（电气工程专业论文）基于dsp单相逆变器数字控制实验系统研究.pdf

浙江大学工程硕i ：学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t d i g i t a lc o n t r o l l e dc i r c u i t sw i t ht h em e r i t so fs i m p l es t r u c t u r ea n dh i 曲r e l i a b i l i t y t e n dt or e a l i z et h ea d v a n c e dc o n t r o la r i t h m e t i ca n dt h em o n i t o ra n du p d a t e so ft h e s y s t e m t h ed e v e l o p m e n to r i e n t a t i o no fm o d e r np o w e re l e c t r o n i c si st h ed i g i t a l c o n t r o lt e c h n i q u e ，s ot h ei n s t r u c t i o n a lm o d eo fe x p e r i m e n ts h o u l d f o l l o wt h e o r i e n t a t i o n n o w a d a y sm a j o r i t i e s o ft h ee x p e r i m e n t e q u i p m e n to fs i n g l e - p h a s e i n v e r t e r sa d o p ta n a l o gt e c h n i q u ea n do p e n l o o pc o n t r o l ，w h i c hc a r ln o ts a t i s f yt h e d e m a n d so ft h es y n t h e t i c a la n di n n o v a t i o n a le x p e r i m e n ti n s t r u c t i o n t h i sp a p e r p r e s e n t sa ne x p e r i m e n ts y s t e mo f s i n g l e - p h a s ei n v e r t e rb a s e do nd s pc o n t r 0 1 t h i sp a p e rm a i n l yp r e s e n t st h eg e n e r a ld e s i g no fae x p e r i m e n ts y s t e mo f s i n g l e p h a s ei n v e r t e rb a s e do nt h ed s pc o n t r 0 1 w a v e f o r mm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , c l o s e d l o o pc o n t r o ls t r a t e g y , d i g i t a lc o n t r o lf e a t u r e sa n dp r e s e n ts t a t eo fe x p e r i m e n t s y s t e mo fs i n g l e p h a s ei n v e r t e ra r eo u t l i n e df i r s t l y t h e nb a s e do nt h ea n a l y s i so f d e m a n d so fs i n g l e p h a s ei n v e r t e rw i t hd i g i t a lc o n t r o l ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h ed e s i g n p r i n c i p l eo ft h ee x p e r i m e n ts y s t e m ，c h o o s e st h ep l a t f o r mb a s e do nt h ed s pc o n t r o l ， a n df i n i s h e st h es y s t e m sf r a m e dc o n s t r u c t i o na n dt h ec i r c u i td e s i g n f u r t h e r m o r e ，t h i s p a p e rg i v e st h ep a r a m e t e r sd e s i g no fo p e n - l o o pc o n t r o lw i t hs p w ma n ds i n g l e l o o p p i dv o l t a g ec o n t r o la n dv o l t a g ea