（电力电子与电力传动专业论文）400hz航空用逆变电源的研制.pdf

j e 塞窑通厶堂硒堂位论塞旦! 基! a b s t r a c t a b s r r a c r 4 0 0 h zi n v e r t e ri sas p e c i a lp o w e r ss u p p l yu s e di nt h ea e r o n a u t i c a l s y s t e m m o r ed e m a n d sa t ep r o p o s e df o ri t ss p e c i a la p p l i c a t i o n d i g i t a lc o n t r o l 、h i r g h e f f i c e n c y 、h i g hc a p a b i l i t ya c c o r d sw i t ht h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ep o w e rs u p p l y f o r t h i sd e m a n d ，p a p e rg i v ea n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n ga b o u tan o v e lt o p o l o g yo fc i r c u i t a n dm o d i f i e dr e p e t i t i v ec o n t r o ls t r a t e r g yb a s e do nd s p 2 4 0 r 7 a t h e p a p e rw i l lg i v eac o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o na b o u t an o v e lc i r c u i t ，t h e nw e f o c u so nc o n t r o lc i r c u i td e s i g na n dm o d i f i e dr e p e t i t i v ec o n t r o ls t r a t e r g yr e a l i z a t i o n h i g h - f r e q u e n c yl i n ki n v e r t e rb e l o n g i n gt ot h et y p eo fd i r e c tc u r r e n tc o n v e f l o r i s u s e di ni n v e r t e rc i r c u i t ，a n di ti sm a d eu po fd i r e c tc u r r e n tc o n v e r t o ra n dp o i a r i t y r e v e r s a li n v e r t e rb r i d g e i th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sc o n c i s i o no fc i r c u i ts t r u c t u r e ， t h ef o r m e rg r a d ew o r k i n ga ts p w mm o d e ，t h el a t e rg r a d ew o r k i n ga tm i d d l ef r e q u e n c y q u a d r a t ew a v ei n v e r t e r ，l o wv o l t a g es t r e s so fi n v e r t e rb r i d g e sp o w e rs w i t c ha n d a c h i e v i n gz v s ，h i g ha b i l i t yo fr e s i s t i n gi n p u tv o l t a g ed i s t u r b i n g i ti sad i g i t a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s p t m s 3 2 0 u 砣4 0 7 a t h e r ea t es o m e d i s a d v a n t a g e ss u c ha st o om a n yc o n t r o le l e m e n t s 、u n f i e x i b l e 、b a dc o n s i s t e n c y d u et o a l lo ft h i sd i s a d v a n t a g e so fa n a l o gc o n t r o lm o d eu s e di nc u r r e n tp r o d u c t s ，t h e i m p l e m e n t a t i o no fd i g i t a tc o n t r o l l