（电力电子与电力传动专业论文）基于tms320f2812的变频调压功率信号源的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b 刚1 。a c t a b s 仃a c t t h et r a d “i o n a lp o w e rs i 舻a ls o u r c e sa d o p tl i n e 趾p o w e rs u p p l yo rs 讪t c h i n g p o w e rs u p p l yw h i c h i s a i l a l o g c o n 昀l l e d w t ht l l e a p l ) e a r 锄c e o ft h eh 啦 p e r f 锄a n c ed s pc o n 订o l l e r ，i ti sp o s s i b l et l l a ts w i t c h i l l gp o w e rc o l i v e n e rc a nb eu s e d a sp o w e rs i 印a ls o t l r c e nm a k e sf o ri m p r 0 v et 圭l el e v e lo fs y s t 锄si n t e g r a t i o n 锄d c o n 仃o l ，sf h n c t i o n t h i sp a p e rm a i n l yp r c s e n t sap o w c rs i g 捌s o 呲ew i md i 百t a lc o n t m l l e db yd s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2w h i c h 丘e q u e n c yo f o p e r a t i o nc a nb eu pt o1 5 0 m h z t h ep o w e rs i g n a l s o u r c ed e s c r i b e di 1 1t h ep 印e ri sc 印a b l eo fp m v i d i n gas t a b ka cp o w e rs o u r c e 、 ，i t l l v 撕a b l e 姗p l i t u d e 柚dv a r i a b l e 疗e q u e n c yo v e ra 诵d e 础1 9 e i tc a l lp m v i d ea i l a c c u r a t ev v v fa c p o w e r s o u r c eb yc o m b i n 撕v e 删u s t i n g 埘也d c - d ca n dd c a c 1 1 l ep o w e rs i g n a ls o l l r c ec a i lp r o v i d ev 嘶a b l ev o l 协g e 舶m2 vt o1 0 0 va 1 1 dv a b l e 缸q u e n c y 行o m2 0 h zt ol0 0 0 h z t h ed c - d cc i r c u i ta d o p t sn y b a c kc o n v e r t e r ，c o n 廿0 1 1 e db yi c e s 2 a s 0 1o f i n f i n e o n 1 1 1 ed c d c ，sr e f e 陀n c es i g n a lv r e fi sg i v e nb 船e do no u 印u tv 0 1 t a g eo f p o w e rs i g n a ls u p p l y t h ed c - a cc i r c l l i ta d o p t s 彻l m d g ei n v e n c r ，锄di t u s e s d o u b l e l o o pc o n t r o l l e rb a s e do nd s p1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 i nt h i sp a p e r ah o l i s t j cd e s i g np m p o s a 】a n do p e 删n gp 矗n c i p l ea r ep r e s e n t e da t 矗r s t t h ed e s 啦o fh d w 眦c i r c u i ti si n t r o d u c e d ，i n c l u d ed c - d cm a i nc i r c l l i t ， d c - d c ss a m p 】ec i r c u j t ，d c - a cm a i nc i r c u j t 卸dd c i a c ss 锄p j ec i r c u j t ，a n ds oo n 1 1 1 e n ，t h i sp a p e rd e t a i l e dp r e s c n t so p e r a t i n g 州n c i p l eo f d c a ci n v e n e r 趾dg i v e st h e d e s i g