n dc u r r e n td o u b l ec l o s e d l o o pc o n t r 0 1 a tl a s t ，t h e e x p e r i m e n tr e s u l t sa r ep r e s e n t e d k e y w o r d s ：d i g i t a lc o n t r o l ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，i n v e r t e r , e x p e r i m e n ts y s t e m ，d u a ll o o p c o n t r o l i i 浙江大学1 = 程硕f 学位论文 1 绪论 第一章绪论 随着国民经济的快速发展，作为绿色能源的电能显得尤其重要。电力电子是研 究电能变换技术的学科，逆变技术是其研究的重要组成部分，数字控制是发展方向。 随着社会对人才的创新能力要求，电力电子技术的实验教学也需大量能满足创新设 计的综合实验设备。本章首先介绍了逆变器调制技术和闭环控制策略，然后对逆变 器数字控制技术和逆变器教育实验设备的现状进行了概述，最后介绍了本文的研究 内容。 1 1引言时3 1 随着国民经济的快速发展，对能源的需求r 益增长，作为能源之一的电能显得 尤其重要。电能的应用领域也在不断拓宽：除传统的工业领域外，在电动汽车等新 领域也在不断的扩大，在i t 产业需求也急剧增加。 由于环境保护的要求，发电技术也由原来的水力发电，火力发电逐渐扩展到风 力发电，核能发电及太阳能光伏发电等新能源发电技术。同时也为研究电能变换原 理及变换装置的现代电力电子技术提供了广阔的市场和空间。 电力电子技术是横跨“电力”、“电子”与“控制”三个领域的交叉学科，内 容上包含了电力电子器件、电力电子电路及电力电子装置与系统方面的内容。经过 5 0 多年的发展，已经形成了完整的理论和科学体系，成为了一门独立的学科。1 。特 别是最近2 0 多年来，由于半导体功率器件的研制加快，电路拓扑不断创新，控制 方法在电力电子领域不断加强，使得电力电子技术取得了突飞猛进的发展。在工业 的快速发展起着举足轻重的作用，因此被认为是人类社会继计算机之后的第二次电 子革命。而且将在城市供电、交通运输、能源节约、环境保护、工业自动化中发挥 更大的作用。 电力电子技术能将电能转换成人们所需的电源：将交流电源变成直流；对直流 进行调压；将直流转换成交流：将交流进行稳压等。经济发展为电力电子技术的发 展提供了广阔的空间和机遇，同时也提出了更高的要求：高效、节能、安全、稳定、 浙江大学工程硕十学位论文 1 绪论 可靠。在金融、国防、医院、航空等领域要求能提供安全稳定、可靠的电源，以保 证计算机数掘及信息和生命财产的安全。 逆变技术是电力电子技术重要组成部分，它是将由电网供给的定压定频的交流 电能、或从蓄电池、太阳能发电得到的较差质量的原始电能转制成高质量电能，满 足不同负载的电压和频率要求的交流电能，是一种将“粗电”变换成“精电”的技 术。它不仅用于交流电气传动，而且在供电可靠稳定的不间断电源( u p s ) 、变频电 源、有源滤波等领域起关键作用。 逆变器原理在1 9 3 1 年便有文献提出，从1 9 4 8 年美国西屋( w e s t i n g h o u s e ) 电 气公司研制出第一台3 0 0 0 h z 感应加热电源，至今已有7 0 余年历史，逆变技术在波 形调制技术和闭环控制策略取得了长足进步。 1 2逆变器波形调制技术与闭环控制策略4 - 2 0 1 1 2 1 逆变器波形调制技术 方波逆变器：五十年代随着第一只晶闸管的问世，电力电子学的诞生，传统电 力电子技术时代丌始。继s c r 用于整流电路之后，出现了s c r 逆变器，此时输出电 压波形为脉宽1 8 0 。的方波，如图1 1 所示。此波除了含有基波分量外，还含有3 、 5 、7 等奇次谐波。 群 力 u 孓产 圜1 一l 力汲惩父器獬出电j 土 输出电压表达式为： 玑= 等( 咖q 1s i n ，叫+ 扣一 = 筹纛1 35(sin”cat)(1-1， 多重叠加梯形波逆变器：将几个输出电压为同频的相同方波逆变器依次错开相 同的帽付角番由而形成的栳i 斤_ 于f 弦波的阶梯漓 4 1 。单相串联名雷番加式逆变器审 2 浙江大学t 程硕上学位论文1 绪论 路如图1 2 所示。 n u i i = 1 图1 2 单相串联多重叠加式逆变器 多重叠加法是1 9 6 2 年a k e r n i c k 等提出的，它可消除某些低次谐波，使输出 阶梯波接近正弦。将两个同频等幅脉宽为1 8 0 。方波逆变器错开一定相位角中= 1 8 0 。 n ，( 其中n 为谐波次数) 后在变压器次级串联叠加，便可消除n 次谐波。当u 、 u ：初相角相差由= 1 8 0 。3 = 6 0 。，则u ，、u 。中3 次谐波相互抵消，如下图l 一3 ( a ) 所示，则输出为1 2 0 。脉宽的阶梯波；若u ，、u ：初相角相差巾= 1 8 0 。5 = 3 6 。，则 可使输出1 4 4 。脉宽的不含5 次谐波，如下图1 - - 3 ( b ) 所示。 磷甄 0 1 磁笺f 、 ! 墨q ：。