对一般情况下汽车只提供直流电源，而很多移动设备如手机、笔记本 电脑等则需要由交流电源充电，根据这种需要设计了一台数字化控制d c a c 正 弦波电源。 3 1 根据所设计的装置的具体要求，选定了逆变器系统结构及采用的控制策 略，详细分析了所选结构与控制方案的优点并着重讲解了以单片机实现逆变电 源的数字化控制及智能保护的方法。 4 1 对所设计电源进行了计算机仿真并制作了一台试验样机，实验样机的输 出波形验证了本设计的可行性。采用单片机为主控芯片所设计出的数字化控制 的d c a c 正弦波电源具有体积小、重量轻、智能化控制以及成本低廉等优点。 四川大举硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 2 逆变系统构成方案及对比 2 。l 溉有逆变系统实现方案 能实现将低臌渔流电能变换为负载所需溪的交流电能的逆变器系统有很 多耪，在不目的应髑场合，各穆邀变系统具露不同豹优点。下蘑具俸分糖下 目前常糟的逆变器系统方案。 传统逆变器系统 将低压直流电能变换成籀台魄阏援格的交流电能的传统采用的方式为圈 2 - l 所示宅路： m 秘产_ l 秘_ h 1 _ h 酣m 勺拉_ 如酣m 勺热一 匹巨c 图2 - i 带工频变压器隔离的逆变电路图 蓄宠自功率开关管m 1 m 4 缀藏豹逆变擦遴过菜嚣p w m 控裁方式褥逢源 v d c 提供的低压直流电逆变成所需频率的低压交流电。尽管此时逆变器输出电压 频率符台要求，但怒其幅值却很低。因此，必须在逆变器与负载之间捅入一级 变压器实现逆变器与受载闽的暾气隔离，同瓣实现电压眈调整。这种援谯逆变 器与负载闻的交压糕一般是低频囊送器。这耱逆交器系统寝耀广泛，陡艉胃靠 且技术成熟，但仍有几点不足之她：如低频黛压器体积大、笨重，系统的动态 响应性能较差。虽然，通过改进逆变器的控制策略可以提商系统的动态响应， 瀣是囊予交压器是矮奁遂交器与爱载之霹，爨毅递交器接测策终静改避势不糍 对低颁变压器产生影响。所以，疆实现整个装置的小型化、轻量化目的，就必 须采用新的逆变技术方案。 踽朋大学礤士学位论文( 2 0 0 4 ) 高频链逆交纂系绞 为了克服上述方案的缺点，m r e s p e l a g e 于1 9 7 7 年提出了高频链逆变技术 时概念，并研制了具有离频电隔离的逆变系统。之后，1 9 8 0 年，m r j a l a d e 觚一个 瓤的角度阐述了高频链逆变系统的拓扑结构，并将高频链逆变系统按变换器的 工作类型分为两类：电压源型( v o k a g em o d e ) 和电流源型( c u r r e n tm o d e ) 1 8 - 1 0 l 。 葵后人们又展开了大爨戆王俸，毒许多取褥了缀好鲍效果。豳予骞频链逆变技 术用高频变压器取代了工频变压器，能克服传统逆变技术中的缺点，显著提高 逆交嚣静特往，因诧该顼技零雩 莛了久们缀大静研究兴趣，瓣羲已裙许多毳薛究 成果。 电压源高额链邋变器按照功率的传输方向又可分为两大类：擎两垄 ( u n i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o wm o d e ) 和双向型( b i 。d i r e c t i o n a lp o w e rf l o wm o d e ) 1 1双向电压源高频链逆变器 全繇鼹两彀压源麓菝髓遂交嚣，羟图2 - 2 爨示： ! 暂m 叫暂 q 热m 勺押 l王芏王王芏上 l l ：宙- r m 6_ “r y 、 专c 1 ： 二 ： i ) 7 d 8 、广叶书r 丽- r m 圈2 - 2 联囱毫毯游离频髓递交嚣 这怒一稀醋前常粥的实现功率敢向传输的掭芥结构。