（机械电子工程专业论文）单相逆变电源数字控制系统的研究.pdf

摘要 随着新型电力电子器件和数字信号处理器的飞速发展，数字控制的逆变电 源应用日益广泛。因为数字控制相对于模拟控制有着显著的优点：简化了硬件电 路设计，克服了模拟电路中参数温度漂移的问题，控制灵活且易实现先进控制 等，使得所设计的电源产品不仅性能可靠，且易于大批量生产，从而降低了开 发周期。因此，数字化控制电源已成为当今开关电源产品设计的潮流。本文采 用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的控制芯片和由i g b t 开关管组成的功率模块( p m ) ， 设计一种基于正弦脉宽调制的单相逆变电源数字控制系统。 本文首先介绍了逆变电源的发展现状及趋势。提出了适合数字控制的软开 关电路拓扑结构和系统的总体设计框架；分析了正弦脉宽调制的原理及其几种 主要的调制方式，并通过比较说明了不同调制方式的优缺点。文中分析了逆变 器的数学模型及p i d 数字控制技术的原理，结合单相逆变电源的特点提出了电 压电流双环p i 控制方法。 在本文的第四章，主要介绍系统的硬件设计，其中包括主要的三个模块的 设计：供电电源模块、功率驱动模块、d s p 控制模块。说明了系统中主要的器件 参数确定和检测保护电路的工作原理以及电路电磁兼容性的设计原则；在最后 一章，介绍了系统的软件设计实现的具体过程；并给出了系统的主程序流程图 及中断流程图，同时对软件抗干扰也进行一定的说明。 此文中，利用了l l a t l a b s i m u l i n k 仿真环境建立了逆变电源系统的仿真模 型，用以验证控制方案的可行性和有效性。除此之外，还在实验平台进行了系 统试验研究，给出了系统的试验波形。试验结果表明：采用了本文设计的数字 化控制技术的逆变电源可以获得稳定的电压输出，符合设计的目的。 关键词：正弦脉宽调制，逆变器，i g b t , p i 控制 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en e wp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sa n dt h ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r s ，d i g i t a lc o n t r o li n v e r t e r sa r ew i d e l yu s e d b e c a u s ei th a ss i g n i f i c a n t a d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t l lt h ea n a l o gc o n t r o l ：s i m p l i f yh a r d w a r ec i r c u i t sd e s i g n o v e r c o m et h ep a r a m e t e r so ft e m p e r a t u r ed r i f ti nt h ea n a l o gc i r c u i t s ，f l e x i b l yc o n t r o l a n de a s i l yr e a l i z et h ea d v a n c e dc o n t r o la n ds oo n i tm a k e sp o w e rp r o d u c t sd e s i g n e d n o to n l yr e l i a b l eb u ta l s oe a s yt om a k et h em a s sp r o d u c t i o n , a n dr e d u c e st h e d e v e l o p m e n tc y c l e t h e r e f o r e ，d i g i t a lc o n t r o lp o w e rh a sb e c o m et h et r e n do f s w i t c h i n gp o w e rp r o d u c td e s i g nf r o mn o wo n t h ep a p e rd e s i g n sad i g i t a lc o n t r o l s y s t e mo ft h es i n g l e - p h a s ei n v e r t e rb a s e do ns i n ew i d t hm o d u l a t ew i t ht ic o m p a n y t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ac o n t r o lc h i p sa n dp o w e rm o d u l ec o m p o s e do f t h ei g b ts w i t c h e s i nt h ef i r s t ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n d so f t h e i n v e r t e r s i tp u t sf o r w a r dt h ec o n t r o lo ft h es o f ts w i t c h e sc i r c u i tc o n f i g u r a t i o