ii 辫磷孓 “峰”廿 ( a ) 图1 3 多重叠加原理 浙江人学t 程硕 学位论文1 绪论 如果将n 个同频等幅脉宽可调的相角相差由= 1 8 0 。n 的逆变器变压器次级相 串联，则可以得到输出电压基波幅值可调、部分谐波可消的阶梯波。如图卜4 所示， 为两个单相桥式逆变器的串联叠加。 n ；广 l广、 li 1 广 图卜4 两个单相桥式逆变器的串联叠加 基波及各次谐波幅值方程式为：u r n ( n ) = 善s i n 等。c o s 等 “一2 ) 改变0 可调幅值，当驴= 兰可消除与 相关谐波。多重叠加法，工作频率比较 低，变压器体积大，所用器件较多。 s p _ | v m 脉宽调制式逆变器：s p w m ( s i n ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 脉宽调制技 术是将低频正弦波作为调制波，对高频三角载波进行调制，从而得到一组幅值相等， 宽度正比于正弦调制波幅值的矩形脉冲波，通过滤波便可得到低频正弦波电压的逆 变技术。s p 删技术是1 9 6 4 年a s c h o n o u n g 和h s t e m m l e r 将通讯系统的调制技术 应用于交流传动逆变器而出现的，1 9 7 5 年英国b r i s t o l 大学的s rb o w e s 对s p w m 正弦波脉宽调制技术进行推广和应用，使其成为逆变技术的热点，随后b o w e s 又 提出基于数字控制的s p w m 技术实现规则和样法。1 9 8 3 年j m o l t z 等提出了基于电 动机磁链图形轨迹的空间矢量调制技术( s v p w i ) 等控制方法【4 。 s p w t 逆变器工作原理如图l 一5 所示，当j 下弦调制波幅值大予三角载波幅值时， 输出为+ e ，当j 下弦调制波幅值小于三角载波幅值时，输出为一e 。 输出电压经傅立叶分解有：g o ：争兰丝s i n 力耐( 1 - - 3 ) 4 浙江大学t 程硕l 学位论立 i 绪论 。,usuc。p 赫憋 弋一弋一 图1 5 双极性s p l 】| m 原理图图1 6 单极性s p 删原理图 s p w m 逆变器按输出电压可分为单极性s p v m i 逆变器和双极性s p w m 逆变器，单 极性s p w m 逆变器如图卜6 所示；按相数又可分为单相s p 啪逆变器和三相s p 嘲逆 变器；按同步方式又可分为同步式s p y m 逆变器和非同步式s p 雕逆变器。 芷弦波脉宽调制技术( s p 删) 的应用与多重叠加法相比，电路结构简单，只需 一个功率控制级，可调频、调压，功率滤波器由于工作频率的提高而体积显著减小， 波形质量改善显著。 新型组合式逆变器：1 9 7 8 年s l o b o d a nc u k 和r w e r i c k s o n 提出新型c u k 组 合式逆变器，特别是近年来，国内外越来越多专家对此进行了研究和应用，如b u c k 型组合逆变器，b o o s t 型组合逆变器，b u c k - b o o s t 等组合逆变器，并且发表了大量 相关论文吣玎1 。这类新型组合式逆变器由两组d c d c 变换组成，工作于独立的对称 方式，如图卜7 所示。 v 图卜7 组合式逆变器 此类组合式逆变器控制使性能更加稳定，被广泛用于功率放大器，u p s 光伏发 电系统，音频放大等领域。 浙江人学工程硕l ：学位论文i 绪论 1 2 2 逆变器闭环控制策略概述i 悱2 8 l 早期逆变器大都采用开环控制，因为控制简单方便。但是由于其存在输出波形 质量差谐波畸变率高，系统动态响应速度慢的局限性，使其只能用于要求较低的场 合，而在一些对输出电能要求较高的场会，则需采用闭环控制。通过选择合适的闭 环控制策略，可以使输出电压谐波畸变减小，增强对输入电源波动及负载扰动的影 响，闭环控制策略一直以来都是p w b l 逆变技术研究的热点。各种控制策略各有长短， 下面就逆变器常见的闭环控制策略简述如下。 1 2 2 1p i d 控制1 1 4 - 1 6 i p i d 控制是一种常见的、传统的、发展成熟的闭环控制技术。由于其控制简单、 参数易于整定、适应性强，己形成典型的结构和完整的设计方法，在工程实践中应 用广泛。 单电压环瞬时值p i d 控制如图卜8 所示：其中g ( s ) 为被控对象，c ( s ) 为 p i d 控制器。 图1 - 8 单电压环瞬时值p i d 控制 其核心环节包括比例、积分和微分三个部分： 比例环节i ( p ：成比例反映控制系统的偏差信号e ，偏差信号一旦产生，控制作 用立即产生，以减少偏差。它反映了系统的当前信息。增大l ( p 可减少系统误差，提 高控制精度，但也会使系统相对稳定性降低，甚至造成系统不稳定。 积分环节k l ：具有累计和记忆力的作用，能对误差进行连续时间的累加，主要 用于消除净差，它主要反映了系统过去的信息。增大k i 可以提高系统稳定性。 微分环节k d ：反映系统偏差的变化趋势，并能在偏差信号变化太大之前引入有 效早期修正信号。从而加快系统的相应速度，减少调节时间。它反映了系统将来的 信息。k d 有助于增强系统的稳定性。因为微分控制只在瞬态过程有效。 