np r o c e d u r eo fl cf i l 懈锄dd o u b l e l o o pc o 玎怕l l e r t h es i i l l u l a t i o nr e s u j t sb a s e d o nm a t l a ba r ep r e s e m c d n e x t ，t h es o 脚a r ed e s 啦锄dn o wc h a na r ep r e s e m e d a tl 器t ，e x p e r i m e n t a lr e s l l l t sa r cp 咒s e n t c di nt 1 1 i sp 印e r k e y w o r d s ：i n v e n e r v v v f d s pc o m r o l ，d o u b l e 1 0 0 pc o n 删 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 现代社会离不开电源，工农业生产、国防建设、环境保护、教育、医疗卫生、 交通运输、衣食住行、文化娱乐、办工学习、科学研究、照明、通讯、宇宙探索 等等，都离不开电源。电源是目前人类生产和生活中最重要的一种能源形式。而 随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的进一步提 高，对电源的要求也越来越高。许多行业的用电设备都不能直接使用电网提供的 交流电作为电源，而是通过各种形式对电网的交流电进行变换，得到各自所需的 电能形式，才能使用电设备处于各自理想的最佳工作状况或满足用户负载的特殊 工作情况的需求，并获得最大的技术经济效益。在很多情况下，需要用到不同电 压频率、不同电压幅值的各种类型的交流电源，比如评估某些电子电路的设计经 常需要一个高精度的可变频率和电压的正弦电压源。因此，一个高精度的变频变 压信号源在测试各类仪器、产品和设备时得到越来越广泛的应用。本课题主要研 究给仪器和设备测试中应用的宽频率交流信号源。 目前，电源正朝着高效率、高稳定度、高精度、低污染、模块化发展。逆变 电源的基本要求包括： 1 ) 电气性能：输出频率和输出电压均稳定，输出正弦波失真度小，效率高， 并且具有良好的动态性能，电磁干扰低。 2 ) 使用性能：可靠性高，产品成本低，维护方便，体积小，重量轻。 而对于输出电压和频率均可变的功率信号源则有更好的要求，即不仅在各种 电压和频率的上都能满足以上要求，还要求有更高的精度以及叠加不同的谐波 等。 为了提高系统的性能，在功率信号源中广泛应用了自动控制理论和技术，随 着各种各样的调制技术和逆变器控制方案的提出，以及数字信号处理技术( d s p ) 的成熟和普遍，加速了功率信号源的全数字化进程。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外研究状况 1 2 1 变频技术简介1 2 】 所谓变频就是利用电力电子器件将5 0 h z 的市电变换为用户所要求的交流电 或者其他电源。它分为直接变频( 又称交交变频) ，即把市电赢接转换成频率比 它低的交流电，大量用在大功率的交流调速中；间接变频( 又称交直交变频) ， 即先把市电变换成真流电，再变换为所要求频率的交流电。它又分为谐振变频和 方波变频。前者主要用于中高频加热，方波变频又分为等幅等宽和s p w m 变频 等。 1 2 2 逆变器的调制技术和控制方法简介嘲“1 6 】 p w m 技术随着逆变器高速全控开关器件的大量涌现，已经成为逆变技术的 核心，受到人们的高度重视。p w m 逆变器采用脉宽调制技术控制逆变器的内部 开关器件，可以调节输出电压中基波电压的大小，增大输出电压中最低次谐波的 阶次，并减小其谐波数值，用较小的l c 滤波器即可起到较好的滤波效果。另外 p w m 技术可以迅速地控制输出电压，它的动态响应好，在输出电压质量、效率 等方面有着显著的优点。 根据形成p w m 波的原理不同，可以分为：正弦波p w m ( s p w m ) 、空间矢 量p w m 、矩形波p w m 、电流滞环p w m 等。这里主要讨论的是正弦波脉宽调 制法即s p w m 。f 3 】 s p w m 正弦波脉宽调制法是调制波为正弦波，载波为三角波或锯齿波的一 种脉宽调制法。它最早是1 9 6 4 年由a s c h o n 姗g 和h s t 咖l c r 把通讯系统的 调制技术应用到逆变器而产生的，后来又有大量的专家学者对该技术正式进行了 推广应用。其工作原理是采用正弦控制信号m 与高频三角波载波信号c 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 信号即p w m 信号，从i 面在逆变器的输出端得到正弦调制输出。该技术的特点是 原理简单，通用性强，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法，它的出现为中小型逆变器的发展起了重 要的推动作用。 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 s p w m 正弦脉宽调制根据每发生一次开关，根据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制方式和单极性脉宽调制方式。