na n d s y s t e md e s i g nf r a m e w o r k ；a n a l y s e st h ep r i n c i p l e so ft h es i n ew i d t hm o d u l a t ea n d s e v e r a lm a j o rm o d u l a t em e t h o d s ，a n dt h r o u g hc o m p a r i s o ni l l u s t r a t e st h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n tf o r m so fm o d u l a t e t h ea r t i c l ea n a l y s e st h e m a t h e m a t i c a lm o d e l so fi n v e r t e ra n dt h ep r i n c i p l e so ft h ep i dd i # t a lc o n t r o l ，t h e n p r e s e n t sv o l t a g ec u r r e n td u a l - l o o pp ic o n t r o lm e t h o d sb a s e do nt h es p e c i a l i t yo ft h e s i n g l ep h a s ei n v e r t e r i nt h i st h i r dc h a p t e r , i tm a i n l yi n t r o d u c e st h eh a r d w a r es y s t e md e s i g n ，i n c l u d i n g t h et h r e em a i nd e s i g nm o d u l e s ：p o w e rs u p p l ym o d u l e s ，p o w e rd r i v em o d u l e sa n dt h e d s pc o n t r o lm o d u l e s i td e s c r i b e st h em a j o rd e v i c ep a r a m e t e r so ft h es y s t e mt o i d e n t i f ya n dp r i n c i p l e so ft h ep r o t e c t i o na n dd e t e c tc i r c u i t sa n dd e s i g np r i n c i p l e so f c i r c u i te l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y i ti n t r o d u c e ss p e c i f i ca c h i e v e dp r o c e s so f s o f t w a r es y s t e md e s i g ni nt h el a s tc h a p t e r , p r o v i d i n gt h es y s t e mf l o wc h a r to fm a i n p r o g r a ma n di n t e r r u p tp r o g r a m ，a n da l s og i v e ss o m ei l l u s t r a t i o n o ns o f t w a r e a n t i i n t e r f e r e d u r i n gt h i sp a p e r , s i m u l a t i o nm o d e lo f t h ei n v e r t e rs y s t e mi se s t a b l i s h e db yt h e s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n to fm a t l a b s i m u l i n k ，w h i c hi su s e dt ov a l i d a t et h e f e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r 0 1s c h e m e s t u d yo ft h es y s t e mh a sc a r d e do u to nt h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，a n dg i v e nt h es y s t e mt e s tw a v e f o r m i ti ss h o w nb yt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t st h a tt h ei n v e r t e rp o w e rw i t hd i g i t a lc o n 打o lt e c h n o l o g i e sd e s i g n e d b yt h i sd i s s e r t a t i o nc a no u t p u ts t e a d yv o l t a g e i ti sc o n s i s t e n tw i t ht h ed e s i g