单电压瞬时值p i d 控制策略算法简单，有系统的设计方法，可兼顾系统的动态 6 浙江大学_ 程硕十学位论文 i 绪论 性能和稳念性能，但是对负载为非线性的扰动抑制效果不好。 1 2 2 2 双环控制1 1 7 2 0 j 电压、电流双闭环p i d 控制是在直流调速系统中发展起来的，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，电流调节 器对电流进行跟随，能对电流进行调节和对转速扰动进行抑制，系统具有良好的动 态和静态性能。 在逆变器中由于单电压控制对负载的扰动抑制性能较差，故在电压外环的基础 上，通过采样电感电流或者滤波电容电流作为内环反馈变量引入到控制系统中，使 得输出电压波形得到改善，提高了系统动态响应，增强了负载扰动的抑制能力。如 图卜9 所示。 v 图卜9 电压、电流双环控制 1 2 2 3 重复控制( r e p e t i t i v ec o n t r 0 1 ) 1 2 1 - 2 2 1 电压电流双闭环具有优良的动静态性能，但它也有不足之处：对非线性扰动抑 制能力有限，如带整流性负载。重复控制具有周期性控制特性，使其在逆变器带整 流性负载引起的输出电压性畸变谐波抑制中有很好的效果。 重复控制最早用于重复性机械运动控制，1 9 8 1 年t i n o u s 成功地采用重复控 制方法消除系统谐波干扰。1 9 8 5 年sh a r a 从数学上证明重复控制内模原理，完善 了重复控制理论。1 9 8 6 年t h a n e y a s h i a k a w a m u r a 和r g s c o f t 首次将重复控制 用于逆变器控制，但因条件所限导致系统稳定性降低，使重复控制仅用作辅助控制。 1 9 9 0 年一1 9 9 6 年m t o m i z u k a 和k c h e w 对离散域重复控制进行了研究，并提出了 改进型的离散重复控制器。邹应屿提出了一种基于自适应重复与其它控制策略相结 合的重复控制器设计方法，进一步完善了逆变器的重复控制理论。近几年也有大量 关于重复控制策略相结合的文献。 7 浙江大学工程硕士学位论文 1绪论 重复控制是基于内模原理，内模原理实质上是将系统外部信号的动态模型植入 控制内构成高精度的反馈控制系统，使系统能够跟踪输入信号。当输入信号趋于零 时，通过内模反映了输入信号的模型，保证了继续输出适当的控制信号，维持适当 的控制。 重复控制的基于内模原理的控制思想是：当输入周期性重复信号时，在开环系 统中包含周期信号的数学模型，在输入为零时仍然输出控制信号，使系统的静差为 零。 周期信号时重复控制器的内模形式为：g f ( s ) = 芒( 1 - - 4 ) 离散的重复控制器内模为：g ( 力2 芒7 ( 1 5 重复控制器内模如图卜l o 所示。 一一 图卜l o 重复控制器内模 理想的重复控制系统如图卜1 1 。 离散 图1 - 1 1 理想的重复控制系统 理想重复控制系统稳定性较差，处于临界稳定状态。当受控制对象参数稍有变 化，整个闭环系统很可能不稳定。为提高稳定性，提出了改进内模和增加补偿器， 系统结构如图卜1 2 所示。 浙江丈学t 程硕十学位论文1 绪论 图卜1 2 改进内模和增加补偿器重复控制系统 重复控制由于其动态性能差，不单独用作闭环控制，而是与p i 调制、状态空 间反馈控制、h 。控制等相结合以提高动态和静态综合性能。 1 2 2 4 无差拍控制( d e a d b e a tc o n t r 0 1 ) i z 3 无差拍控制理论是1 9 5 9 年k a l m a n j 最早提出的，8 0 年代中期，k pg o k h a l 等 将无差拍控制理论应用于逆变器闭环控制技术。最近二十多年电力电子专业学者进 行了大量研究，也取得了许多研究成果。 无差拍控制理论是一种基于微机实现的p w m 方案，它是根据系统的状念方程和 输出反馈信号来计算逆变器下一个采样周期的脉冲宽度，是一种实时控制策略。如 下图1 - 1 3 所示。 e 图1 - 1 3 无差拍控制 选输出电压u 。电感电流i 。为状态变量系统方程为： 胜地 式中：x = “。，i l 7 ，y = “。，“= 眇，i o 7 9 浙江大学工程颂1 1 学位论文1 ，绪论 离散化后得： i x ( t + 1 ) = a + 工( 七) + 口“( 七) 【) ，( t ) = c + j ( i ) 式中：一= e f = l ：”“2l ，曰= 爿1e at_21a 2 2 d 占= ib ”2 1 1 idi 则：u o ( k + 1 ) = a l 。( 寿) + q ：屯( 女) + 岛一( 女) + 盔：i o ( k ) ( 1 8 ) 即：输出电压下一次采样值为本次输出电压、电感电流、逆变器输入电压及负 载电流的线性组合，令输出电压u o ( k + 1 ) 与待定参考正弦值u 。( k + 1 ) 相等。则有 u ( k ) = i “一( k + 0 一q 。