e ri sd e s c r i b e di n t h i sp a p o r t h es y s t e mh a st h e c h a r a c t e r i s t i co fs i m p l ec i r c u i ta n ds c a n t yc o s to fu p g r a d e ，a c c o r d sw i t ht h e d e v e l o p m e n tt r e n do fm o d e r nc o n v e r t o r ， i tw i l lh a v ew i d ea p p l i c a t i o n s i no r d e rt og e ta g o o dc o n t r o ls t a t e ，am o d i f i e dr e p e t i t i v ec o n t r o ls t r a t e r g yi sp r o p o s e d a n dr e a l i z e di nt h i ss y s t e m ，a n dd y n a m i cs t a t ea n ds t e a d ys t a t ec h a r a c t e r i s t i c sa r e i m p r o v e d k e y w o r d s ：d i r e c tc u r r e n tc o n v e r t o r d s p m o d i f i e dr e p e t i t i v ec o n t r o l c l a s s n o ： 致谢 本文研究的课题是和航天拓扑公司共同合作的项目，感谢我的导师会新民教 授给了我这个参与实际项目的实习机会，本论文的工作是在我的导师金新民教授 和航天拓扑公司王国礼的指导下完成的，金新民教授严谨的治学态度和科学的工 作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来金新民教授对我的关心和 指导。 金新民教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向金新民老师表示衷心的谢意。 航天拓扑公司王国礼在我的项目的开展和开发过程中给予了我无私的帮助和 指导，使我在实际科研能力和理论知识掌握上有了长足的进步，在此表示衷心的 感谢。同时航天拓扑公司的领导刘远福、任园园为我在工作中提供实验设备和很 多的便利条件，使我能顺利完成此项目，在此我对他们表示衷心的感谢。 在实验室工作和学习过程当中，吴佟、李田雨、张凌、陈瑶、张永强等同学 给予了我极大的帮助，在此向他们表示感谢。 在研究生的学习过程中，与我的舍友陆书文、程冰、张琦在学术和科研方面 的讨论，使我在各方面都有长足的提高，在此表示衷心的感谢。 感谢答辩委员会的各位评审专家和老师，感谢他们在百忙之中抽出宝贵的时 自j 来评阅论文、出席答辩并不吝提出宝贵的指导和建议。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 丝塞蛮适盘堂亟堂位 j 垒 塞 援述 1 概述 中频逆变电源，广泛应用于飞机、舰船、雷达、通信、导弹、车辆等领域， 其技术要求高，正向着高可靠性、轻量化、智能化模块电源方向发展。逆变电源 控制方法的实现可以采用数字控制，这是实现智能化和高可靠性的前提。而且可 以方便的实现模块化，对于产品的系列化生产具有很好的借鉴。数字控制系统具 有通用性好、抗干扰能力强、控制规律灵活、可实现先进控制算法和便于实时控 制等优点。 1 1 数字化逆变电源的发展 传统的逆变电源多为模拟控制或者模拟与数字相结合的控制系统。虽然模拟 控制技术已经非常成熟，但其存在很多固有的缺点：控制电路的元器件比较多。 电路复杂，所占的体积较大；灵活性不够，硬件电路设计好了，控制策略就无法 改变；调试不方便，由于所采用器件特性的差异，致使电源一致性差，且模拟器 件的工作点的漂移，导致系统参数的漂移。模拟方式很难实现逆变电源的并联， 所以逆变电源数字化控制是发展的趋势，是现代逆变电源研究的一个热点。 近年来随着大规模集成电路、现代可编程逻辑器件及数字信号处理器( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ，s p ) 技术的发展，使逆变电源的全数字控制成为现实。s p 能够实 时地读取逆变电源的输出，并实时地计算出p w m 输出值，使得一些先进的控制策 略应用于逆变电源控制成为可能，从而可对非线性负载动态变化时产生的谐波进 行动态补偿，将输出谐波达到可以接受的水平。 逆变电源采用数字控制，具有以下明显优点： ( 1 ) 减少控制元件数量，提高系统抗干扰能力。 ( 2 1 控制系统的可靠性提高，易于标准化，系统的一致性较好，便于调试、安 装等。 ( 3 ) 有利于大规模逆变电源组成并联运行系统。从而实现高可靠性、高冗余度 的逆变电源并联运行系统。 ( 4 ) 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，输出电能质量好，可靠性高，便于实现智能控制。 