ng o a l s k e yw o r d ：s p w m ，i n v e r t e r , i g b t , p ic o n t r 0 1 i i i 武汉理下大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 逆变是对电能进行变换和控制的一种基本形式，它完成将直流电变换成交 流电的功能，现代逆变技术就是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的学 科这门学科综合了现代电力电子开关器件技术、现代功率变换技术、模拟和数 字电子技术、p w m 技术、开关电源技术和现代控制技术等多种实用设计技术， 己被广泛的用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。在逆变电源 系统中必须用到电力电子开关器件。 电力电子开关器件也称为功率半导体器件( p o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e ) 是电力电子技术中用来进行高效电能形式变换、功率控制与处理，以及实现能 量调节的新技术核心器件“。1 9 5 8 年世界上第一支晶闸管研制成功，使半导 体技术在工业领域的应用发生了革命性的变化，有力的推动了大功率电子器件 多样化应用的进程。在随后的二十多年里，功率半导体器件在技术性能和应用 类型方面又有了突飞猛进的发展，先后分化并制造出功率逆导晶闸管、三端双 向晶闸管和可关断晶闸管等。在此基础上为增强功率器件的可控性，还研制出 双极性大功率晶体管，开关速度更高的单极m o s 场效应晶体管和复合型高速、 低功耗绝缘栅双极晶体管，从此功率半导体器件跨入了全控开关器件的新时代。 进入9 0 年代，单个器件的容量明显增大，控制功能更加灵活，价格显著降低， 派生的新型器件不断涌现，功率全控开关器件模块化和智能化集成电路已经形 成，产品性能和技术参数正在不断的改进和完善。 目前，逆变电路中已经被厂泛应用的电力电子开关器件主要有s c r ，t r i s ， g t o ，g t r ，m o s f e t 和i g b t 。由于它们的电流容量和开关速度各不相同。我们可 以根据实际系统的技术性能情况来确定选择哪一种开关器件。 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提 高，逆变技术在许多领域获得了越来越广泛的应用。下面列举的是其几个方面 的主要应用。 1 ) 光伏发电 能源危机和环境污染是目前全世界面临的重大问题，开发利用新能源和可 武汉理工大学硕士学位论文 再生能源是2 l 世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术之一，充分开发利用 太阳能是世界各国可持续发展的能源战略决策，其中光伏发电最受瞩目。太阳 能光伏发电就是将由太阳电池阵列产生的直流电，通过逆变电路变换为交流电 供给负载或并入电网，供用户使用。 2 ) 不间断电源系统 在通信设备、医疗设备等对电源持续供电要求高的设备中都需要采用不间 断电源u p s 。u p s 的主要构件有充电器和逆变器。在电网有电时，充电器为蓄电 池充电，负载由电网供电：在电网停电时，逆变器将蓄电池提供的直流电逆变成 交流电供给用电设备。 3 ) 交流电动机变频调速 采用逆变技术将普通交流电网电压变化成电压、频率都可调的交流电，供 给交流电动机，以便调节电动机的转速。 4 ) 直流输电 由于交流输电架线复杂、损耗大、电磁波污染环境，所以直流输电是一个 发展方向首先把交流电整流成高压直流电，再进行远距离输送，然后再逆变成 交流电供给用电设备。 5 ) 风力发电 风力发动机因受风力变化的影响，发出的交流电很不稳定，并网或供给用 电设备都不安全。可以将其整成直流，然后再逆变成比较稳定的交流，就能安 全的并到交流电网上或直接供给用电设备。 1 2 国内外研究现状及趋势 1 2 1 逆变电源研究的技术现状 随着逆变器控制技术的发展，电压型逆变电源出现了许多的变压、变频控 制方法。目前采用较多的是脉宽调制技术即p w m 控制技术，即利用控制输出电 压的脉冲宽度，将直流电压调制成等幅宽度可变的系列交流输出电压脉冲，来 控制输出电压的有效值、控制输出电压谐波的分布和抑制谐波。由于p w m 技术 可以迅速地控制输出电压，及其有效地进行谐波抑制，因而它的动态响应好， 2 一 武汉理j 大学硕士学位论文 在输出电压质量、效率诸方面有着明显的优点“”“。 根据形成p w m 波原理的不同，大致可以分为咀下几种：矩形波p w b l 、正弦波 p w m ( s p w m ) 、空间相量p w m ( s v m ) 、特定谐波消除p w m 、电流滞环p w m 等。这四 类p w m 波各有优缺点，因而适用于不同的场合。本文主要讨论正弦波逆变器， 因此主要讨论s p w m 正弦脉宽调制法( s i n u s o i d p w m ) 。3 。 s p 州正弦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，它是1 9 6 4 年由a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 把通讯系统的调制技术 应用到逆变器而产生的，后来由b r i s t o l 大学的s r b o w e r 等于1 9 7 5 年对该 技术正式进行了推广应用。