b l o ( 七) 一q ：i l ( j i ) 一b l ：i o ( k ) i i b i ， ( 1 9 ) u ( k ) 由逆变器直流母线电压和脉冲宽度t ( k ) 决定，则脉冲宽度y ( k ) = u ( k ) t e 即：每个采样间隔的脉冲宽度y ( k ) 是根据当前时| 日j 的状态向量下一采样时刻的 参考正弦值计算得到，由负载扰动或非线性负载输出电压偏差，可以在一个采样周 期得到修正。 无差拍控制动态响应非常快，仅需几个开关周期时间调整，输出就能很好跟踪 给定值；波形畸变率小，开关频率不高也能获得较好输出波形；输出电压相位与负 载关系不大，可通过调节逆变器的输出相位补偿l c 滤波器的相位延时；但系统的 鲁棒性不强，若负载变化、非性负载、温度或运行条件改变等致使参数波动时，容 易使系统不稳定或输出性能恶化；系统误差与调制比、输出滤波器参数有关，瞬态 超调量大。 1 2 2 5 滑模变结构控制( s li d n gm o d ev a r i a b e ls t r u c t u r ec o n t r 0 1 ) 1 0 - 1 3 1 滑模变结构理论自前苏联学者欧曼尔扬诺夫( s v e m e l y a n o v ) 优特金( v i u t k i n ) 及依特克斯( u i t k i s ) 等6 0 年代初开始全面研究变结构控制系统( w s ) 以来，变结构控制技术受到了国内外控制界广泛重视，发展至今已成为控制理论的 一个重要分支2 4 2 5 1 。 滑模变结构控制源于对继电器特性和b a n g b a n g 控制系统的研究，它利用不连 1 0 1j o 一一 i ic 1，j 一c o 0 一 ，l i i b 1，j ，一c o o 土c l = 4 浙江大学丁程硕十学位论文 l 绪论 续的开关控制策略，根据系统当前状态( 偏差及其系统阶导参数等) 以跃变方式、 有目的地变化，迫使系统的状态沿着相平面中某一预先设计好“滑动模态”轨迹运 动。 设一非线性控制系统：i 等= f ( x ，“)( 1 一l o ) i 其中x r ”，u r “，f r 为系统状态变量和开关控制量。开关控制量u = u ( x ，t ) 按下列逻辑在滑模面s ( x ，t ) = o 上切换。 ，、卜+ ( x ) ，s ( x ) 0 以毛 2 k x ) ，s ( x ) 之问通讯，进行 数据交换和控制。 j t a g 接口电路：数字信号处理器( d s p ) 与仿真器连接接口，可以进行在线仿 真和程序的烧写。 2 3 3 主电路功率及其驱动电路模块 主电路功率及其驱动模块主要包含：e m i 输入滤波电路、a c d c 整流电路、d c a c 全桥逆变电路、功率丌关管驱动与隔离电路、l c 输出滤波电路、电感电流和输出电 压采样电路。 2 1 浙江大学工程硕士学位论文 2 单相逆变器数字拧制实验系统需求分析、设计原则与系统构架 e m i 输入滤波电路：因本实验系统主电路电源和控制系统共用一路2 2 0 v 单相交 流电源，使系统结构简单使用方便，具有良好的实用性，但由于逆变所需的直流电 压源是通过二极管全桥不控整流得到，后接有一滤波大电容使得输入端2 2 0 v 交流 电源发生畸变，同时逆变电路开管过程产生的高次谐波也将串入输入电源，对输入 电源造成污染，降低功率因数，甚至干扰控制电路，使系统不稳定。因此必须设置 e m i 输入滤波电路。 a c d c 整流电路：通过二极管全桥不控整流得到，后接一滤波大电容，为逆变 提供所需的直流电压源。 d c 矗c 全桥逆变电路：采用全桥电路拓扑，由四个功率开关管构成，设有缓冲 吸收保护和反并二极管续流。 功率开关管驱动与隔离电路：d s p 产生的s p 删波形不能直接驱动功率开关管， 必须加隔离和驱动电路，将控制电路与主电路进行电气隔离。 l c 输出滤波电路：经功率开关管逆变后输出的s p w m 波含有大量高次谐波，必 须l c 输出滤波电路滤除，使输出基波电压。 电感电流和输出电压采样电路：将主电路参数取样后送到控制电路，组成闭环 控制，提高系统稳态精度和动态性能。 将以上六部分做成一个模块，与控制电路分离，有利于系统升级，要做三相逆 变器实验时，只需将以上六部分重新设计，而不影响控制电路。 2 3 3 辅助电源模块 辅助电源模块是为控制电路正常工作提供低压电源，主要包含：四路独立的 功率开关驱动电源、电感电流和输出电压采样电路及其信号调理电路电源、数字信 号处理器( d s p ) 工作电源。由以上分析可知辅助电源需要路数多，要求电压稳定， 纹波小。 2 4 实验系统软件构架 系统软件主要包括上位机( p c ) 软件和数字信号处理器( d s p ) 软件。 2 4 1 上位机( p c ) 软件 采用v c + + 来编写，其功能分：系统控制模块、数据采样接收模块、数据处理模 浙江人学工程硕上学位论文 2单相逆变器致宁控制实验系统需求分析、设计棘则与系统构架 块和波形动态显示模块，上位机( p c ) 与下位机数字信号处理器( d s p ) 的通信通 过c a n 卡进行。 系统控制模块：上位机( p c ) 实现对下位机数字信号处理器( d s p ) 的控制， 当下位机接到上位机命令字后，如果正常执行后将发送动作执行成功标志；同理如 果下位机执行失败同样会向上位机发送失败标志。上位机会根据下位机的反馈回的 执行结果信息提供给用户，使用户可以对相应的部分做出检查。 