而单极性脉宽调 制方式又分传统单极性脉宽调制方式和倍频单极性脉宽调制方式。关于s p w m 的原理，在下一章中详细阐述。 由于近年来控制芯片性能的日益增强，电力电子装置的控制系统也逐步实现 数字化。另外现代理论和智能控制策略的进一步发展，一些新的控制方式如神经 网络控制、模型参考自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制等也逐渐进入电力 电子电路控制领域。常规的控制策略过于依赖模型的精确性，而电路参数又具有 非线性和时变性，为了克服电路参数的时变性和不准确性带来的问题，可以利用 在线辨识系统参数来实现参数自适应控制，也可以采用滑模变结构控制这种对参 数变换不敏感的控制方法。p w m 逆变器的控制已经研究了多年，发展出了许多 种不同的控制方法，从开环控制到闭环控制，从电压单环控制到电感电流双环控 制，从单纯的p i 控制到应用现代控制理论的先进控制方法的数字离散控制。这 里介绍几种常见的控制方式。 ( 1 ) p l d 控制【3 l p i d 控制是一种传统控制方法，以其算法简单、参数易于整定等特点，广泛 应用于模拟控制的正弦波逆变电源系统中。由于其算法简单成熟，设计过程中不 过分依赖系统参数，鲁棒性好和可靠性高，越来越被人们所重视。但是模拟p i d 控制的动态性能及负载为非线性的时候，不能令人满意。引入瞬时值控制以后， 使得逆变电源的输出性能得到了较大的改进，但是同时，庞大的模拟控制电路也 使得控制系统的稳定性和可靠性受到了影响。随着微处理器技术的的出现及发 展，使这个问题得到了迅速的解决。具有较快的动、静态响应特性的数字p i d 算法受到了广泛的应用。p i d 控制参数整定方便，适应性强，是工程实践中应用 最广泛的控制器，如图1 1 所示。其控制算法如下式： c ( s ) = k 。+ 垒+ 髟5 j 其中，足比例系数 k 积分系数 e 微分系数 增火比例系数可以减小系统稳态误差，提高控制精度，但也会使系统相对稳 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 定性降低，甚至有可能造成系统不稳定；微分系数可以增强系统的动态性能，因 为微分控制只在瞬态过程有效。所以改善系统性能应该加入比例微分，主要作用 是增加系统的阻尼比，在保证系统具有一定相对稳定性的前提下，容许采用较大 的增益。减小稳态误差。积分系数则可以提高系统稳定性能。 v 图1 1p i d 控制框图【3 】 ( 2 ) 无差拍控制吲 无差拍控制最早是在1 9 5 9 年由k d m 趾提出的，从八十年代中期开始，无差 拍控制应用于逆变器的控制，是一种基于微机实现p w m 控制策略，它根据逆变 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。九十年代初期以后，逆变电源的无差拍控制的研究工作吸引了众多的电力电 子界专家学者的注意力，随着研究的深入进行，逆变电源的无差拍控制取得了许 多的研究成果，然后无差拍控制应用于逆变电源的控制的不足之处也日益明显： 它对系统参数变化反应灵敏，即系统的鲁棒性较差。系统参数。旦出现了较大波 动或系统模型建立稍不准确时，系统将出现很强的振荡。为r 克服这些缺点，在 无差拍控制之中引入智能控制。 ( 3 ) 双环反馈控制【3 l 双环反馈控制包括：瞬时值内环反馈双环控制和外环电压环内环电流环的双 闭环控制。 瞬时值内环反馈控制，内环为瞬时值环，外环平均值环。相比外环，内环速 度较快，在正弦给定的情况下，瞬时值内环反馈控制能使输出电压波形尽量接近 正弦波，减小输出的电压畸变率。外环平均值环速度较慢，采用p l 调节器，可 咀保证较高的输出电压精度。控制框图如图1 2 所示。 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - 2 瞬时值内环反馈双环控制框图嘲 外环电压环内环电流环的双闭环控制的最先应用是在直流调速系统中，采用 转速、电流双闭环调速系统，转速调节器对转速的扰动进行调节并使之稳态无误 差，其输出的限幅值决定了允许的最大电流；电流调节器实现电流跟随、过电流 自动保护和及时抑制电压扰动。这样的双闭环控制系统具有较好的动、静态性能。 逆变系统中通过采样输出电感电流或电容电流和输出电容电压，将外环电压误差 的控制信号去控制电流，通过调节电流使得输出电压跟踪参考电压值，提高系统 的动态响应。其控制框图如图1 _ 3 所示。 图1 _ 3 外环电压环内环电流环的双闭环控制 ( 4 ) 滑模变结构控制【4 1 滑模变结构控制理论最早开始于五十年代，早期的滑模变结构控制器是采用 模拟电路实现，广泛应用于电力拖动系统和正弦波逆变器中。滑模变结构控制实 质上是一种非连续的开关控制方法，它强迫系统的跟踪误差及其导数运行于相平 面一条固定的滑模曲线上，与系统参数变动及外部扰动无关，因此系统有极强的 鲁棒性。滑模变结构控制系统最大的优点是其对参数变化及外部干扰的不敏感 性，即强鲁棒性，加上其本身固有的开关特性，特别适用于电力电子的闭环控制 之中。但是也存在控制系统稳态效果不佳、理想滑模切换面难选、控制效果受采 样率的影响等弱点。