这项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种作用，是一种比较好的 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。 目前随着工业用的高速数字信号处理器( d s p ) 的发展，正弦波逆变器的控制 技术方案也由传统的模拟控制向现代数字化控制的方向发展。采用数字化控制， 不仅可以大大降低控制电路的复杂程度，提高电源设计和制造的灵活性，而且 可以采用更先进的控制方法，从而提高逆变电源系统输出波形的质量和可靠性。 在正弦波逆变电源数字化控制方法中，目前国内外研究得比较多的主要有 数字p i d 控制、无差拍控制、双环反馈控制、重复控制、滑模变结构控制、模 糊控制以及神经网络控制等。p i d 控制是一种传统控制方法，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，在模拟控制的 正弦波逆变电源系统中得到了广泛的应用。随着微处理器技术的发展，具有较 快的动、静态响应特性数字p i d 算法获得应用。 1 2 2 逆变电源技术研究的发展趋势 电源系统是现代电子设备不可或缺的重要组成部分。1 9 6 9 年诞生的逆变电 源可靠性高、稳定性好、调节特性优良、而且体积小、重量轻、功耗低，在电 子和电气领域得到了极其广泛的应用。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提高，逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛， 对电源性能的要求越来越高。许多行业的用电设备都不是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交流电进行交换，从而得到各自所 需要的电能形式 武汉理工大学硕士学位论文 在电力电子技术的应用及各种电源系统中，逆变电源技术均处于核心地位。 近年来，现代逆变电源技术发展主要表现出以下几种趋势【4 j 1 5 j ： 1 高频化。理论分析和实践经验表明：电器产品的变压器、电感和电容的 体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频5 0 h z 提高到 2 0 k h z ，提高4 0 0 倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5 1 0 ， 其主要材料可以节约9 0 甚至更高，还可以节电3 0 甚至更多。由于功率电子 器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态 化，原材料消耗显著降低、电源装置小型化、系统的动态反应加快，更可以深 刻体现技术含量的价值。 2 模块化。模块化有两方面的含义，其一是功率器件的模块化，其二是指 电源单元的模块化。我们常见的器件模块，含有一单元，两单元，六单元直至 七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准”功 率模块( s p m ) 。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也集成到功率模块 中去，构成了“智能化”功率模块( i p m ) ，不但缩小了整机的体积，更方便了 整机的设计制造。有些制造商开发了“用户专用”功率模块( a s p m ) ，它把一 台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再 有传统的引线连接，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低， 提高了系统的可靠性。另外，大功率的开关电源，由于器件容量的限制和增加 冗余、提高可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块电源并联工作，采用 均流技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其他模块再 平均分担负载电力。这样，不但提高了功率容量，在器件容量有限的情况下满 足了大电流输出的要求，而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源 模块，极大的提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的 正常工作，而且为电源修复提供充分的时间。 3 数字化。现在数字式信号，数字电路越来越重要，数字信号处理技术日 趋完善成熟，显示出越来越多的优点：便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸 变失真、提高系统抗干扰能力、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，同时也为电源的并联技术发展提供了方便。 4 绿色化。随着各种政策法规的出台，对无污染的绿色电源的呼声越来越 高。绿色电源的含义有两层：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发 电是造成环境污染的重要原因。为了使电源系统绿色化，电源应加装高效滤波 武汉理工大学硕士学位论文 器，还应在电网输入端采用功率因数校正技术和软开关技术。