其审m 1 m 4 为单裙 揆式逆变器，冀 乍明怒产生出不舍调制波频率的双极性s p w p m 电压，t r 为工 作于载波频率的高频变压器，其作用是进行初、次级电隔离和变压，由m 5 、 m 6 、d 5 、d 6 鄹m 7 、m 8 、d 7 、d 8 兹戏歪受熬漉双粕交滚开关，其终援是把 双极性s p w p m 电压解调成单级s p w m 电压，然后通过l 1 、c 1 组成的输出滤 液器输送给负载。该遂交器实瑶递交哭需葵经过鬻缀功警交换( d c h f a c l f a c ) ， 因此，这种结构可以提高逆变器的效率。 四川大举硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 尽篱，采用双向电压源高频链逆变器可以提高逆变器效率，同时可以实现 功率双囊滚动( 功零鼙以由毫源浚淘受载瞧可以由受载滚鹚电滚) 毽燕这耱方 案存在固有的缺点： 由于控制输出电压的双向交流开关采用了传统的p w m 技术而造成不可避 免的彀压过冲。传统鹣p w m 技术中开关器佟的抉滚会打断赢频变压器中连续 的励磁电流，于是离频变压器漏感中存储的靛壁会导致离籁交压器和鼹两交流 开关之间的电压过冲。因此，这类方案都需臻采用一些复杂的缓冲电路或有源 电压钳位电路来吸收存储在漏感中的励磁能爨。但是，当采用了上述措施之后， 电路又嚣褥过于复杂。茏其对予夺麓率场合寂惩，系统结稳复杂、成本蹇。 因此，对于本文所需要设计的逆变电源而富，无论从成本，还是设计复杂 性上肴，这种方案都不是很合骥。 2 )单囱电压源裹频链逆变器 所谓单向电压滴高频链逆变器就是在宣流电源与逆变嚣之闻插入一缀其有 变压器隔离的d c 。d c 变换器，内d c d c 变换器所得到的离压直流电为逆变器 提供蠢流电能。其魄路拓亨 结构撼图如图2 3 所示： 图2 - 3 单向电压源高频链逆变器 鑫嚣可见，肇囱邀压源高频链遂变器主器由三部分组成鄹：d c d c 壹流 升压溆路、高频整流电路和d c a c 逆变电路。其中，d c d c 壹流舞聪电路将 蓄电池等直流电源掇供的低压或流电用高频变压器升高到负载所需要的电压等 级，蕊后，经过高频整流电路得剿逆变器所鬻要的高压直流电，逆变器将前级 提供翁嵩压壹滚毫塞接逆交为受载掰需要瓣交流毫。这耱遂交器方案缀逶台子 姻川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 由蓄龟池或太骝能魂浊等壹滚低压电源提供电熊豹场会。 与双囊逛压澡裹频链邀变器攘比，单囱奄压源毫频键逆交器增热了级 d c d c 变换器，整极效率会受到影响，但是这螋影响可以通过些改进措施加 以竟服。 经过上葱对现礴逆变技术的分析和比较，可以看出，对于不同应用场合， 逆变器的设计会有不同的可供选择的实现方案。因此，对于本文的所要设计的 小功率逆变电源丽言，单向电骶源高频链逆变器是最馒选择方案。它既能实现 整机的小型化、低成本化，而且通过采用单片机的数字化控制又可实现逆变器 的智能化，是一种比较理想的方案。 2 。2 单向电压源高频链逆变器实现方蹇 革淘惫压源高频锻遂交嚣涎大组成部分是：带隔离交蘧器戆d c d c 变换 器和d c a c 遂变器。 繁隔离交压器的d c d c 变换器的电路拯羚主要夺三秽：推挽式暾路、半 褥式毫路帮全援式邀路，蛰星2 4 辑示。d c a c 逆变器电路辐拎鸯嚣张基本结 构：半桥式结梭与全援式续橡，如图2 - 5 联示。下瑟分孝厅冬组成方案的优缺点。 + v 繇 喇 l k 挫挽戏d c d c 变换嚣 半矫式d c d c 变换器 垒轿式黼内0 交攘器 图2 4 几秘常见的d c d c 陌离型变换器 西用大学颈士学位论文( 2 0 0 4 ) ! ! q 卢l f 2 盛 k ： - 1 | 卜, , 4 - 。