现在滑模控制和其它智能控制策略相结合而形成新的集成控 5 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 制策略是研究的热点问题。 ( 5 ) 模糊控制【4 】 美国柏克莱加州大学的l a z a d e h 教授分别于1 9 6 5 年、1 9 6 8 年、1 9 7 3 年发 表了模糊集、模糊算法和基于语言变量建立模糊逻辑系统方法等具有开创性的研 究性论文，奠定了模糊逻辑作为一门新世界学科的理论基础。1 9 7 4 年英国伦敦 大学的e h m 锄d 锄i 教授开创性地将模糊控制逻辑成功地应用于蒸汽机的控制 中。1 9 8 0 年英国的r m t 0 n g 等人又将模糊控制用于废水的处理过程。1 9 8 2 年丹 麦的l p h o l i i l b l a d 和j j o s t c g a a r d 共同发表了水泥窑模糊控制的论文，并推出了 第一个商用模糊控制器。1 9 8 5 年日本的m t 0 9 a i 和h w a 住m a b e 在美国a 1 1 & t 贝 尔实验室研制成功了第一个具有推理能力的模糊逻辑芯片。目前，i b m 、 o m r o n 、s i e m e n s 等公司正在从事模糊技术的开发工作。 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合理的判断和处理。对于高性能的逆变电源的设计，模糊控 制器具有很多优点，如模糊控制器的设计过程中不依赖控制对象的数学模型，即 模糊控制器有着较强的鲁棒性和自适应性：另外，查找模糊控制表只需要占用处 理器的很少的时间，因而可以采用较高的采样频率来补偿模糊规则和实际经验之 间的偏差。 模糊控制属于智能控制的范畴，它可以任意精度逼近任何非线性函数，但是 受到当前技术水平的限制，模糊变量的分档和模糊规则数都受到。定的限制。隶 属函数的确定还没有统一的理论指导，带有一定的人为因素，因此模糊控制的精 度还有待进一步的提高。模糊逻辑与神经网络和专家系统出现融合的趋势，展出 示了模糊逻辑、神经网络和专家系统相辅相成、优势互补的强大生命力。采用神 经网络确定隶属函数、记忆模糊规则和进行模糊推理等研究已经取得一定的成 果，各种模糊神经网络的拓扑结构和算法不断涌现，模糊逻辑和专家系统结合可 充分利用专家系统知识推理机制和知识抽取能力。 信息技术和微电子技术的高速发展，对逆变电源又提出了更高的要求。使得 高性能、智能化的控制技术应用于逆变电源的控制之中成为必要。逆变电源的每 种控制策略都有其特长跟优势，如果这些控制策略能相互取长补短、相互渗透 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 透，成为复合的控制器，充分发挥各自的优势，更好地满足逆变电源的要求，是 一种发展趋势。 1 3 数字控制简介 传统的电源一般都采用模拟控制，模拟控制有着其固有的缺点：需要大量的 分立元件和电路板，且元器件数量大，制造成本高；大量的模拟元器件使其之间 的连接也相当复杂，从而使系统的故障检测与维修比较困难。模拟器件的老化问 题和不可补偿的温漂问题，以及易受环境( 如电磁噪声，工作环境温度等) 干扰 等因素都会影响控制系统的长期稳定性。 专用模拟控制集成芯片的使用大大简化了控制系统，可以方便实现一些电路 控制功能，但是其控制环路中的反馈控制网络仍需外接大量的电容电阻等模拟器 件。除了存在以上所有模拟控制的缺点外，专用芯片还存在着控制不够灵活的缺 点，因此很难实现复杂、先进的控制算法。 数字控制电源是当今电源的发展方向，与传统模拟控制相比，数字控制可以 简化硬件电路，提高控制精度，易实现各种复杂的控制算法，并且降低了电路成 本，易实现大规模产品生产。【4 l 高速的微处理器的出现例如d s p ，使得数字控制技术实时性得到了很大的提 高，数字控制才得到更广泛的应用。在基于d s p 控制的电源产品中，d s p 将输 出波形采样后和软件设定的参考信号相比较，通过数字校正器，得到p w m 开关 控制信号。用软件手段实现的反馈控制算法能很好的解决控制系统由于元器件老 化和温漂带来的问题，抗干扰能力也将大大地增强。此外，控制系统的升级可以 通过升级软件来实现，在不改变硬件的条件下可提高整个系统的性能。 图1 4 为数字控制的电源系统的典型结构框图。包括模拟部分、数字部分以 及模拟数字的接口电路三部分。模拟部分主要是各种拓扑的变换电路以及负载电 路组成。数字部分为微处理器芯片及其外设。接口电路包括从模拟部分到数字部 分的采样网络及a d 转换器和从数字部分到模拟部分的p 州口外围电路、相应的 门极驱动电路及d a 转换器或i o 口外围电路。 7 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 图1 4数字控制电源系统的经典控制框图【5 】 数字控制系统中要注意以下几个问题【5 】：a d 转换的精度和速度，采样频率 的选取，p w m 频率及其精度，控制算法的延时，字长效应，计算精度等。a d 转换器不可避免的存在量化误差，对于系统来说这种量化误差是一个不利影响。 选择高精度的a d 转换器当然可以提高系统的控制精度，但是也同时增加了系统 的成本。根据采样定理，信号的采样频率至少是被控电路系统带宽的两倍以上， 才不会出现混叠效应。