提高输入功率因 数具有重要意义，不仅可以减少对电网的污染，降低市电的无功损耗，起到环 保和节能的效果，而且还能减少相应的投资，提高运行可靠性。提高功率因数 的传统方法是采用无源功率因数校正技术，目前较先进的方法是：单相输入的采 用有源功率因数校正技术，三相输入的采用s p w m 高频整流提高功率因数。 随着电子电源的集成化、模块化、智能化的发展和电力电子器件的高性能 化、拓扑电路理论的创新、现代控制技术的广泛应用及其实现的手段的先进性， 现代电源的设计及分析工具得以进一步完善。今后电源技术将朝着高效率、高 功率因数和高可靠性方向发展，并不断实现低谐波污染、低环境污染、低电磁 干扰和小型化、轻量化。从而为今后的绿色电源产品和设备的发展提供强有力 的技术保证，这也将是现代电源发展的必然结果。 1 3 本文的研究目的及内容 随着数字信号处理( d s p ) 技术的成熟和普遍，新一代的数字信号处理器 ( ( d s p ) 采用哈佛结构、流水线操作，即程序、数据存储器彼此相互独立，在每 一时钟周期中能完成取指、译码、读数据以及执行指令等多个操作从而大大减 少指令执行周期。另外，由于其特有的寄存器结构，功能强大的寻址方式，灵 活的指令系统及其强大的浮点运算能力，使得d s p 不仅运算能力较单片机有了 较大地提高，而且在该处理器上更容易实现高级语言。正是由于其特殊的结构 设计和超强的数据运算能力，使得d s p 能用软件实现以前需用硬件才能实现的 功能，也同样使数字信号处理中的一些理论和算法可以实时实现。数字控制由 于其控制理论与实施手段的不断完善，且因为其具有高度集成化控制电路、精 确的控制精度、以及稳定的工作性能，如今己成为功率电子学的一个重要研究 方向，而且数字控制也是最终实现电源模块化、集成化、数字化、绿色化的有 效手段。系统采用电压电流双闭环p i 控制，对整个逆变系统的稳态、动态性能 都有很好的改善。通过对数字化逆变电源的分析、研究及实现表明逆变电源具 有变压、输出波形好、可靠性高、易于标准化、模块化、维护方便等特点。本 课题的主要研究目的是设计一种全数字化的正弦逆变电源，使其具有通用性、 可编程、可组合及智能化等特点。其主要的研究内容： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 讨论了逆变器的s p w l d 调制技术及数字p i d 控制的原理和特点。 ( 2 ) 合理设计主电路的拓扑结构，依据电路理论确定所选元件的参数；并 结合相关硬件电路实现s p w m 逆变。 ( 3 ) 讨论了基于d s p 的软件设计流程；并分析了其控制的死区。 ( 4 ) 确定一种合理的控制方案，对系统进行电压电流双闭环p i 控制，使逆 变系统能够实现稳定的交流正弦波输出，并可以调节输出电压的幅值和频率， 最后给出系统的实验和仿真波形。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1p w m 概述 第2 章s p w m 控制原理 所谓p w m 技术就是用功率器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电 压脉冲系列，以实现变压变频及控制和消除谐波为目标的一门技术，也就是利 用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制，达到调节输出脉冲宽度的一 种方法( 这里所谓相当于基波分量的信号波并不一定指正弦波，在p w m 优化模式 控制中可以是预畸变的信号波) ，当然不同信号调制后生成的p w m 脉宽对变频效 果，比如输出基波电压幅值、基波转矩、脉动转矩、谐波电流损耗、功率半导 体开关器件的开关损耗等的影响差异很大”1 。 p w m 技术最初应用于直流变换电路，随后将这种方式与频率控制相结合，产 生了应用于逆变电路的p w m 控制技术。用改变调制信号频率实现输出电压基波 频率的调节；用改变调制信号幅值实现输出电压基波幅值的调节。具体来说， 就是用一种参考正弦波为“调制波”，而以n 倍于调制波频率的三角波为“载波”。 由于三角波或锯齿波的上下宽度是线性变化的波形，因此它与调制波相交时， 就可以得到一组幅值相等，而宽度正比于调制波函数值的矩形脉冲序列用来等 效调制波，用开关量取代模拟量，并通过对逆变器开关管的通断控制，把直流 电变换成交流电。 随着逆变器在交流传动、u p s 电源和有源滤波器中的广泛应用，以及高速全 控开关器件的大量出现，p 眦技术己成为逆变技术的核心，因而受到了人们的 高度重视。尤其是最近几年，微处理器应用于p w i v l 技术和实现数字化控制以后， 更是花样翻新，到目前为止仍有新的p w m 控制方式在不断出现。 目前已经提出并得到应用的p w m 控制技术就不下十种。尤其是微处理器应 用于p w m 技术之后，p 1 ；y m 技术得到了进一步的发展，从追求电压的正弦波到电 流的正弦波，再到磁通的正弦波：从效率最优到转矩脉动最小，再到噪音最小等， p w 控制技术经历了一个不断创新和不断完善的过程。 p w m 控制技术可分为三大类，即正弦p w m ( 包括以电压，电流和磁通的j 下弦 为目标的各种p w m 控制技术) ，最优p w m 及随机p w m 。从实现方法上大致有模拟 式和数字式两种，丽数字式中又包括硬件、软件和查表等几种实现方法。从控 7 武汉理工大学硕士学位论文 制特性来看主要可以分为两种：开环式( 电压或磁通控制型) 和闭环式( 电流或磁 通控制型) 。当然还有其他分类方法，这里就不再逐一叙述。 2 2p w m 波形的基本原理 逆变器与整流器正好相反，它的功能是将直流电转换为交流电。