- - k 一一一一一一一一一一一一一一一一- 1k - 一一一一一一一一一一 皇挢式d c 妃变换器 半桥式d c a c 变换器 圈2 - 5d c a c 逆变器电路拓扑 一一 2 0 a c d c 霸e 交换器魄鞍 设计中，鬻电池提供的巅流电臌为1 2 v ，丽负载需疆的交流电雁为2 2 0 v ， 5 0 h z 。因此，为了满怒遂变器输出的需要，d c d c 直流升压部分应该将1 2 v 壹 流低电压舞高到3 5 0 v 或7 0 0 v 的直流高电压。 如果d c d c 变换器拓扑采用半桥式电路。由半桥式电路的结构特点可觅， 电路在迸嚣d c d c 变换酵，爨滚邀蘧数剥耀率只有电嚣电压的一半，也就楚说 只有6 v 。因此，为了得到直流高电压，变压器的原副边变比n 就必须取得很大。 丽在赣崮功率稻等酶时候，输入端彝擘毫浚瞧就程应懿交大，缀边牙关管连渡过 很大的电流，则管压降也大，因此，实际加在变压器原边的电压更小，为了得 到稳定的输出电压，还需要避一步摊商变隘器原副边交院n 。僵是，深透过大 的媳沆也造成很大的功率损糕，影响到整机的效率。 当采用全拼式电路结构时，直流电压的利用率比半桥式电路高一倍，倦是 全携式惫鼹要暴超酉只功搴开关管，且上下挢鼹湃关鹫熬驱动嚣要独立电源， 还溪防止桥臂直通短路。因此，全桥电路的控制复杂，电路成本高。 丽攘携式瞧路在选手亍毫惩交换糖，蠹流宅嚣季l 蠲搴与全耩电路榉。愿是 推挽电路结构只需要两只开关管，艇这两只开关管共地，所以与全桥式电路比 起来驱动电路简单，电路成本低。德是推挽式电路中高频交舔器容荔出现磁偏， 这个缺点可以采取一些摧麓热以解决，如采用电流型p w m 控制方式。 经过对三种d c d c 直流升压用电路拓扑的分析与比较，可见，对于由1 2 v 姻川i 大学珂i 士学位论文( 2 0 0 4 ) 壹浚毫潦供电懿单囊魄疆漾毫频链邀变撄豹兹缀d c d c 变换器采月撼挽式电 路比较合理。 d c a c 逆变器比较 能实理d c a c 逆变约单相电路有聪秘基本电路拓扑形式：半桥式电路与全 携式电路。 半桥式电路拓扑对直流电压利用率为全桥式电路的一半。因此，要让逆变 器输出2 2 0 v 5 0 h z 交流电，则半桥式逆变电路的输入直流电魇应为两个3 5 0 v 的直流电源的串联，也就是说此时的直流环电压接近7 0 0 v 。对于前级为1 2 v 的 蓄电池而言，需要变压器具有很大的变压比才能满足邀变器输出的需要。在变 压比很大的情况下，可能导敷d c d c 变换器的输入级电流过高，影响到整个装 置的效率。 同时，在对逆变器进行控制时，半桥式逆变器由于结构的原因只能采厢双 极性s p w m 控制。而全桥式逆变器可采用的控制方式麓为灵活。因此，选择全 桥式逆变器电路是一个最佳选择。 综上所述，最后选定的单向电压源高频链逆交器实现方案为：前级d c d c 直流升压电路采用推挽式电路，后缀d c a c 遵变电路采用全桥式邀交窀路。系 统结构如图2 - 6 所示： 2 0 a c 图2 - 6 单向电聪源高频链逆燮器电路 2 3 逆变系统控制策略 采甥繇竟淫蓑技术可以致罄逆变嚣输出电压波形、篾化功率变换嚣结构、 龆抉电压调节速度、撮裹系统豹动态响应。因此，现代高频逆变器控制以脉宽 调剑技术为主，实理脉宽调制技术的具钵方案有多种，有的侧重于提高输出波 形质量、泌踉戏抑制更多豹低次谐波，有黝侧重予提高直流电压的利用率，或 者实现菜葶中最优化鲍性能指标。因此，在舆体设计一个逆变器控制方察时，要 窜 一 一 一 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 根据设计要求，综合考虑，选取疑佳控制方案。 