随着微处理器的可靠性与质量的不断提高，数字控制已经在逆变控制中占据 着主导地位，本文提出了一种基于d s p 控制的方案。 1 2 数字化逆变电源的控制 由于早期的微处理器运算速度有限，逆变电源的核心控制仍然需要模拟电路 的参与，随着电机控制专用d s p 的出现和控制理论的普遍发展，使得逆变电源的 控制技术朝着数字化、智能化方向发展，对于各种控制策略和控制算法的实现成 为可能。 常用的控制策略包括p i d 控制、无差拍控制、重复控制技术、状态反馈控制 等等，各种控错4 方法具有各自特点，有各自的应用范围，有时为了达到较好的性 能可能要求使用几种控制方法，本文采用了改进型重复控制，并通过d s p 得到了 较好的实现。 1 3 本文主要研究内容 本文对交流输入2 2 0 v ，输出交流1 1 5 v 、4 0 0 h z 的中频电源进行了研制。此 项目是与“航天拓扑公司”共同研制的项目，本人为此项目的主要研制入。本文 的主要内容主要集中在以下几点： 1 、基于双向直流变换器高频逆变技术的主电路的结构，双向的d c d c 生成 全波整流的正向的馒头波，极性反转逆变桥完成极性反转，此电路结构简洁、功 率双向流动、适应负载能力强，幅值的调制与极性控制独立实现，控制实现更加 简单。 2 、控制策略采用改进型重复控制，结合p i d 控制与重复控制各自的特点，对 于电源的一些非线性的负载特别是整流性负载能得到较理想的输出电压波形。 3 、控制芯片采用的是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，由于芯片本身的结构特点能够较好 的实现控制算法，提高系统的动念特性和稳态性能，达到较理想的控制要求。 韭塞窑适厶堂亟堂包j 金塞直速銮捱墨型商筮巫丝逆变 2 直流变换器型高频环节逆变 2 1s p w m 脉宽调制技术 s p w m 正弦脉宽调制法( s i n u s i o i d a lp w m ) 是调制波为正弦波、载波为三角波 或锯齿波的一种脉宽调制法，由于三角载波的频率通常较高，因而理论上其输出 电压波形的谐波频率主要集中在较高的频率段上，所以经过很小的滤波器就可以 得到比较理想的j 下弦波输出电压。这也是j 下弦脉宽调制技术得到广泛应用的原因 之一。其工作原理是采用正弦控制信号与高频三角波载波信号相交截，产生正弦 脉宽调制信号，再经过逻辑变换、功率放大等环节，得到功率管的驱动信号，驱 动功率管开通关断，从而在逆变器的输出端得到正弦调制输出。这项技术的特点 是原理简单，通用住强，控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电 压的多重作用，是一种较好的波形改善方法，它的出现为中小型逆变器的发展起 了重要作用。 s p w m 正弦脉宽调制根据每发生一次开关过程中，桥臂输出电压的脉冲极性 的变化不同可分为双极性脉宽调s f j ( b i p o l a rp w m ) 方式和单极性脉宽调s r ( u n i p o l a r p w 啪方式。 1 、单极性调制 通过控制功率丌关管的通断，使输出电压在+ u c o 或一u 印即+ i 0 ( - i 0 ) 之 间切换，这就是单极性的调制。 用幅值为u r 的参考正弦波，与幅值为u c 频率为正的三角波u 。比较，产生 功率开关驱动信号。单极性正弦脉宽调制原理波形可采取以下几种方式，具体如 图2 1 所示。 图2 - 1 ( a ) 是用两个极性相反的参考正弦波与双向三角形载波交截产生功率 开关驱动信号。这是单极性s p w m 调制当中的倍频调制方式。 图2 - 1 ( b ) 单极性调制是用单相正弦波全波整流电压信号与单向三角形载波 交截，从而得到高频驱动信号。低频信号指的是控制单极性馒头波倒向的驱动信 号。 图2 1 ( c ) 是直接用参考正弦波与单向三角形载波交截产生功率开关驱动信 号。 对于单极性的调制可根据实际电路采用不同的方法，在本文中，采用是图( b ) 所示的方法，结合实际的主电路结构使控制更简洁，达到较好的效果。 3 2 、双极性调制 工作在双极性脉宽调制方式下的逆变器的对角功率管同时开通和关断，同一 桥臂上的两个开关管互补导通，所有功率管均为调频开关。每发生一次开关，逆 ( a ) ( b ) ( c ) 图2 i 单极性调制 f i g u r e 2 1u n i p o l a rm o d u l a t e 变桥的输出电压为正输入电压或负输入电压，从而输出电压在正负电平之闻切换。 即+ 1 一1 ( 一1 + 1 ) 切换方式，整个输出电压周期内所得到的是两态输出电压波 形。 4 对于b u c k 型逆变器，有单极性和双极性两种调制方式。单极性调制属于“1 ”， “0 ”、“一l ”三态调制，在一个输出周期内，只有一段区自j 内的能量从交流侧回 。