这种对应 于整流的逆向过程，称之为“逆变”，其作用是通过功率半导体开关器件的开通 和关断作用，把直流电能变换成交流电能 逆变器的种类很多，各自的具体工作原理、工作过程不尽相同，但是最基 本的逆变过程是相同的。下面以最简单的单相桥式逆变电路为例，具体说明逆 变器的“逆变”过程。单相桥式逆变原理见图2 1 。该图中输入直流电压为e ， r 代表逆变器的纯电阻性负载。当开关s 1 ，s 4 接通后，电流流过s l ，r 和s 4 时，负载上的电压极性是左正右负；当开关s l ，s 4 断开，s 2 ，s 3 接通后，电 流流过s 2 ，r 和s 3 ，负载上的电压极性反向。若两组开关s 1 ，s 4 ，s 2 ，s 3 以 频率f 交替切换工作时，负载r 上便可得到频率为f 的交变电压u o ，其波形见 图2 2 ，该波形为一方波，其周期t = l f 。图示的电路和波形只是逆变过程基本 原理的示意描述，实际上要构成一台实用型逆变器，还需要增加许多重要功髓 电路和辅助电路。 厂t 三莒 、s 2、s 4 u o e 广 广 - - uu t 一 图2 1 单相逆变桥原理 图2 2 输出波形 在单相正弦逆变电源中，逆变器要把市电经整流滤波后得到的直流电或者 由蓄电池提供的直流电，重新转化为频率非常稳定，稳定电压受负载影响小的， 波形畸变因数满足负载要求的交流正弦波。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 s p w m 的调制方式 目前在单相正弦逆变电源的逆变器中普遍采用脉冲宽度调制( p w m ) 技术来 实现将直流电重新变成交流电的目的。脉宽调制技术可以极其有效地进行谐波 抑制，在频率、效率各方面有着明显的优点，使逆变电路的技术性能与可靠性 得到了明显的提高。所谓脉宽调制技术，就是在周期不变的条件下，利用改变 脉冲宽度( 或用占空比表示) ，甚至可以将脉冲波形斩切为若干段，以达到抑制 谐波目的的一种方法。采用脉宽调制技术方式构成的逆变器，其输入为固定不 变的直流电压，由于这种逆变器，只有一个可控的功率级，简化了主电路和控 制回路的结构，因而体积小、重量轻、可靠性高。又因为集调压、调频于一身， 所以调节速度快、系统的动态响应好。此外，采用脉宽调制技术不仅能够提供 较好的逆变器输出电压和电流波形，而且提高了逆变器对交流电网的功率因数。 工程实际中应用最多的是正弦p w m ( s 硎m ) 法。三角波调制法是目前逆变电 源中应用较多的产生s p w m 波的方式，它是建立在每一个特定时间间隔内能量等 效于正弦波所包含的能量的概念上发展起来得一种脉宽调制方式，图2 3 表示 三角波调制法的能量等效图。 为了得到接近于正弦波的脉宽调制波形，我们可以将正弦波的一个周期在 时间上划分为n 等分( n 是偶数) ，每一等分的脉宽都是2 * p i n 。这样就可以分 别计算出在各个时间间隔中所包含的面积如图2 3 所示。在每个特定的时间间 隔中，我们都可以用一个脉宽与其对应的正弦波所包含的面积相等或成比例。 但其脉冲幅度都等于u m 的一个矩形脉冲来分别代替相应的正弦波部分。这样的 n 个宽度不等的脉冲就组成了一个与正弦波等效的脉宽调制波形。 全桥逆变器的控制脉冲按s p w m 调制方式可分为双极性( 二阶) 调制方式 ( s p w m 波有正、负二个电平) 、单极性( 三阶) 调制方式( s p l v m 波有正、负、零三 个电平) 和单极性倍频调制方式( s p w m 波有正、负、零三个电平，s p w m 波的频率 是单极性及双极性调制方式的两倍) “。 武汉理工大学硕士学位论文 锄一 0 ：w ( ： 啪i 盥豳n 1 0， 斤 图2 3 $ p w m 调制原理 ( 1 ) 双极性s p w m 调制 全桥逆变器采用双极性p w m 控制方式时，载波为全波三角波。用正弦波与 三角波进行比较，正弦波大于三角波的部分，输出为正脉冲，小于部分，输出 负脉冲。在开关切换时，负载端电压极性非正即负，电流变化率较大，对外部 干扰较强。负载端电压脉冲列是由不同宽度调制的正负直流电压组成。图2 4 为双极性s p v v r l v 原理。 l 燃情4j4 a a a a a l fyyy 1 f r槲酊 倒2 4 双极性$ p w m 原理 ( 2 ) 单极性s p w m 调制 采用单极性控制时，在正弦波的半个周期内，其电压输出幅值为单极性， 在开关状态切换时，负载端电压先变为零，负载电流在零电压下自然续流衰减， 在控制时间到时再恢复输出直流电压，其半周期的脉冲列是由零和正( 负) 直流 电压组成。该控制方式的特点是功率开关管承受的电压应力较小，电流变化率 - 1 0 武汉理工火学硕士学位论文 小，功耗也要小，因此对系统及外部设备干扰小。 图2 5 中f 弦波为调制波，三角波为载波，在调制波与载波的交点时刻控制 各功率管s 1 s 4 的通断，在输出电压u o 正半周，让s 4 保持通态，s 3 保持断态， s 1 与s 2 交替通断，即当正弦波电压大于三角波电压时，s 1 导通，s 2 截止：当正 弦波电压小于三角波电压时，s 2 导通，s 1 截止，u o 可以得到e 与0 的2 种电平； 同样在u o 负半周，让s 2 保持通态，s l 保持断态，当三角波电压大于正弦波电压 时，s 3 导通，s 4 截止：当三角波电压小于正弦波电压时，s 4 导通，s 3 截止，u o 就得到一e 与0 的2 种电平“。 