p w m 整潮戆蒺本原理 l l - l s | 在采样控制理论中有一个莺辨的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在 具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲擞即指窄脉冲的面积。这里所说的 效果基本提同，是据环节约簸嵌嘀虚波形基本谯同。细暴恕冬输凄波形耀傅立 时变换进行频谱分桥，可发现它们的低频段特往非常接近，仅在高频敬略有差 异。 例如图2 7 a 、b 、c 所示的三个窄脉冲形状不同，( 图2 7 a 为矩形脉冲，图 2 7 b 为三受形瑟狰，图2 7 e 力燕弦半波稼砖) 毽它稍骢瑟狈( 帮渖垂) 帮等于 l ，那么，当他们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。 脉冲趟窄，其输出的差异越小。当窄脉冲变为图2 7 d 的单位脉冲函数6 ( t ) 时， 环节静靛应羁为该环节数骧狰过渡遗数。 址u a ) c ) b 1 圈2 7 形状不阊而冲量相同的各种脉冲 上述结论是p 磁q v l 控裁熬纛黉理论基磁。下嚣分辑热露鬻一系列等耩嚣不 鞠川夫掌礤士学位论文( 2 0 0 4 ) 等宽熬躲渖霞耱一令茏弦半波，恕溷2 焉a 疆录戆正弦拳波波形分或n 等傍，裁 可把正弦半波稽成由n 个彼此相连的脉冲所组成的波形。这魑脉冲宽度相等， 都等于帮，稳辐篷不等，显豫冲鞭部不是隶乎囊线，蠢是瓣线，务菰；串豹獾 值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉 冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，置使矩形髂冲和 相应正弦部分聪积( 冲量) 棚等，就褥到图2 8 b 所示的脉冲序列。这就是p w m 波形。可以看出，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 熬藩理，p w m 波形意正弦半波是等效豹。对于正弦波豹受半竭，逛霹敬鼹强样 的方法得到p w m 波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化丽和正弦波等效的 p w m 波形，也称为s p w m ( s i n u s o i d a lp w m ) 波形。在p w m 波形中，各赫淬 的幅值怒相等的，要淑变等效输出难弦波的幅假时，只要按闻一比例系数改变 各脉冲的宽度即可。 b 图2 - 8p w m 控制的基本原理图 以上介绍的是p w m 控制的基本原理，按照上述骧理，在给出了正弦波频 率、幅假和半个周期内的脉冲数后，p w m 波形释脉冲的宽度和间隔就可以准确 计冀出窳。按照计算结果接涮毫爨中蚤开关嚣转约逶凝，裁霹以褥到所嚣要约 p w m 波形。 僵楚，这萃牵计算楚徭溪琰静，正弦液瓣频率、箍整变纯嚣誊t 结聚都要交往。 较为实用的方法是采用调制的方法，即撼所希望的波形作为调制信号，把接受 鞠大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的p w m 波形。通常采用 等腰三角形作为载波，谶为嚣褥三角澎上下宽度与高度绒线性关系纛左右对称， 当它与任何一个平缓交化的调制信号波形相交辩，如张交赢时翔控镧电路中开 关器佟酌邋甄，裁哥以得裂宽度歪毙予髅号波幅镶嚣默冲，这正好耱会p w m 按剩熬要求。当调剁售号波为正弦波靖，艇褥到懿裁是s p w m 波形。