数据采样接收模块：上位机( p c ) 接收下位机数字信号处理器( d s p ) 上传的 数据。 采样数据处理模块：上位机( p c ) 从下位机数字信号处理器( d s p ) 上传的数 据包接收到后将电压电流提取出来。 波形动态显示模块：将电压电流提取出来的波形动态显示出来。采用数据窗口 移动的算法，即采用窗口法，也就是设置一个动画显示窗口，利用窗1 ：3 的移动来实 现波形动态显示。 2 4 2 数字信号处理器( d s p ) 软件 数字信号处理器( d s p ) 是整个控制系统的关键，软件采用汇编语言编写，为 提高兼容性也采用模块化子程序设计，它主要包括主程序模块、通讯模块、软启动 模块、电压电流a d 采样模块、控制算法模块、s p w m 波形生成与死区补偿模块。 通讯模块：负责接收上位机( p c ) 控制指令、采集电压、电流波形并将数据打 包后回传给上位机( p c ) 。 主程序模块：负责系统初始化和变量初始化，根据接受的上位机控制命令执行 相应的控制算法模块，开启定时器和中断。 软启动模块：使系统启动后经过一定时间输出电压达到指定值，减小对系统的 冲击。 a d 采样模块：将反馈电压电流进行a d 采样并将采样值经过计算还原成实际 电压电流值。 控制算法模块：根据上位机选定的闭环控制策略和接收的参数，对a d 采样计 算后得到的实际值进行相应的控制算法计算。 s p w m 波形生成与死区补偿模块：根据控制算法计算出的结果进行死区补偿后装 载入d s p ，产生相应的s p l v m 波形。 浙江大学工程硕l 。学位论文2 单相逆变器数7 控制实验系统需求分析、设计原则与系统构架 2 5 本章小结 本章首先分析了单相逆变器数字控制实验平台的安全、先进、开放式和全面性 的要求；然后介绍了单相逆变器数字控制实验平台的先进性、兼容性和模块化的设 计原则，选择了t i 的数字信号处理器d s p 为技术平台；最后详细分析了单相逆变 器数字控制实验平台的软件和硬件构架。 浙江大学工程硕上学位论文3单相逆变器数宁控制实验系统硬件i 乜路设计 第三章单相逆变器数字控制实验系统硬件电路设计 单相逆变器数字控制实验系统硬件电路设计应选择典型电路，能与现有教材 紧密结合，取得更好的教学效果，现有教材介绍的单相逆变电路工作原理主要是 全桥电路，因此本章首先介绍了单相逆变器数字控制实验系统硬件电路结构，然 后分别对主电路功率与驱动模块、数字信号处理器( d s p ) 控制电路模块和辅助 电源模块电路进行设计。 3 1 实验系统电路结构 图3 一l 电路结构框图 电路如上图3 1 所示，2 2 0 v 交流电源经e m i 滤波器滤波后由4 个二极管 全桥不控整流和大电容滤波，单相逆变主电路采用全桥电路，输出s p w m 波经 l c 滤波后接负载。控制电路由电压互感器和l e m 电流传感器分别采样输出电 压和电感电流，信号调理后送数字信号处理器( d s p ) 作反馈，a d 变换后作控 浙江大学工程硕上学位论文3 单相逆变器数字控制实验系统硬件电路设计 制算法输入量，经控制算法后处理产生s p w m 脉冲波送隔离与驱动电路驱动开 关管。图中控制电路算法为双环控制。 3 2 主电路功率及其驱动电路模块参数设计3 州1 本课题实验系统输出交流电压幅值为1 5 0 v ，额定负载5 0q ，额定输出功率为 2 2 5 w 。 3 2 1a c d c 整流电路与输入滤波电路 四个二极管组成桥式不控整流，后接一个大电容，以减小输出直流电压纹 波。但由于电容的存在，使得输入交流电源电流为脉冲波形，输入正弦波电压 含有大量高次谐波，便电网电压畸变造成电力污染，引起电力设备增加损耗和 过载，降低系统功率因数，使电机性能变差，电容器过载膨胀和损坏等危害。 同时由电源串入本实验装置的高次谐波也将影响控制电路正常工作甚至损坏元 器件，因此在电源的输入端接入共模扼流圈，构成电源e m i 滤波“。共模扼流 圈选用高导磁率的铁氧体磁环做磁芯，由两股2 3 芯铜芯聚氯乙稀绝缘电线电缆 同向并绕而成，共模扼流圈输入输出两端接1uf 耐压6 3 0 v 的c b b 电容。 在输出端负载最大电流i 。m 为：，州= 鲁= 等= 3 a ( 3 - - 1 ) 本课题拟采用调幅比为0 9 5 ，故此逆变电压需输入直流电源母线电压对应 为： = 鲁= 摆= 1 5 7 5 v ( 3 - - 2 ) 考虑系统后续扩容的可能和安全必需，选用4 个i n 5 4 0 8 整流二极管组成整 流桥，1 n 5 4 0 8 整流二极管额定整流电流i ，为3 a ，耐压值为1 0 0 0 v 。 滤波电容选容量为i 0 0 0pf ，耐压为4 0 0 v ，滤除l o o h z 电压纹波，使电压 u a 平直。 3 2 2 桥式逆变电路设计 桥式逆变电路如图3 1 所示，由4 个功率开关管( v t i v t 4 ) 、4 个反并 续流二极管( v d i v d 4 ) 、4 路r c d 关断缓冲电路和m 5 7 5 9 l 隔离驱动电路组成。 