叁槲瓢页v 蔫 ； 删 ； l i ； n r nr 几f | nr nnnnn 厂1n 万用r f 1f 1n 旷啦 _ jl jl ju 卧u u 卧坩 图2 - 2 叔极性调制 f i g u t e 2 0 lb i p o l a rm o d u l a l e 馈到直流侧；双极性调制属于“1 ”、“一l ”两态调制，每个开关周期均有能量从 交流侧回馈到直流侧。因此，单极性调制逆变器将比双极性调制逆变器有更优良 的输出频谱特性、更小的输出滤波器。 2 2 直流变换器型高频环节逆变 直流变换器型高频环节逆变1 1 1 1 2 1 1 3 1 是逆变器技术中的新概念，它由直流变换 器和极性反转逆变桥级联而成。直流变换级将直流电压变换成全波整流电压，极 性反转逆变桥将其逆变成正弦交流电，其类型由前置直流变换器的类型( b u c k 或b u c k b o o s t ) 决定，因而称为直流变换器型高频环节变换器。下面将对单向 直流变换器和双向直流变换器分别介绍。 2 2 1 单向直流变换器型高频环节逆变 单向直流变换器型高频环节逆变器电路结构及控制系统如图2 3 所示。该电 路结构由单向d c d c 变换器、滤波器、极性反转逆变桥构成，具有电路结构简洁、 5 些塞g 道叁堂亟堂僮途塞直速銮基墨型商题珏：直逆变 单向功率流、直流变换级工作在s p w m ( 输出电压调节范围宽) 、极性反转逆变桥 功率开关电压应力低且为z v s 、输出滤波器负担减轻、适用于可再生能源的有源 逆变以及阻性满载时的无源逆变场合。 单向d c b c溶捩器极性反转逆变桥 a ) 电路结构 a ) f r a m eo fc i r c u i t 功率控制 b ) 控制系统 b 、c o n t r o ls y s t e m 图2 - 3 单向直流变换器型高频环岿逆变器电路结构与控制系统 f i g u r e 2 - 3f r a m e a n dc o n t r o ls y s t e mo fs i n g l ed i r e c tc m r e n ! c o n v e r t o r 如果将直流变换器用于无源逆变场合，其结果是空载、容性负载、感性负载 甚至阻性轻载时输出正弦电压波形严重畸变，仅在阻性满载时输出波形较好，即 负载适应能力弱。图2 _ 4 是在不同负载( c o s v = - - 0 7 5 o 7 5 ) 时，2 k v ad e 1 8 0 v a c l l 5 v 4 0 0 h z 逆变器的输出电压仿真波形。仿真结果表明：( 1 ) 阻性满载 时，输出电压质量高，如图a 所示i ( 2 ) 轻载或空载时，输出电压近似为一方波， 其原因是空载或轻载时，直流滤波电容c 没有放电回路或放电时间很大：( 3 ) 容 性负载时，输出电压在某时间内保持恒定，当直流滤波电容和交流负载电容上的 电压相平衡时，均无放电回路，输出电压发生畸变，如图c 所示：( 4 ) 感性负载 时，直流滤波电容c 和交流负载电感发生谐振，如图d 所示：因此，该逆变器输 出电压波形受负载影响很大，即负载适应能力弱，仅适用于阻性满载场合，不具 有普遍适用意义。 6 韭盛变通左兰亟芏垃监奎直逋至趣墨型毫题巫笪逆变 c a ) 阻性满载f b ) 轻载或空载 c o ) 额定电容性负载【d ) 额定感性负载 幽2 - 4 逆变器不同负载时的电压仿真波彤 f i g u r e 2 - 4 v o l t a g e s i m u l a t e r e s u l t o f i n v e r t e r i n d i f f e r e n t l o 叫 2 2 2 双囱直流变换器型高频环节逆变 双向直流变换器型高频环节逆变器【4 】【5 】如图2 5 所示， g t h 双向d c d c 变 换器、滤波电路、极性反转逆变桥构成，具有电路结构简洁、双向功率流、直流 变换级工作在s p w m ( 输出电压范围宽) 、逆变桥功率开关电压应力低且为z v s ， 输出电压波形质量高、负载适应能力强等特点适用于无源逆变场合。 # 扯尝 舳 v u a c 垂亟卜回囡一 双向虻肛i 丧淡嚣辍性反转逆饔矫 a 电路结构 功率 b ) 控制系统 图2 - 5 职向直流变换器型高额环1 ，逆变器电路结构与控制系统 f i g u r e 2 - 5f r a m ea n dc o n t r o ls y s t e mo fb i d i r e c t i o n a ld i r e c tc u r r e mc o n v e i l o t 由于双向的直流变换器能够实现能量的双向流动，所以变换器能够将交流负 载无功能量或电容上的电荷回馈到输入直流电源侧，从电感处的电流可以看到电 流为负时，负载向电源反馈能量，从而保证输出电压的正弦性，使电压虬在任何 负载时部能跟踪参考电压信号“，的变化，从而获得理想的输出电压波形。逆变器 在不同负载时的仿真波形如图2 - 6 所示 c a ) 额定阻性负载( b ) 空载 c e ) 额定容性负载c d ) 额定感性负载 图2 _ 6 逆变器不同负载时的输出电压、电感电流仿真波形 f i g u r e 2 - 6v o l t a g ea n dc u r r e n to fi n d u c t o rs i m u l a t er e s u l to fi n v e r t e ri nd i f f e r e n tl o a d 双向d c d c 的二个开关管均为恒频s p w m 控制，二者交替工作。