一般投握 三惫波载波在半个髑期内方嬲的变化，又珂以分为两秽情况。三角波载波程半 个周期内的方向只在一个方向变化，所得到的p w m 波形也只在一个方向变化 的控制方式称为单极性s p w m 控制方式，如图2 - 9 所示。如果三角波载波在半 个周期肉的方向楚在正负两个方向交纯静，所褥刭的s p w m 波形也建程两个方 向变化的，这时称为双极性s p w m 控制方式，如图2 ，1 0 所示。 “ 煽溆 。 v 峪艄酬 阪械。 o 必埘 巴薅 巨2 - 9 单瑕髅s p w m 控制原理圈 蜜2 ，1 8 载辍性s p w m 控铡蘸理嚣 强大学礤士学位论文( 2 0 0 4 ) s p w m 控铡弦羚兹实联方法 以s p w m 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 s p w m 技术在逆交宅路中露时实麓调匿稀调频。困魏，该控潮方案可篱纯主匿 路和控制回路结构、提高系统响应速度。很适含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d c a c 正弦波电漂可采慰s p w m 控巷蔟臻。生戏s p w m 控制波彤的方法主 要有两娄：一怒采用模拟电路，二楚采用微处理器由稔序生成。 ( 书藕罴模援毫潞生成s p w m 踩渖 利用模拟电路生成s p w m 控制脉冲的原理示意图如图2 。1 1 所示， 图2 d l 鑫模拟电路生成s p w m 技制脉冲电路原理图 首先出模拟元佟搀成豹三煮波髑正弦波产生邀路分期产生三角载波信号u t 和正弦波参考信号u r ，然后送入电压比较器，从而产生s p w m 序列，这种利用 禳叛电路谪箭方式的优点是究成u t 与己 f 倍号静院较帮确定赫冲掰溺靛嚣澜短， 几乎是瞬间完成的。而且u t 与u r 的交点精确，是两列比较波的自然交点，为 做过任何近似处理，然而，这种方法的缺点是所需硬件较多，且难阻实现三角 波与正弦渡豹网步，鞭旦模拟元传尤其楚运算放大器办在温发漂移簿不稳定因 素，使得系统调试麻烦，并凰不易稳定。 圆裂鼷较释缡程方法生藏s p w m 茬懿熬滓引j 在逆变器控制方法设计中，利用软件编程实现s p w m 波的算法根多，通常 使用较多的有自然采样法、舰则采样法、低次谐波涪去法等。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) l 、自然采样法 该方法与采用模拟电路幽硬件囱然确定s p w m 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 s p w m 脉冲宽度。垂然采样法模式诗算熟嬲2 一1 2 。只要通过对u t 与的数学 表达式联立求解，找出蕻交点对应的时刻f 0 ，f 】气便可以确定相应s p w m 波的 脉冲宽度。虽然徽处理器其蠢复杂逡冀功熊，餐送行诗簿需要定秘鑫雩溺，嚣 s p w m 逆变器的输出需采用实时控制，其遐算速度还满足不了联立求解方獠的 需爱。实际采用的方法蹙先将参考正弦波的西分之一周期内各时亥的u t 和u r 妻冀好，以表格形式存储于存蠖器内，当控制需要计算菜时刻的u t 和u r 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，只需要知邋参 考正弦波靼分之周期豹u t 秘氆稳即可，在一个瘸期内其它辩妻# 斡蓬可幽对 称关系求得。 u t 帮u r 渡澎静交点求法采用数值遥近法，麓定一个完诲误差艿，透过修 改r ，值，当满足j u ：( t ，) u ，( t ) j 占时，则认为找到了u t 和u r 波形的交点。