同时，提高采样频率还能提高控制系统的实时性，但是这 通常要受到a d 采样芯片的速度以及微处理器速度的限制。p w m 信号频率和精 度对控制系统的精度影响最大，一般情况下，开关频率越高，控制间隔越小，精 度也就越高，但同一系统开关损耗也就越大。在微处理器中，p w m 频率和数字 控制所特有的量化误差对p w m 精度影响是矛盾的，这个在以后的讨论中会详细 阐述。控制算法的延时对系统影响也很大，不但影响系统的控制精度和实时性， 还可能造成系统不稳定。另外，字长效应及计算精度也是影响系统控制精度指标 的一个重要因素。在运算过程中，数据最先来自a d 转换器，a d 转换器的位数 即采样的分辨率影响计算所能得到的最高精度。a d 转换器得到的数据要先经过 数字滤波，以去掉噪声干扰信号，数字滤波一般有算术平均滤波、加权平均滤波、 防脉冲干扰平均滤波、中值滤波等几种方法。在数据处理过程中，在保证无溢出 的情况下，使得数据的字长最大，这样可以减小量化误差带来的影响。在需要截 尾时，通过舍入法按最近的值取n 位，使得误差对称分布，避免单纯截尾所带 来的误差单极性分布，减小对系统精度的影响。 8 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本文的主要意义和主要内容 1 4 1 本文的主要意义 ( 1 ) 在采用交一直一赢一交的变频方式，即整个系统由a c d c 、d c d c 和d c a c 三部分组成。并在逆变器电压电流双闭环控制的基础上，再加上对中间级d c d c 输出电压的控制，形成三环控制，对整个系统的稳态、动态性能都有了更好的改 善。 ( 2 ) 选用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制芯片，提高了逆变器的开关频率以 及采样精度，使系统具有更高的稳态和动态性能。 ( 3 ) 通过对该课题的研究与实现，为大功率的宽频率输出逆变电源及变频器提 供了技术储备，本文对数字化宽频率输出逆变电源的分析、研究及实现表明系统 具有变压、变频范围宽、输出波形好、精度高等特点。 l _ 4 2 本文的主要内容 本课题所研究的功率信号源主要为实验室和仪器、设备测试提供一个基准交 流信号。由于具有较宽范围的输出电压要求，因此该逆变电源系统采用三级结构， 前级为a c d c 不控整流，中间级d c d c 直流变换器，后级d c a c 逆变器。 本文介绍的功率信号源采用工作频率为1 5 0 删z 的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 进行控制， 并且通过d c d c 和d c a c 两级联合调节来实现高精度、宽范围的变频调压功 能。该功率信号源可提供输出电压从2 v 到1 0 0 v 可变，频率从2 0 h z 到1 0 0 0 h z 可变，并且可以在5 0 h z 基频的情况下叠加基波幅值0 3 0 的直流分量与2 到9 次的各次谐波分量。 由于对输出功率的要求比较小，前级d c d c 环节主电路采用了反激式直流 变换电路，通过i n f i n e o n 公司的i c e s 2 a s o l 进行控制。d c d c 的给定信号 v r c f 根据功率源的输出电压来给定，从而获得可调的直流电压圪，以保证一定 的幅度调制比。后级d c a c 环节采用全桥逆变电路，d c a c 的控制采用电压、 电流双环p i 控制，并且由d s p 直接进行p w m 控制，从而产生所需的功率信号 波形。本文首先给出了一个整体的设计方案及其工作原理，并介绍了各个部分硬 件电路的实现，包括d c d c 主电路、d c - d c 的采样与给定、d c a c 的主电路 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 以及d c a c 的驱动与采样等。接着详细介绍了逆变器的工作原理，通过分析给 出l c 滤波参数的设计，以及电压环、电流环参数设计的详细过程，并将其离散 化。通过m a r l a b 的仿真验证了参数的可用性，给出仿真波形。然后介绍了系 统的软件部分，包括软件设计的几个要点并给出系统程序流程图。最后给出样机 的实验结果，说明系统具有较宽的电压和频率调节范围，同时保证较好的输出波 形和精度。 1 0 浙江大学硕士学位论文第二章变频调压电源的整体设计 第二章变频调压电源的整体设计 2 1 变频调压电源的整体结构框图 本文介绍的功率信号源可提供输出电压基波有效值从2 v 到1 0 0 v 可变，频率 从2 0 h z 到1 0 0 0 h z 可变，并且可以在5 0 h z 基频的情况下叠加基波幅值0 3 0 9 6 的 直流分量与2 到9 次的各次谐波分量。输出电压幅值最小可调步长和分辨率为 o 1 v ，输出电压频率最小可调步长和分辨率在2 0 h z 1 0 0 h z 时为0 1 h z ，在 1 0 0 h 即1 0 0 0 h z 时，为l h z 。在额定工作条件下，在2 1 0 0 v 范围内，应能连续输 出0 5 a 的电流，即最大输出5 0 v a 的功率。 根据要求设计了变频调压电源结构框图如图2 1 所示。