二个开关 管的控制主要是控制有功功率向负载的传递以及无功功率的反馈。 双向直流变换器型高频环节逆变器的电路结构，由双向直流变换器和极性反 转逆交桥构成，具有电路结构简洁、双向功率流，输出电压波形质量高、负载适 应能力强等特点，有效地克服了单向直流变换器型高频环节逆变器的固有缺陷。 本文中逆变电源采用的这种结构，通过合理的控制算法能够达到预期的目的。 2 3 本章小结 本章主要介绍了直流变换器高频环节逆变这种电路结构，直流变换器由双向 直流变换器和极性反转逆变桥构成，具有电路结构简洁、双向功率流、输出电压 波形质量高、负载适应能力强等特点。这种电路结构即b u c k 逆变器应用在4 0 0 h z 逆变电源中。具有负载适应能力强，效率高等特点。并且采用单极性的s p w m 调制， 单极性调制逆变器将比双极性调制逆变器有更优良的输出频谱特性、更小的输出 滤波器。这种主电路结构也使功率开关管的控制更加简单，简化了控制电路设计 8 及控制方法的实现，为逆变电源提高整体性能打下基础。 9 3 1 技术指标 3 系统综述 输入电压：交流2 2 0 v ，频率5 0 h z 额定输出功率：2 k v a 输出电压波形：正弦波 输出频率：4 0 0 h z 输出电压总谐波失真：t h d 3 + 3 0 ；i 为下一罔期占空比的1 1 4 作为限制用防止出现芷饱和 i 士( d u r y c e r r t a b l e v a c e r r i i 一t n b l e p o s e 。i i d u c y c e k rc a b l e v a c e r r dt e o o l ep o s e l i ； i fi d u t y c e r rc a bl e v a c e r r dt a b l ep o s e 5 j d u t y c s d u t y c + 2 0 ； i ff d u t y ( ： 4 9 9 i d u t y ( ：- q 9 9 ； i fl d u c a t - 0 ) d u t y c z 0 ； 图6 - 5 占空比输出限何程序 f i g u r e 6 - 5d u t yl i m i tp r o g r a m m e 2 ，补偿问题 补偿量c o m p l ：在程序中，由于计算占空比的时间与占空比起作用的时间相 差一个周期，即控制存在一个延时，所在由补偿量c o m p l 进行补偿，即提前c o m p l 周期发指令。 补偿量c o m p ：在重复控制中，有一占空比控制量表，这是每一周期误差通过 一个比例环节不断累加的过程，对于误差加入需要一个补偿量，也就是控制具有 超前性，这在前面的重复控制中已经提到，提前c o m p 个周期取误差，加入控制量。 此控制量很重要，直接影响控制器稳定性。 由于采样存在延时，在这里为一个开关周期的延时，所以求误差值时应进行 补偿，即把采样值与前一周期的基准电压相比较，从而得到误差值。在这里补偿 量为1 。 死区的补偿：在驱动信号输出过程中。存在着占空比的损失。所以要进行死 区补偿，也就是补充占空比。 以下几个波形为实验当中输出电压的波形，由于限位问题及补偿不合适，使 波形不稳定有较大的畸变但经过多次补偿后达到较好的效果。 型硝输出电压波形及驱动波形 f i g u r e 6 - 5w a v eo fv o l t a g ea n d d r i v e 如图6 5 所示，由于补偿不合适，使波形出现轻微的振荡，并在过零处有一平 台，输出波形谐波含量大。 缁6 - 6输出电压波形 f i g m e 6 6 w a v eo f v o l t a g e 如图6 - 6 所示，对控制器加入合适的补偿后，波形得到显著的改善，但在过零 点还存在着一个较小的平台。 图6 - 7输出电压波形 f i g u r e 6 - 7w a v eo fv o l t a g e 考虑到采样的延时、基准正弦表存在的误差，并相应的对延时进行补偿，对 正弦表进行调整后，平台基本消失，波形基本达到要求，如图6 - 7 在上述控制器各参数的实际调试当中，对于各个补偿要综合考虑，并经过多 次试验，才能达预期的效果。 3 、前馈部分 数字控制系统本身存在量化误差和采样计算延时，这些都要求控制系统设计 时留有很大的稳定裕量，因此调节器调节作用不能过大，为了解决这个问题，本 文应用了基于前馈补偿的控制办法，利用绘定前馈改善了系统的稳态跟踪精度， 减小了输出电压的波形畸变。从系统的控制框图所示，系统的输出脉宽控制量由 两部分组成：一是改进型重复控制器，它起到跟踪参考波形，减小谐波畸变的作 用；二是给定前馈，它输出一个恒定的控制量，相当于开环控制，在系统中起到 减小稳态跟踪误差的目的，对于前馈量大小的选择也影响到调节器的性能，在实 际程序当中如果前馈量太大，电压调节的能力弱一些，即稳压范围较小，可适当 降低前馈量的值，从而在一定程度上扩大了稳压范围。 