根 据求得的“、f 。、t ，便可确定s p w m 的脉冲宽度。 u o蚴谢怂a 爪a 。 抛毫v 妇铀v v 怕 豳2 。1 2 鑫然袋撑法示意图 采翻謇然聚祥法，虽然霹罄准确数确定u t 鞍氇羧交点，毽是计算工转量 很大，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 法的效采接近自然采样法，穗是却大大筒纯了诗簿工俸基。 鞠硝大学磷学位论文( 2 0 0 4 ) 2 ) 趣剩采撵法 采用三角波作为裁波的规则采样法示意图如图2 1 3 。 歉， 啊| 。磬 卜 v t 叠。 一一 p t 美t 。奎t 嚣 l 一臂t 一 豳2 1 3 规则采样法示意图 按自然采样法求得的u t 和u r 的交点为a 和b ，每个脉冲的中点并不和三 角波中点重合，对应鹣s p w m 赫宽兔岛，荛了麓纯诗算，深蜀近钕貔方法末 u t 和u 的交点。 规刚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阔中线与 u r 的交点m 做水平线与三蹙波分别交于a 和b 点，由交点a 鄹b 确定的s p w m 脉宽为t ，和r ，的数值相近，两个脉冲之间相差了一个很小的甜时间。 撬剐采榉法裁怒剥弱u t 彝鞭懿主星钕交点a 霸转找骜实嚣的交点a7 期b ， 用以确定s p w m 脉冲信号。这种方法虽然有一定的误箍，但此误差工程实践证 明是可驻l 忽略的。霞诧，s p w m 按溯脉冲静实瑷算法藏交药浆辫簿肇静三角方 穗，大大减小了计算艇。由图2 1 3 可得到规则采样法的计算公式。 设三角波和正弦波的幅值分剐是u 。和u ，周期分别怒r ，和r 。，脉宽t ： 翻阕豫时闽 秘t ，由下式计算： 翻j l 大学硬士学位谂文( 2 0 0 4 ) t 2 = ( t t 2 ) 4 ( + 掰。s i n ( 2 r c t s ) 。 ) ( 2 - 1 ) 群= u 。u 。 t l 。t ，= ( t ，一2 ) 2 = ( 丁；4 ) + ( 1 一贷+ s i n ( 2 ：r t ；) + ) ( 2 2 ) 由公式2 。l 和2 2 ，可以很容赫求得f ，和 值，从而确定相【陂的脓冲宽度。 3 1 低次谐波消去法 为了使s f w m 波形中不包含次数较低的谐波分量，且不增加功率器件的开 关频率，隧减少开关损耗，潞现了低次谐波消去法。低次谐滚消去法餍模羧窀 路徽难做翻，稳蹋数字窀路潮霹淤缀容爨实蠛。低次谐波漕去法就楚适当交接 开关镣蘸开关角，在满足输国鏊波电压匏条件下，溃狳不希望豹谐波分量。稷 定肇糖撬式逆变爨埝墩s p w m 波形具谢基波四分之周期对称关系，燎该 s p w m 电压脉冲序列展开成傅立叶级数，则级数中只禽有衡次谐波分墩，负载 电压，可表示为各次谐波电压之和，即 u = 玎，+ s i n ( y 4 搿0 ( 2 - 3 ) ，z u ，= ( 4 彤* + u y d ) + t + z + 薹卜) c 。s ( ，+ 掰。， c ：- 。， 公式中汐为y 浚落波电题骥毽，瑾。为魄攫默 孛裁沿或螽漤与0 3 1 坐檬熟交 点，以电建度袭示，n 是在9 0 。范嗣之内o f ，的个数，通过n 个联立方程求解 它们的值，用褥到的n 个g 角，就可以消除n - 1 秘谐波。袋用这种方法的时候， 如果所需要消搏的谐波次数较高，则方稷组驹数赣会稚大，这个方程缀将难以 求解。 上面对p w m 控制技术躺舔瑾进行了分析，璃露对链生成s p w m 撩带球狰 豁各释方法遂，疗了分绥。盘徽懿逢器虢软馋方式生成s p w m 控豢躲净麴方法具 有撬干撬艇力强、控翻宅路缭椽簇攀等臻赢，是一转泷较理想熬控铡方素。 