浙江人学t 程硕十学位论文3 单相逆变器数字拧制实验系统硬件电路设计 3 2 2 1 功率开关管的选取 本实验系统的最大输出为1 5 0 v ，额定功率为2 2 5 w ，额电源负载为5 0q ，峰 值电流为3 a 的5 0 h z 电压，载波频率为2 0 k h z ，输入直流电压为1 5 7 5 v 。因此， 在功率开关管选择时考虑1 5 倍冗余后，开关管电流容量应大于4 5 a ，耐压 应大于2 4 0 v ，最高工作频率不低于2 5 k h z ，根据以上要求选择市场上常见的中小 功率开关管有东芝的i g b t 管g t 5 j 3 0 1 。其参数如下表3 1 所示，由表3 - 1 中 参数可知完全能满足要求且为后续实验扩容留有一定空间。 表3 一lg t 5 j 3 0 1 参数 性能指标符号范围单位 集电极一发射极电压 v 6 0 0v 门极一发射极电压 v g e s2 0 v d c i c 5a 集电极电流 l m sic p1 0a d ci ，5a 发射极一集电极正向电流 1 m s i 州 1 0a 3 2 2 2 反并续流二极管选取 功率开关管g 5 j 3 0 1 管，内置有快恢复二极管，考虑开关管功耗，故在每只 i g b t 功率开关管c 、e 两端反并联一只快恢复二极管f r 3 0 7 ，其反向耐压达1 0 0 0 v ， 最大j 下向平均电流i ，= 3 a ，峰值浪涌电流i 。= 1 5 0 a 。 3 2 2 3 功率开关管r c d 关断缓冲电路设计 功率开关管r c d 缓冲吸收电路如图3 2 所示：在功率开关管i g b t 的c 、e 之间并联r c d 关断缓冲吸收后，利用电容两端电压不能突变的特性，来钳制功 率开关管两端电压上升率掣，使功率开关管工作在安全区内。当功率开关管由 d l 导通状态转换到关断状态时，电路通过二极管d 向电容c 进行充电，使得功率 开关管两端电压的d 。u 降低，在功率开关管由关断转换到导通时电容c 上所充电 矗 能通过功率开关管向电阻r 放电。由于r c d 缓冲电路只在功率开关管关断时限 制两端电压。d u ，故称作关断缓冲电路。r c d 关断缓冲电路是有能耗的，缓压电 4 f 容c 在功率开关管导通期间通过电阻r 放完，即w 。= w 。，电容储能为 浙江大学丁程颅十学位论文 3 单相逆变器数字控制实验系统硬件电路设计 睨= 妻c 吃z ，在工程计算时考虑效率和散热因素，取电阻功耗为w r = 1w z u 。考虑它冗余量取3 5 0 v ，频率z 为2 0 k h z ，则可计算电容c 为0 8 1 n f ，选取标称 电容l n f 耐压为6 3 0 v 的c b b 电容。由于缓压电容c 储能通过放电电阻r 在功率 开关管导通期间放完，即放电时间常数t = r c 浙江人学t 程硕上学位论文 3 单相逆变器数字控制实验系统硬件电路设计 在u m n 的高频段，爿( 彩) z ( 詈) 2 ， 三 ) z4 0 1 9 ( r o ) ，即在低频段渐近线是一条水平线，而高频渐近线是一条斜率为 一4 。d b d e c 的直线。这两条线相交处的交接频率为= 丽1 ，在交接频率附 近，幅频特性与渐近线之间存在一定的误差，其值取决于阻尼的值。阻尼比越 小，则误差越大。当 1k q 由表。一z 可知如2 忐2 丢叫2 s s 本实验中，输出电流峰值i 。为3 a ，则在电流传感器付边输出电压峰值为： 一吐慨= 去_ 2 4 v 电流传感器付边输出电压峰值( 2 4 v ) 3 3 2 信号调理电路 ( 3 一1 8 ) 小于d s p 芯片电压3 3 v ，满足要求。 信号调理电路的主要作用是将采样的信号经过调理后获取理想信号并且能 满足后续电路要求。本实验系统中主要是将采样输出电压信号和电流信号经调 理后送到d s p 电路进行a d 转换，并且由d s p 完成相关的算法，因此调理电路影 浙江大学丁程硕十学位论文3 ，单相逆变器数字控制实验系统硬件电路设计 响系统的稳定性和动态性能。本实验系统信号调理电路主要包含滤波电路和直 流偏置电路。 由于采样信号中含有大量2 0 k h z 的开关频率及其倍频谐波分量，若将采样 信号直接输入d s p 芯片a d 采样，不仅对芯片造成较大干扰，而且对系统稳定性 和动态性能都有较大的影响。故需经过滤波后得到5 0 h z 基波理想信号。 常见的模拟滤波器有b u t t e r w o r t h 、b e s s e l 、e l i i p t i c 、t e c h e b y c h e f f 等， 以上各常见信号滤波器性能比较如表3 3 所示“： 表3 3 常见信号滤波器性能比较 截止频率附截止频率附 滤波器名称通带特性瞬态响应 近衰减近相位畸变 b u t t e r w o r t h平滑稍有有些过冲 t e c h e b y c h e f f有小波动 较快较大过冲较小 b e s s e l 最平滑 最小过冲最小，但上 升时间较长 b u t t e r w o r t h 较差过冲较小，但上 t h o m p s o n 升时间较长 e 1 1 i p t i c有小的波动很快过冲较大 由表3 3 可知，综合比较各种常见的信号滤波性能，可知b u t t e r w o r t h 滤 波器具有比较好的折衷综合性能，得到广泛的应用。