整个电路由三部分组 成，第一级是a c d c 部分，由市电2 2 0 v 交流输入，经过不控整流电路，得到 稳定的直流输出。第二级是d c - d c 部分，由于对输出功率的要求比较小，采用 了反激式直流变换电路，其中控制部分采用i n f i n e o n 公司的i c e s 2 a s 0 1 控制， 其给定信号v i 前由d s p 根据控制要求产生，从而获得可调的直流电压。第三 级是d c a c 部分，该部分电路采用全桥逆变拓扑，全桥逆变电路结构简单，开 关管所承受的电压、电流应力较低，且控制方式灵活，尽管用的功率管数量较多， 但是易于进行多种组合，便于研究及实验。d c a c 环节由d s p 直接进行p w m 控制，从而产生所需的功率信号波形。 $ ：驯厂1 ； + 量刨三剑目 、书 u = = j 惦 i 上 l 宁f 。【 吒h s 2 每s 4 矗 杰j 丑 一j 一 【 f 驱动电路jl 电国f广 -l 样_目络l 塑匈 南志 压孳孽圃 i 样网络i 样网络 v r e f ll t m s 3 2 0 f 2 812 图2 1 整体结构框图 i l 浙江大学硕士学位论文 第二章变频调压电源的整体设计 2 2 各部份硬件电路的实现 2 2 1d c d c 主电路部分 反激式直流变换电路及其控制电路如图2 2 所示。 其中，控制芯片采用i n f i n e o n 公司的i c e s 2 a s 0 1 ，输出电压经过一级光 耦隔离，输入到f b 脚并与内部三角波比较得到相应的p w m 波来控制功率 m o s f e t 管的通断，开关频率为1 0 0 k h z 。控制芯片的电源+ 1 5 v 由辅助绕组及 辅助电源( 外加) 共同提供，辅助电源从图中的j p 0 0 2 处引入。而变压器辅助绕组 也作为斜坡补偿信号。 图2 f 2 反激式直流变换电路及其控制电路 2 2 2d c d c 环节的采样与给定部分 d c d c 环节的采样与给定部分( 即d a ) 的电路如图2 3 所示。 由图中可知，d c - d c 的采样只是简单的电压分压，分压系数为： ! ! ：竺! ! = 5 1 6 2 l o 一： 1 8 4 4 + l o 0 3 7 而由结构图里可知，d c _ d c 的v r e f 由d s p 给出，d s p 通过s p i 通讯把设定 的v r c f 值以数字信号的形式给出，在与采样的电压值作比较前需把该数字信号 浙江大学硕士学位论文第二章变频调压电源的整体设计 转换成模拟信号，即在这里需要作一次d a 转换。d a 转换芯片采用m a x i m 公 司的m a x 5 3 l ，该芯片是低功耗的1 2 位的串口数模转换芯片。由图可知，d s p 的s p i 给出三路信号，其中，一路是选定信号，输出经过光耦隔离到m a x 5 3 l 的c s 口；一路是时钟信号，经过光耦隔离到m a x 5 3 1 的s c l k 口；最后一路 是数据信号，同样经过光耦隔离到m a x 5 3 l 的d i n 口。在m a x 5 3 l 得到输出电 压以后经过一个放大器与采样电压进行比较，经过调节后通过光耦反馈给 d c d c 的控制芯片。 2 2 1 3d c a c 主电路部分 图2 3 d a 电路 _ j em 本一，i_ j 匡 。南 t ， _ j牛。” l ! m n 呦- 0 翱 c c l 地 兰c 2 0 5 l m -_ j 匡4 丰一z f 斗- j e”丰m “争w i !【强t l j 舟“矿 【5_ jh 哪 什8 ，：c 8 。6 图2 4 全桥逆变主电路 浙江大学硕士学位论文 第二章变频调压电源的整体设计 全桥逆变主电路及其控制电路如图2 4 所示。 全桥逆变电路结构简单且控制灵活，但是需要注意的一个问题是上下管子的 直通问题，在给驱动信号的时候应该注意一下死区的设置。 2 _ 2 4 全桥逆变的驱动部分 全桥逆变的驱动电路如图2 5 所示。 d s p 给出两路加了死区时间的p w m 波形，通过光耦送到i r 2 1 1 0 ，每块i r 2 1 1 0 可以驱动两个功率m o s f e t 管。 2 2 5 电压电流采样部分 图2 5 全桥逆变的驱动电路 电压电流采样部分电路分别如图2 6 和图2 7 所示。 如图可知，电压采样部分采用了差分采样结构。差分采样具有一定的隔离作 用，且结构简单。由图可知其采样比例为： 1 ， 二三l 一= 1 0 9 1 0 2 l o o l k + l o 0 2 k + 2 2 1 由于逆变输出电压是正弦电压，即有正有负，而d s p 采样的电压范围是从 o 3 v ，所以在输出电压采样输入到d s p 之前必须做一级提升，由图可知，输入 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章变频调压电源的整体设计 到d s p 的电压k 一跟采样电压k 一哪的关系是：k 。= 2 k 一“一k 一删，其中， 一。是所提升的电压。按输出最高电压1 0 0 v 计算，其幅值约为1 4 2 v ，采样后 幅值约为1 5 v ，取k 一一= o 7 5 矿，则可以保证k 一。在0 3 v 的范围内。需要注 意的是，经过采样处理后，极性发生了变化，在d s p 进行数据处理的时候应注 意这一点。 