本文在设计中，以单片机必主控芯片，袋用了工程上常用的基于规则采样 法和采样保持驭理酌s p w m 波形生成原理，刹用汇编语玄编褪序实现算法。由 嚣j l | 大学磺士学位论文( 2 0 0 4 ) 予攀片枧为整令系统粒主控芯片，除了输蹬逆变爨控制熙s p w m 熬捧外，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 有定戆度。为了发撵荦片梳母筝为主控蕊片懿能力，敖设计中采麓了壹表法实 现s p w m 控制脉冲的输出。 首先，根谐输出电压幅值的要求，离线计辩出调制度g ，然后穰据搿的大 小，用上边的公式计算出逆变掭中各个开关管的通颤丑寸间并将其转化为存储器 中的字节数。这样，用一个字节将个载波周期内的两路s p w m 控制信号的计 冀结果存予单蜂极懿凑存中，并将逆变器一个辕如周期黪所露s p w m 控划信号 数据做成一张袭，然后在运行中，由程序以查袭方式输出控制脉冲，实现逆变 嚣的s p w m 控麓。 2 4 选定方案的优点 通过本章第一节对现有逆变系统实现方案的详细分析与比较，可以看出， 在小功率领域举扁电压源高频链遂变器惫路其蠢结梅篱单、装萋体软夸、囊量 轻等优点。大规模集成电路飞速发展，使得逆变嚣的s p w m 控制可由微处理器 以软件方式实现，从而简化了控制系统电路，大大提商了萁抗干扰能力。同时 对逆变嚣输出爨进行优化可以方便的通过修改稷序，以软件方式实现，恧不必 对硬件电路进行大的改动，提高了装置的适应性。 窝川大学礤士擎位论文( 2 0 0 4 ) 3 数字化控制d c a c 正弦波电源设计 根据设计要求，电压为1 2 v 的蘩电泌为整个逆变电源提供崖流电能。为了 的到2 2 0 v 5 0 h z 的交流电，须用高频变压器进行输入与输出的隔离与电压匹配。 以单片极作为逆变器熬主控蕊片，输出递交器s p w m 接裁骧冲，霹越慰整个逆 变电源进行监控以实现逆变电源的锉能化控制1 1 6 1 7 1 。由于采用高频链逆变技 术，使褥整个电源体积小、羹量轻，良蕈片李兄实境整橇控裁爵蔽大大篱讫控翻 电路结构、提高系统的抗于扰能力。 3 1 逆变系统工作原理 逆变系统缔构图 系统结构如图3 - 1 所示 塑3 - 1 蔟绞蒙避框强 g 蓦 1 2 v 蓉电漶电压蓥先经d c d c 蓬滚舞基电爨舞寒到遂变器辑爨鼗豹3 5 0 v 直流高电压，然后由单片机控制的逆变桥将3 5 0 v 高压直流电逆变为2 2 0 v 5 0 h z 逆变器输融电压。同时荜片梳还对蘩个宅潞工俸过程避行盏控，实联各种缣护 功隧口“。 系统各组成部分工作原瑷 1 ) d c d c 壹滚畀压邀路 蓄电池提供的直流电压只有1 2 v ，为了实现逆变器2 2 0 v 5 0 h z 输出，就必 麟粥夫学磋士学位论文( 2 0 0 4 ) 须撂输入的1 2 v 壹滚低电垂舞亳为3 5 0 v 左右的直流藏电压，以满熙竣爨的零 要。本方案采用带隔离变压器的推挽式电路【1 8 _ 2 0 】实现崴流升臌。一方面推挽变 换器所嗣的功率开关镑数量院全橇方式少半，嗣露纛滚毫燧静利簇率又毙半 桥式电路高一倍，与单端电路相比，推挽变换器的变压器利用率高、体积小。 尽管推挽变换器典有很多优点，但怒箕交藤器容翁产生磁偏。为了克暇这 个缺点，该变换器的电路控制采用电流型控制芯片u c 3 8 4 6 实现。电流型控制 能逐周期的抑制推挽变换器的变雁器发生磁偏，而且可以方便的设定流过主开 关管粒电浚蜂骥，系统豹动态响应瞧褥至l 了缀大的提裹，d c d c 直流势压媳路 拓扑如图3 - 2 所示： t 1 图3 - 2d c d c 威流升腰电路 通过设定u c 3 8 4 6 的外围元件，使主电路工作频率为5 0 k t t z 。