4 、误差表、占空比控制表 在控制器当中设置了误差表及占空比控制表，两个表的设立具有重要的意义， 这也是重复控制核心所在。误差表保留一个周期内各个采样点的误差，正是因为 保存了这个误差表，所以才使重复控制当中的超前环节成为可能，即对输出电压 具有超前的控制作用。相当于通过这个误差表使控制器具有记忆功能，从而不断 修正输出。 误差表取的是完整的正弦周期，存贮1 0 0 个点，而不是半个周期5 0 个点，这 主要是因为针对不同的负载而设定的。比如半波整流负载，对于一个完整周期正 半周与负半周的电压波形是不同的，所以只有完整的周期内输出误差才具有周期 性，而周期性误差正是我们采用重复控制前提条件。 6 5 系统的软件流程 d s p 的控制流程中，采用了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的二个定时器t i m e l 、t i m e 3 。 t l 定时器提供低频4 0 0 h z 的开关信号，输出正弦波，t 3 定时器提供高频4 0 k h z 开关信号基准。t 1 、1 r 3 为同步，具有相同起始时刻。软件的核心部分由以下几部 分组成：主程序、t l 比较中断服务子程序、t 1 周期中断服务子程序、1 3 周期中 断服务子程序、p d p i n t 中断服务子程序。 6 5 1 主程序的流程 主程序如图6 - 8 所示，主程序主要是对特殊寄存器、f o 模块、a d 模块进行 初始化，对变量进行定义，同时还要完成软起动的过程，启动定时器t 1 、t 3 ，然 后循环等待。一旦中断来临，程序就会跳到相应的中断服务子程序。 l 总中断禁止l 上 l 系统初始化l 上 ，口初始化 d 初捌r 化 w m 输出功能 ! 局变量初始化 0 软启动i 上 动定时器t 3 、t 毒 l 开中断 i 循环环等待l 上 结；耗 图6 - 8 主程序流释图 f i g u r e 6 - 8f l o wc h a r to fp r o g r a m m e 5 1 6 5 2t 1 比较中断子程序的流程 n 比较中断子程序的流程如图图6 - 9 所示。t 1 比较中断是每2 5 m s 中断一次， 在t 1 的比较中断主要完成的任务：将指令正弦表的指针清零，即把正弦基准从零 开始，将t 3 各寄存器进行韧始化，即高频信号的产生是以t l 定时器产生的低频 信号中跳变处作为基准的。 匝受圃 i l 正弦表 旨针归零 上 lt 3 各寄帝器初始化 l 吮许t 3 周期中断、 l下溢中断 图6 - 9 定时器t 1 中断服务子释序 f i g u r e 6 - 9t u n et ii n t e r r u p tp r o g r a m m e 6 5 3t 1 周期中断子程序的流程 t l 周期中断子程序的流程如图6 - 1 0 所示。t l 周期中断是每2 5 m s 中断一次， 与t 1 的比较中断完成相同的任务。将指令正弦表的指针清零，即把正弦基准从零 开始，将t 3 各寄存器进行初始化。 童 甲 l 正弦表 旨针归零 上 t 3 各寄亭器初始化 i l 允许t 3 周期中断、 i下溢中断 图6 - 1 0 定时器t l 周期中断服务子程序 f i g u r e 6 - 1 0t t m et 1p e r i o di n t e r r u p tl r o g r a n n n e 6 5 4t 3 周期中断子程序的流程 t 3 周期中断子程序的流程如图6 - 1 1 所示。t 3 周期中断是每2 5 u s 中断一次， 在1 3 的周期中断主要完成的任务：对a d 采样的电压值进行处理，查正弦表求出 电压的基准，求出误差，并存入误差表，根据误差表及误差进行重复控制及p i 调 节，并求出占空比，根据占空比装载c m p r 4 ，完成p w m 的输出。即高频的开关 信号。 6 5 5p d p i n t 中断子程序的流程 p d p i n t 中断子程序的流程图如图6 1 2 所示。主要是对一些p d p 事件进行响 应，关闭p w m 输出。 童 l 根据误差进行重复 i 控制、p i 调节器， l求占空比 l 姨入c i v i p r 4 图6 - 1 1 定时器1 3 周期中断服务子程序 f i g u r e 6 - 1 1t i m et 3p e r i o di n t e r r u p tp r o g r a m m e 6 5 6n o t 瞰n g 中断子程序的流程 n o t h i n g 中断子程序的流程图如图6 - 1 2 所示。主要是对一些干扰信号，意 外进入中断进行处理，在n o t h i n g 中断子程序中不作任何操作，只是返回。确 保了软件稳定性。 图6 1 2 p d p 中断服务子程序 n o t h i n g 中断服务子程序 f i g u r e 6 - 1 2p d pi n t e r r u p tp r o g r a m m e n o t h i n gi n t e r r u p tp r o g r a m m e in o 唧尊干 l扰中断 爱害 亍匈著罩篙 6 6 程序中需要注意的地方 1 、本程序中主要功能都在中断中完成的，开关频率较高为4 0 k h z ，所以对时 间要求较高，要求中断程序必须要优化，所以在程序中要尽量少用函数，因为执 行函数需要很多时间。