图2 6 电压采样部分电路 图2 7 电流采样部分电路 电感电流采样采用电流霍尔器件u s6 - n p ，其电源电压为+ 5 v ，精度为o 2 。 输出电压与输入电流关系如图2 8 所示。选择原边额定电流2 a ，输出电压范围 从1 8 7 5 v 3 1 2 5 v 。同样的，为了提高精度而对霍尔器件输出电压做一定的处理。 浙江大学硕士学位论文第二章变攮调压电源的整体设计 由图可知，输入到d s p 的巧耐跟硒帅的关系为：k 州= 2 哪一k 硎，其中， 。是所提升的电压。按霍尔器件最大输出计算，则取。= 3 5 r ，使得。 的范围为0 2 5 2 7 5 v ，满足d s p 采样的要求。由上述分析可知，电流采样的系 数为： 型。2 ：三 28 v o 。( v ) 一i p 曲xj m o i p n i i ，( a ) 图2 8l t s6 n p 输出电压与输入电流关系 浙江大学硕士学位论文第三章单相s p w m 逆变器的数字控制研究 第三章单相s p w m 逆变器数字控制研究 随着逆变器高速全控开关器件的大量出现，p w m 技术已经成为逆变技术的 核心，受到人们的高度重视。p w m 技术可以迅速地控制输出电压，并有效地进 行谐波抑制，它的动态响应好，在输出电压质量、效率等方面有着显著的优点。 单相全桥式电压型s p w m 逆变器，是由s p w m 正弦脉宽调制产生的开关控制信 号去控制功率开头器件的导通与关断。s p w m 正弦脉宽调制可分为双极性调制 方式和单极性调制方式。 3 1s p w m 调制技术 3 1 1 双极性s p w m 调压方式嘲 l r 隅 面f 厂 一 k 点i 甄c = rc l l 1 ji ，。l _ ，j 图3 1 逆变电路的等效主电路 图3 1 是逆变电路的等效主电路，图3 2 是双极性s p w m 调压方法的门极脉 冲的分布图，其中载波信号电压虬为对称三角波，频率为正，幅值为：调制 波信号电压“，为正弦波，频率为，幅值为u 。幅度调制比m 定义为正弦调制波 的幅值与三角载波的幅值之比，m 2 等；频率调制比x 的定义为三角载波的频 率与正弦调制波的频率之比x = 冬。 1 7 浙江大学硕士学位论文第三章单相s p w m 逆变器的数字控制研究 u 9 1 u 9 2 怂 1 | 科涮卜鹊八纠八y y 八 一 vvvvv弓h h 口 r t r v i l i _ _ _ _ _ r _ - il il 1 m ，一 一 砑 、 ，。l - 1 、 ， - 、 ，一_ _ _ 一 图3 2 双极性s p w m 调压方法的门极脉冲的分布图【6 l 由图可知s 】与s 4 、s 2 与s 3 有着相同的控制信号，且两组信号相互互补。 为了简化分析过程，采用平均值模型进行分析。所谓平均值模型是指当载波频率 正远高于输出频率，时，将输出电压虬在一个载波周期i 中的平均值“。近似地 看成输出电压基波分量的瞬时值。，即： z i f ， ( 3 1 ) 由图3 2 知 i = 毒卜叫2 盼，k ( 32 ) 式中， 唧) 2 等 ( 33 ) 1 8 浙江大学硕士学位论文第三章单相s p w m 逆变器的数字控制研究 o 图3 3 双极性s p w m 中酢与虬的几何关系【6 】 由于正，即互r ，因此在一个载波周期中，原来按输出频率随时问变 化的正弦调制信号虬可近似为恒值，如图3 - 3 所示。由图可知： d = 警= 等挚= 争锷州 4 ， r2 【，o2 。u 。、 7 并将该式代入式( 3 2 ) ，可得： 瓦= 净( ，) ( 35 ) 式( 3 5 ) 表明，在比和u 。为恒值的条件下，一个载波周期中输出电压平均值i 与调制信 号“，成正比。而虬= u 。s i n 耐，代入式( 3 5 ) 有： 瓦= 芑u 册s 蚴= 脚啊n 耐 ( 3 6 ) 且“。* 玩i 。s i n 纠，比较上式可得： u 。，= m 。( 3 7 ) 上式表明，在m 1 的情况下，s p w m 基波幅值随调制比坍线性增加，因此在双 极性s p w m 调压方法中，逆变桥的直流母线电压的利用率为： t 9 浙江大学硕士学位论文第三章单相s p w m 逆变器的数字控制研究 a v ：坠；些：o 7 0 7 m 珞2 由上式可知，当小= 1 时，a v = o 7 0 7 。 ( 3 8 ) 图3 4 是双极性s p w m 逆变输出电压虬的频谱，其中，婢= k 国，k 是频率 加”。血一l 。 q 2 皱 图3 4 双极性s p w m 逆变输出电压的频谱 若k 值较高，相当于q 远离，边频谐波幅值在接近以前就衰减为零，无 混叠现象产生，基波幅值完全由m 控制并呈良好的线性关系。相反，若世值较 低时，婢接近国，这时产生混叠现象，尤其m 较大时，边频谐波较高。这就破 坏了基波幅值随m 线性变化的规律，出现了朋值越高，向上偏离值越大的现象。 这就是s p w m 抑制输出电压谐波的原理，也即在s p w m 中可以借助提高足值来 提高谐波的次数，从而简化滤波手段。 3 1 2 单极性s p w m 调压方式【6 】 为单极性s p w m 调压方法的脉冲分布图如图3 5 所示，从图中可知，在单极 性s p w m 调压方法下，s 1 和s 2 的门极控制信号与双极性s p w m 调压方法下s l 和s 2 的控制信号是相同的。