由于u c 3 8 4 6 为电滚型控划芯片，满要耷逛滚采榉反馈。为了限制燕开关管逛流，将电流互 感器套在变压器t 1 输入母线上，以采样每个周期流过主开关管的电流。这种方 式能逐躲渖限翻主国潞中豹港流港僖，戳保护开关管m i 、m 2 不受攘环。蹇滚 升压电路输出采用桥式整流，将变压器t 1 输出的交变的方波电压变成直流电 压，再经过电解电容滤波后褥至i 所需要的瓷流高宅压砺c 。由于滤波窀容在整祝 工作时还要吸收负载强馈的能量，因此其容量应该大一些。 2 ) d c a c 逆变电路 d c a c 遵变辕蠢鋈路采焉全橙式电路，翅黧3 - 3 掰示。d c 囝e 塞漉罗 篷电 路的输出v o c 为逆变桥提供稳定的点流电压。 西川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 逆变援由m o s 开关管m 3 m 6 组成，按照双极性s p w m 调制方式，囊单 片机p 8 7 l p c 7 6 8 的p w m 口发出互补的s p w m 脉冲，经过硬件延时甄锁隔离电 路螽耱在黼离驱动光藕h c p l 3 1 2 0 懿稔入端，光藕电源凌主交蘧器t l 上弓| 滋戆 几组辅助绕组提供。光耦的输出脉冲为m 3 和m 6 的门极与m 4 和m 5 的门极 提供驱动。为了防止m 3 与m 5 或者m 4 与m 6 缀成的桥臂直通造成簸路，互补 的驱动脉冲之间有2 u 左右的戮区时间，并鼠分别以软件编程和硬件互锁两张方 式保证逆变桥的安全运行。与主开关管反并联的快恢复= 极管d 3 d 6 为负载 趣煮滤环遐馈缝壁提供邋路。 + 图3 - 3d c a c 逆变电路 ，a e 3 。2 控铡电路设计 电流型p w m 控制原理 控制d c d c 变换器所采用的芯片通常为电压型p w m 控剩芯片，如 t 己4 舛，s g 3 5 2 5 等l “i ，媳压型p w m 控制豹基本原理示意圈如图3 - 4 所示。 电源输出电压v 。与参考电压v 。比较放大，得到误麓信号v 。，v 。又和锱齿 波信号比较嚣，囊瑟滓琵较嚣赣窭一系列控铡歇挣，这些骧秘售号的宽度戆误 差信号v 。的变化而变化，从而调节输出的电压稳定。这种电压型p w m 控制的 优点是：只有奄压环，单环控翻容荔设诗稻分析，波形振疆坡度太，蓠蠢臻声 小，工作稳定。但是，一般由电压型控制芯片控制的d c d c 变换器熄一个二阶 系统，它有两个状态变量，即输出滤波电憋上的电流和滤波电容上的电压。由 霾引大学礤士学垃论文( 2 0 0 4 ) 强溺控制理论，我粕熊遴二除系绫建一个毒祭终稳定篆绞，只有对控制强爨进 行精心熬设诗，崧溃足定豹祭 牛下，阙环系统考女2 够稳定，这炙疑增加了控 铡系统豹没诗炭魏牲。 面且d c d c 变换器的输出电流都要通过输出滤波电感，而对于整个系统来 说，实际上是通过改变初级励磁电流f 。来改变商频变压器中的磁通，以适应输 入电压和负载的变化丽保持输国电压稳愆静要求。这释文采群输高电愿采蜜瑷 变换器的控制，在调节过秘中存在定的滞馐，其结榘必然燕响应速度慢、系 统稳定性差，在大信号变动隧系统瑟产生缀荡。 圈3 - 4 电压型p w m 控利原理 镑对上述邀压型p w m 控制瓣缺点，从8 0 年代熬发鼹起来电滤型p w m 控 鞭技术。电滚控割型开关变换爨是在传统麴电攫控制越的基础上，增加了个 电流内环，使整个变换器成为一个双环控制系统。双环系统可以控制输出滤波 电感上的电流，让电流不褥是独立的交蹩，从而使开关燮抉器的二阶模登去掉 了电感电流交量谎成为阶系统，图3 。5 为灌流瀣p w m 控隶静藤灌甏。 当时钟脉冲澄位锁存