扣 圈2 5 单极性s p w m 原理 为了确保电路的安全，必须保证每个桥臂中只能有上面三种情况的两个开 关管导通，绝不容许有3 个开关管同时导通，但是，由于所采用的开关器件都 不是理想的，开关管的开通和关断都需要一定的时间。因此，必须对开关控制 信号加入死区时间。从上面分析可知，一个桥臂中，控制信号只有两个独立的 控制信号。s 1 和s 4 的驱动控制信号是由2 个具有同相位，同频率，相同的峰 值，且对称分布的三角载波和一个正弦参考信号比较得到的。在三角载波和正 弦波相交的时刻，如果正弦波的值大于载波的值，则开通相应的开关器件，反 之则关断该器件。 ( 3 ) 单极性倍频s p m 调制： 单极性倍频s p h q v l 调制方式得到的是由一对一对等宽脉冲组成，而脉冲的宽 度是按正弦规律变化，在这样的s p w m 脉冲的控制下，逆变器输出电压频率较普 通单极性s p w m 调制方式提高了一倍，为功率器件开关频率的两倍，单极性倍频 s p w m 调制有时也称为双重s p w m 调制。 单极性倍频s p o i l 调制方式与双极性s p w m 调制方式相比，它能够在开关频 武汉理工大学硕士学位论文 率不变的情况下，使一个周期内f 弦波包含的矩形脉冲数“加倍”，从而有利于 减小逆变输出谐波。本系统采用单极性s p w m 调制方式。 2 4s p w m 实现方式 从上面s p w v l 的基本原理的分析，这种脉宽调制的一个重要特点是输出波形 中基本不包含低次谐波，在脉宽输出波中仅存在与载波频率相近的高次谐波。 通过调制波对载波的脉宽进彳亍调节，我们可以得到不同幅值的正弦波电压。实 现正弦波脉宽调制波形有多种方法，主要有模拟方法，数字方法等。 2 。4 1 比较器实现s p w m 如图2 6 ，三角波为载波，正弦波为调制波，当载波频率比调制波频率大 得多时，可以近似认为在一个载波周期，调制波电压不变，设为u 。，而三角波 1，r 的幅值为v o ，则此时比较后的脉冲波形的占空比为d 2 寺+ 。号 ，用该波形去触 二 二u d 发s 1 ，s 3 ，而用它的反相波形去触发s 2 ，s 4 ，则得到一个双极性的s p w m 波形。 ， 在一个载波周期它的平均电压为詈，当以成正弦变化时，显然该平均电压 u 也成正弦形式，而且通过调节正弦波发生器的信号v 2 的幅度和频率我们可以对 逆变器的输出电压进行调节。 图2 6 比较器实现s p w m 使用该方法实现s p w m 波形原理简单，但是需要很多的器件，电路比较复杂。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 专用集成电路实现s p w m 应用单片机产生s p w m 波，其效果受到指令功能、运算速度、存储容量和兼 顾其他算法功能的限制，有时难以有很好的实时性。特别是在高频电力电子器 件被广泛应用后，完全依赖软件生成s p w m 波的方法实际上很难适应高开关频率 的要求。 随着微电子技术的发展，开发出一些专门用于发生s p w m 控制信号的集成电 路芯片，应用这些芯片比用软件生成s p w m 方便得多。已投入市场的专用芯片有 h e f 4 7 5 2 ，s l f 4 5 2 0 ，m a s l 8 ，s g 3 5 2 5 等。有些单片机本身就带有直接输出s p l v m 信号的端口如8 x c1 9 6 m c ，使用这种芯片产生s p w m 波也比用纯软件方法要方便。 2 4 3 单片机实现s p w m 在单片机中实现s p w m 波形正是基于上述模拟方法的基本原理。根据上面模 拟方法的分析，当占空比为。2 三+ 邕s i n 国，时，该s p w m 波形等效为正弦波电压 毒ks i n c o t - - 般方法是离线计算出芑s i n 出f ，在内存中存储。然后再由单片机 决定输出电压的幅值，在内存中找到某一时刻的芑s i n 耐值把他们相乘后决 定此时驱动波形的脉宽。这样便可得到输出电压可调的实时s p w m 波形。由于受 系统时钟频率和计算能力的限制，s p w m 的脉冲频率不会很高。 2 4 4d s p 实现s p w m 传统的产生s p y m 波形的方法能够用于逆变器中实现幅度和频率可调的正 弦波电压。当负载为线性时效果还好。但是当该逆变器带非线性负载时，电压 将发生畸变，谐波增加，严重影响负载的正常工作。d s p 是一款高性能的数字 处理芯片，它不仅运算速度快，还有专门用于实现p 删的片内外设。运用d s p 我们方便的实现频率很高的s p w 3 , i 控制信号，从而减小滤波器的尺寸。而且d s p 完全有可能用于逆变器中实现输出电压进行逐点的控制。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章单相逆变电源的数学模型及p i d 控制器 3 1 单相逆变器的数学模型 逆变器建模时，如何处理负载的动态特性是一个关键性的问题。如果假设 逆变器接阻性负载，模型比较简单，但不能反映实际情况。如果对负载电流做 更为复杂的假设，如一阶导数不变等，效果会好一些，但又会使模型形式变得 复杂。本文采取的方法是将负载处理为外部扰动输入量，这样可以建立一个形 式简单而且又是严格成立的线性模型。在进行仿真研究时，采用这种模型形式 是比较方便的。 3 1 1 电路模型 一台单相、两电平、硬开关、带l c 滤波器的s p 删逆变器，无论采用全桥 还是半桥结构、单极性还是双极性调制，都可以用图3 1 所示的统一电路模型 来表示。“。 图3 1 逆变电源简化电路模型 图3 i 电路模型中，电压源u 代表来自逆变桥的输出电压，它是一单极性 或双极性的s p w m 脉冲序列。