但是s 3 和s 4 的门极控制信号与双极性的控制信号 有很大的差别，如图所示，s 3 和s 4 的门极控制信号的频率为厂，与正弦调制波 的频率相等，且s 3 与s 4 互补。与双极性s p w m 调制方法相比，单极性s p w m 调制方法卜j ，由于s 3 和s 4 两个开关管的工作频率为低频，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1 ，2 。对于逆变 桥输出电压的谐波含量，也是单极性调制小于双极性调制。 浙江大学硕士学位论文第三章单相s p w m 逆变器的数字控制研究 u 渤凡麟八概八一羹黼 vvvvvvp心妒1 p 1 i i i l i l 1 1 _ _ 一 il l ii 1 1 2 li i1 1 3 li l 1 1 4 一 l i i i _ 虬 1 一一 - 。，一- 、- 甄 1 l l b 、l 警 一，j - 7 r 图3 5 单极性s p w m 调压方法的门极脉冲的分布图| 6 】 3 2 逆变器的数学模型【6 1 全桥结构单相逆变器的主电路图如图3 1 所示。 将电感l 用瓜代替，电容c 用- 代替，可以推出输出电压u 和a b 两点间 l s 电压【乙之间的频域传递函数g ( s ) 为 喘2 基2 表 9 ， 忽略滤波电感的等效阻抗，时，上式可以简化为： ( 3 1 0 ) 守 = ) j ( g 浙江大学硕士学位论文 第三章单相s p w m 逆变器的数字控制研究 当采用双极性s p w m 调制时，可以表示为： = ( 2 s 一1 )( 3 1 1 ) 其中，s 为开关函数。 当s 1 ( 或d 1 ) 、s 4 ( 或d 4 ) 导通时，s = o ； 当s 2 ( 或d 2 ) 、s 3 ( 或d 3 ) 导通时，s = 1 。 显然，由于开关函数s 的存在式( 3 1 1 ) 中不连续。在一个开关周期内采用 状态空间平均法，用的平均值i 代替其瞬时值。的平均值i 可以表示为： = d + ( 一) ( 1 一d ) = ( 2 d 一1 ) k( 3 1 2 ) 由于采用s p w m 调制，则参考式( 3 4 ) 可把d 表示为： 。2 扣净= 扣半，= 扣m 咖耐， 其中，”，为参考正弦波信号，虬= c s i n 耐，为三角载波峰值，珊为调制 比。将式( 3 1 3 ) 代入式( 3 1 2 ) 得： = ( 2 d 1 ) k = 【2 ( ( 1 + ms i n 耐) ) 一l 】珞= 坍s i n 耐( 3 1 4 ) 用6 代替“可得： 2 i 2 坍s i n 甜2 毒以扣n 删= 每虬 ( 3 1 5 ) 从式( 3 1 5 ) 可以得到其频域传递公式： 堡盟：监 u 瑚( j )。 联立式( 3 9 ) 和式( 3 1 6 ) 可得： ( 3 1 6 ) 一器2 器踹。i 彘毒( 3 t 1 7 ) 这就是逆变器调制信号的输入和逆变器输出的传递函数皖( j ) ，根据传递函数 的表达式，町以得到单相逆变器主电路等效方框图如图3 6 所示。 浙江大学硕士学位论文第三章单相s p w m 逆变器的数字控制研究 图3 6 单相逆变器主电路等效方框图 3 3 逆变器双环控制的结构框图及双环控制参数设计 3 3 1 逆变器双环控制的结构框图 本文所设计的逆变部分的结构框图如图3 7 所示。其控制环节采用电压外环 电流内环的双环数字p i d 控制。采样输出电压与电压给定进行比较得到误差电 压，误差电压经过p l 环后成为电流环的给定，与电流采样值再进行比较，再经 过p 环节，最后由d s p 的p w m 环节产生控制信号。由于电感电流等于电容电 流和负载电流之和，其中电容电流为输出电压的微分，对电感电流进行控制相当 于使系统能超前对输出电压进行控制，因此能得到更好的动态性能。另外电感电 流包含了负载电流，所以又可以对负载起到限流作用。 图3 7 逆变部分的结构框图 浙江大学硕士学位论文 第三章单相s p w m 逆变器的数字控制研究 根据逆变器的结构框图并结合3 2 中所得的单相逆变器主电路等效方框图可 以得到逆变器系统的控制框图，如图3 8 所示。其中，兰芷二鱼是电压环p i 调 节的传递函数。k 是电流环p 调节参数，e 是p w m 环节的有效增益。k l 是内 环电流环的增益，k 2 是电压外环的增益，h 。( s ) 是零阶保持环节，为：生， 由于频率较高，即t 较小，所以近似为：再三万。【7 l 图3 8 逆变器系统的控制框图 忽略滤波电感l 的等效阻抗r 并假设在一个周期内输出电压恒定不变，则图3 8 简化为图3 ，9 所示。 图3 9 逆变器系统的控制框图的简化框图 3 - 3 2i 滤波参数的设计 由上述分析可知，滤波器输出电压相对于逆变桥输出电压的传递函数为： 2 4 浙江大学硕士学位论文第三章单相s p w m 逆变器的数字控制研究 盼器2 焘2 赤 式中，= 了b _ 无阻尼自然振荡角频率，啡= 詈，t = 历； f = 去j 吉阻尼比； 这是一个典型的二阶振荡系统，幅相频率特性为： q 删2 石寿丽。本丢磊刊州蝴 其中，彳( 纠 根据式( 3 1 9 ) 可以得到对数幅频特性为 2 f 旦 州一毗赢1 魄 上( ) = 2 0 1 9 4 (