比如开中断用e n a b l e 0 将会用更多的时间，可以用汇编语句。 2 、在每一个中断入口处，要先开中断，消除中断标志位。这样以后中断才可 以发生。对于a d 在初始化后要重新启动，在每一次处理完数据后也要重新启动 才能生效。在t 1 的比较中断中要完成对定时器1 r 3 的重新设置，必须所有参数重 新赋值，并且执行启动命令，否则在歼始的一个周期中高频计数方向不会改变。 3 、在程序控制中调节器的设计是一个很重要的部分，它直接影响到系统的稳 定性。调节器主要由以下几个控制参数有关；占空比的补偿、误差的相位补偿、 p i 参数、各调节量的限幅等。其中误差的相位补偿非常重要，在这里补偿为3 拍。 由于主电路为l c 滤波，所以系统存在较大的延时，对它的补偿也很重要。 4 、输出正弦波过零点有一平台，这平台将会影响到输出的波形。这个平台由 于过零控制不合适导致的，这个平台的消除与以下几个参数有关，调整补偿占空 比，使整个波形抬高，这在低频极性翻倒时会减少平台的宽度。采样比较存在延 时，所以应在比较时把基准提前进行补偿，还可以把正弦表在一定范围内进行平 移，以调整输出波形。由于正弦表由一定数量的采样点组成，这些点非线性，所 以这个乎台不可能完全消除，只能在一定范围减少。 5 ，a d 采样在每一次周期中断开始对数据进行处理，处理完成后启动a d ， a d 的采样自动进行。在这里并不是在中断对a d 进行查询，等待采样完成，因为 这样会浪费很多时间，而且时白j 不准确，但这会导致采样延时一个周期，所以在 程序中要对这一延时进行补偿。a d 采样在这里并不是采用中断的方式，由于a d 中断的优先较高，中断的方式会影响到其它重要的中断程序的执行 6 7 本章小结 本章对系统的软件设计进行详细的介绍，针对逆变电源的硬件电路的结构对 程序及算法进行了介绍，程序中主要的部分包括各种定时器的设计、p w m 驱动波 形的生成、几个重要的中断程序、重复控制算法程序，并详细介绍程序编写过程 需要注意的问题，各种参数的选取过程等，系统的软件设计也是本论文的重点部 分，通过实验可以看出程序的设计满足了电源的各项的技术指标。达到了预期的 目的。 7 试验结果与分析 一、测试的目的 根据给定要求测试样机的输出波形及基本性能指标。 二、测试条件 输入直流侧的电压为1 8 0 v ，直流电压通过交流调压器经整流滤波得到，负载 电阻1 0 0 欧姆。输出功率约1 3 0 w 。 三、测试项目 输入为直流1 8 0 v ，负载为1 0 0 欧姆时，开关管的驱动波形、输出电压波形。 空载时，输入电压波动时，输出电压的稳压度及波形。 带载时，输入电压波动时，输出电压的稳压度及波形。 输出波形的失真度的测量。 四、测试结果 l 、保证控制信号的正常，逐渐加大输入电压的幅度，当输入达到给定信号时， 输出波形为正弦波。输入电压比理论值稍低一些，主要是由于线路上的一些损耗 引起的。 2 、空载时，输入电压在1 7 0 v 1 9 0 v 变化时( 通过调压器调节) ，输出电压 能够稳定，输出为正弦波。 3 、带载时，输入电压在1 6 5 v 1 8 0 v 和1 8 0 v 2 1 7 v 变化时，输出电压能够 稳定。 4 、在带载和空载时，各输出波形的失真度分别为2 3 、1 5 。能够达到要 求。( 失真仪对三次谐波以上有作用) 五、测试波形 1 、高频开关管的驱动波形 幽7 - l 岛频丹天琶。的驱动波彤 f i g u r e - 1h i g l ，f r e q u e n c ys w i t c hd r i v ew a v e 如图7 - l 为高频开关管驱动波形，两个开关信号互补对称，开关频率为4 0 k h z ， 并有0 5 s 的死区，驱动信号的幅值为高电平为1 5 v ，低电平为0 v 。驱动波形宽 度通过s p w m 调制而成。 2 、输出电压波形 幽7 - 2输出电压波形 f i g u r e t - 2w a v eo fv o l t a g e 输出为正弦波，频率为4 0 0 h z ，有效值约为1 1 5 v ，波形能够达到设计要求。 当出现电压波动时，能够稳压( 空载与重载时稳压范围不同) ，并具有较小的失真 度，经测试失真度为2 左右。 幽7 - 3 输出电压渡彤 f i g u r e t - 3w a v eo f v o l t a g e 图7 3 也为输出电压的波形，2 0 m s 格显示，输出是正弦波，整体幅值出现 波动，这是由于在试验中直流侧的电压不是标准直流，而是通过调压器调压整流 滤波而来，受到电源整流电压1 0 0 h z 的调制，出现波动。原因在整流部分电容容 量小，没有电感引起的，重复控制器不能对1 0 0 h z 进行衰减，波动周期为1 0 m s 。 