电流源i 代表负载汲取的电流，其波形可以为任意， 视具体负载而定。与滤波电感l 串联的电阻r 是滤波电感的等效串联电阻以及 逆变器中其它各种阻尼因素的综合。滤波电容的等效串联电阻影响较小，通常 予以忽略。 以上电路模型的主要特点是：不对逆变器负载做任何假定，而把负载电流和 逆变桥的输出电压一样处理为逆变器的一个外来激励。这样，可以使逆变器的 1 4 武汉理1 ：_ = 大学硕士学位论文 数学模型形式简单，且不依赖于具体的负载类型。 3 1 2 连续时间状态空间模型 状态空l 司模型的具体形式与所选状态燹量有关，根据控制方粟的小j 司司以 选择不同的状态变量。这里选择电感电流和电容电压为状态变量，由于对于电 容c 和电感l 来说，有以下公式成立： c 掣：t ( 3 1 ) 出 。 、 三睾砘 ( 3 2 ) 出 “ 所以根据k c l 和k v l ，列写状态方程如下： c 阜：t 一1 ( 3 3 ) 衍 。 三等划一v c - r 屯( 3 - 4 ) 将逆变桥输出电压u 和负载电流i 作为系统的两个输入量，并取电容电压为 系统输出，则状态方程的矩阵形式为： 工= 一x + b u y = c x 其中： j 斟 。 上 c 三 。 三 ；曰= 圣 ；c = c 。，；“= u ；y = v ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) 由上可见，这是一个双输入、单输出的二阶线性系统。逆变桥输出电压u 为控制输入，而负载电流i 可视为扰动输入。虽然逆变器所接的负载有可能是 非线性的，但这种非线性仅体现在扰动量的任意性上，而逆变器模型仍为一简 单的二阶线性模型。这样做的实质是把负载电流处理为一种可测扰动。 1 5 - 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 3 离散时间状态空间模型 随着技术的进步，微处理器的性能不断提高，逆变器的全数字控制已经是 大势所趋。如果认为采样时间足够小。则数字控制器的设计可以采用模拟化方 法，即只需将基于连续系统所做的设计结果离散化。但这只是一种近似处理， 而且也不能实现某些为数字控制所特有的控制方案( 如无差拍控制) 。为此，数 字控制器的设计最好采取“数字化方法”，即：首先将采样保持器与控制对象所 构成的广义控制对象离散化，然后对由这个离散对象与数字控制器所构成的完 全离散系统进行设计，由于考虑了采样保持器的影响，数字化方法的设计结果 比模拟化方法更可信。 实际的采样过程一般采用零阶保持器( z o h z e r oo r d e rh o l d ) ，即以变量在 采样时刻的瞬时值作为其在该周期内的采样值。采取这种“加零阶保持器离散 化的方法”，可以由逆变器连续模型式( 3 5 ) 和式( 3 - 6 ) 导出以下离散状态空间模 型： o x ( k + 1 ) = 直x ( j 】 ) + b u ( k ) ( 3 7 ) y ( k + 1 、= c x ( k ) ( 3 8 ) 此时输入向量u ( k ) 的两个分量u ( k ) ，i ( k ) 分别为逆变桥输出电压u ，负 载电流i 的第k 次采样值。逆变桥输出电压的采样比较特殊，因为电压u 本身 并不是连续变化的量，而是一个离散的s p w m 脉冲序列。逆变器开关频率一般取 为采样频率的整数倍，所以u 在每个采样周期内都会有多次跳变。为此，可以 借助冲量等效的概念，用电压u 在一个采样周期内的脉冲均值作为本次采样值。 这样做也相当于采用状态空间平均法对一个采样周期内开关状态的不连续变化 做低频等效( 因为不同开关状态下s p w m 逆变器的系统矩阵是相同的，所以只需 对不连续的输入量做平均) ，所获得的是逆变器的状态空间平均模型。这种平均 化近似处理的前提条件是逆变器l c 滤波器的截止频率相对于开关频率足够低， 显然这一点在s p w m 逆变器中是自动满足的，因为l c 滤波器的作用就是滤除开 关频率及其以上频率的谐波。对于大多数的控制方案，这种状态空间平均模型 己经可以作为控制对象的一个足够好的描述。其缺点是不能反映开关暂态的细 节。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2p id 数字控制 3 2 1p i d 概述 p i d 算法蕴含了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息。其中比例 ( p ) 代表了当前的信息，起校正偏差的作用，加速系统的响应速度，p 越大，系 统的精度越高，但将产生超调，p 取值过小则响应慢，延长了调节时间。微分 ( d ) 在信号变化时有超前控制的作用，代表了将来的信息。在过程开始时强迫过 程加速进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统 的过渡过程。也即抑制偏差向任意方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但 d 过大，则会使响应过程提前制动，延长了调节时间。积分( i ) 代表了过去积累 的信息，它能消除静差，改善系统的静态特性。i 越大，系统静态误差消除的 越快，但过大的话，在响应初期会产生积分饱和现象，引起较大超调；i 过小， 将难以消除静态误差。因此设计好的p i d 控制器的关键是找到最优的三个参数。 3 2 2 数字p i d 控制 p i d 控制算法是应用最为广泛、最为成