本实验系统选用二阶 b u t t e r w o r t h 滤波器电路图如图3 9 所示。 其传递函数如下： 图3 9b u t t e r w o r t h 滤波器电路 浙江人学t 程硕l 学位论文 3 ，单相逆变器数字控制实验系统硬件电路设计 h ( s ) 2 硒币万碌1 了丽( 3 - - 1 9 ) 由标准形式有： 野( s ) = 瓦函1 再 3 2 0 ) 则： 三：(3-21) 4 2 2 刀 蜀g + 也g = 等= 去 一z ， 本实验系统滤波器主要是滤除开关频率及其倍频谐波，而工频信号通过， 故滤波器转折频率应远大于5 0 h z ，而低于2 0 k h z 开关频率，本实验系统选取截 止频率为l o k h z ，根据式( 3 2 1 ) 和式( 3 2 2 ) 综合选取c ，= 2 2 n f ，c 2 = 8 2 0 p f ， r 。= 8 2 k q ，r 2 = 2 0 k q 。 经过b u t t e r w o r t h 滤波器滤波后的输幅值接近3 3 v 频率为5 0 h z 丁f 弦波信 号，但d s p 数字信号处理器a d 采样只能为o 3 v 的电压，故需对j f 弦波进行进 一步调整，本课采用直流偏置和放大电路结合，如图3 一l o 所示。 图3 一l o 直流偏置与放大电路 图3 1 0 可完成式( 3 2 3 ) 运算： ( r ) ：3 3 _ - u , ( t ) ( 3 _ 2 3 ) u 。为滤波电路输出正弦信号，通过凡，r ：，叠加直流偏置( 一3 3 v ) 由r ，和r 。 和运放完成1 2 的比例运算。经直流偏置和比例运算放大电路后，则电压采样 信号调理为：0 1 5 v 3 1 5 v 的正弦信号。电流采样信号调理为：0 4 5 v 2 8 5 v 浙江大学工程硕_ 卜学位论文 3单相逆变器数字控制实验系统碗件电路设计 正弦信号，以上两路信号送到d s p 电路分别进行电压a d 采样和电流采样。 3 3 3 过流检测与保护 过流保护采用三重保护：2 2 0 v 交流电源进线短路保护、直流母线过流保护 和功率开关管过流保护。2 2 0 v 交流电源进线短路保护采用串接2 a 熔断丝保护。 功率开关管过流保护则通过集成驱动电路对功率开关管i g b t 的c 、e 电压来保 护，同时还将过流信号通过光耦反馈与直流母线过流信号一起送到触发器和电 平转换电路，然后送到数字信号处理器( d s p ) 。对直母线过流保护检测直流侧 母线电流，还是采用l e m 公司的l i y 5 一p 霍尔电流传感器采样，将采样电流经放 大后送比较器与设定过流值比较，得到过流信号经隔离与功率开关管i g b t 过流 信号一起送到触发器和电平转换电路。 3 3 4 电平转换、通信接口电路 由于过流保护信号及电压过零信号等数字信号供电为+ 5 v ，数字信号处理器 ( d s p ) 的电源为+ 3 3 v 供电，两者不匹配，如将+ 5 v 数字信号直接输入数字 信号处理器( d s p ) ，将损坏数字信号处理器( d s p ) ，因此选用s n 7 4 v c 4 2 4 5 转换。 通信采用c a n 的现场总线，接口电路如图3 1 1 所示。 图3 一l lc a n 的现场总线，接口电路 3 3 5 数字信号处理( d s p ) 电路“5 。删 本实验系统选用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型1 6 位定点数字信号处理d s p 芯片来进行控制算法。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是为了满足控制应用而设计的。通过把 一个高性能的d s p 内核和微处理器外设集成一个芯片的方案。4 0 m i p s 的处理速 度，使t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 性能远远超过系统的1 6 位微控制器和微处理器。1 6 位 浙江大学工程顾上学位论文 3单相逆变器数字挖制实验系统硬件电路设计 定点d s p 内核为模拟系统的设计提供了不牺牲系统精度和性能的数字解决方 案，对自适应控制卡尔曼滤波和状态控制等先进的控制算法的应用，提高了系 统的性能，在不改变系统硬件的情况下通过软件就可实现控制算法的改善和系 统的升级。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片共有1 6 路，1 0 位精度的a d 采样通道，本实验系统只 需两路。一路采集输出交流电压，一路采集电感、电流，采样前信号是经过调 理的，采样是在定时器周期中断进行的。 系统采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 最高工作频率4 0 m h z ，由于原定三角波载波频 率为2 0 k h z ，故采用定时器下连续模增减计数模式产生，中断在定时器t ，下溢 时产生的，装载经控制算法运算后的正弦波值，由删而产生s p w m 波形，采用对 称规则采样中的峰点规则采样，即在三角载波的峰点进行采样。输出电源频率 为工频5 0 h z ，采样频率为2 0 k