3 、各输出波形关系图 幽7 0各输出波形幽 f i g u r e 7 - 4w a v eo fo u t p u t 黄色信号1 为输出的正弦波信号，4 0 0 h z ，有较小的失真度，波形稳定。 紫色信号3 为s p w m 脉宽调制波。 蓝色信号2 为低频反向信号。频率为4 0 0 h z ，占空比为5 0 。 8 结论 4 0 0 h z 逆变电源主要的应用领域是航空专用电源，由于其应用的特殊性也就对 其提出了更高的要求，为了满足这种要求提高其性能，本文提出了新的设计方法 和改进措施，主要包括逆变电路新颖设计、控制电路的数字化及控制方法的改进。 本文对硬件电路给出具体的设计过程及相关元件的选型，通过理论上分析及试验 对各部分进行了优化。软件给出各部分应用程序，特别是控制算法得到了较好的 实现。通过最后样机测试，实验结果达到预期的设计要求及性能指标，取得较好 的试验效果。 尚待解决的问题： 对于逆变电源的设计达到预期的目的，但还存在一些需要解决的问题。 1 、本课题完成了样机的设计，但距离真正的产品还有很大的距离，对于电路 的设计的可靠性、安全性、工艺考虑的还不够，还需进一步改进。 2 、在程序的设计过程中，对于输出电压的采样及控制都是在开关周期中进行 的，由于d s p 2 1 4 0 7 a 速度及开关频率的限制，使得开关周期过程中的程序设计必须 精简、高效，这也使得程序设计受到了一定的限制。 3 、电源可带一定程度的感性及容性负载，但当感性负载过大时，会出现不稳 定的情况，这一点还需进一步改进。 参考文献 【1 1 1 陈国h i a v m 变频调速技术北京：机械工业出版社，1 9 9 8 【2 】熊雅红、陈道炼新颖的双向功率流高频环节d c - - a c 逆变器， 电力电子技术2 0 0 0 【3 l 周志敏等。逆变电源实用技术一设计与应用中国电力出版社，2 0 0 5 3 【4 l 陈道炼d c - a c 逆变技术及应用机械- 业吐j 版社1 5 0 1 5 9 【5 1 周代之等，一种新型不问断电源电路的探讨电力电子技术1 9 9 84 9 5 0 1 6 1y m 9 2 y u ，e ta 1 h i 【g hp e r o n n a n c ep r o g r a m m a b l ea cp o w e rs o m c ew i t hl o wh a r m o n i c d i s t o r t i o nu s i n gd s pb a s e dr e p e t i t i v ec o n t r o lt e c h n i q u e 【j 】i e e et r a n s o n p o w e re l e c t r o n i c s ，1 9 9 7 ，7 ( 4 ) ：7 1 5 7 2 5 7 1g h a n gk a i ，c h e nj i a n s t u d yo na ni n v e r t e rw i t ha s s i g n m e n ta n dr e p e t i t i v ec o n t r o lf o ru p s a p p l i c a t i o n s 【a1 i p e m c 2 0 0 0 【c 1 b e r i n g ，c h i n a ，2 0 0 0 6 5 0 2 6 5 3 【8 1y i n 9 2 y ut z o u ，s h i h 2 l i a n gj u n g ，h s i n 2 c h u n gy e h a d a p t i v er e p e t i t i v ec o n t r o lo f p w m i n v e r t e r sf o rv e r yl o wt h da c 2 v o l t a g er e g u l a t i o nw i t hu r k n o w nl o a d s 【j 】i e e e t r a n s p o w e rf l e x , ，1 9 9 9 ，1 4 ( 5 ) ：9 7 3 2 9 8 1 【9 lt z o uy , o er ，j u n gs ，e ta 1 h i g h f p e r f o r m a n c ep r o g r a m m a b l ea cp o w e r 懈w i t hl o w h a r m o n i cd i s t o r t i o nu s i n gd s pb a s e dr e p e t i t i v ec o n t r o lt e c h n i q u e i e e et r a n 髓d i o n so n p o w e re l e c t r o n i c s ，1 9 9 7 ，1 2 ( 4 ) ：7 1 5 - 7 2 5 【1 0 f r a n i c sb 九, e ta 1 t h ei n t e r n a lm o d e lp r i n c i p l ef o rl i n e a rm u l f i v a r i a b l er e g u l a t o r s j1 a p