（控制科学与工程专业论文）燃料电池内阻测试系统信号源逆变单元设计.pdf

摘要 燃料电池作为新代节能环保能源受到了广泛的关注，内阻则是体现燃料电 池是否工作正常的重要指标。设计可实时在线测试的燃料电池内阻测试系统具有 重要意义。正弦交流电流信号激励源是内阻测试系统的重要组成部分。本文重点 研究并实现信号激励源中的逆变单元，主要内容如下： 提出了内阻测试激励源的总体方案，包含a c d c 不控整流电路，d c d c 直流 变换电路，d c a c 逆变电路，控制器电路，通讯电路和辅助电源电路等部分，研 究了各部分整体工作的原理，并重点设计了激励源逆变单元方案，分析了工作原 理，给出了硬件和算法的设计思路。 设计了模块化的硬件电路。从电路结构设定、性能指标分析、参数选择以及 功能实现等方面入手，完成了最小系统电路模块( 包括主控制芯片、复位电路、 电源电路、时钟电路和仿真接口电路五部分) 、逆变桥电路模块( 包含逆变桥、 保护电路和l c 滤波电路等) 、逆变驱动电路模块、电流值采样电路模块( 包含电 流瞬时值采样和采样值处理等) 四个部分的硬件电路设计。 在逆变单元硬件架构的平台下，研究了信号激励源的输出信号控制策略。主 要包括逆变电路功率开关控制策略和输出正弦波幅值反馈控制策略两方面。功率 开关控制策略采用数字化s p w m 发生算法设计，完成对输出电流信号为正弦波输 出且可变频的控制研究。正弦波幅值反馈控制策略采用模糊p i d 算法设计，实现 输出正弦波幅值大小可变的控制功能。 最后，进行了实验研究，分析了不同频率不同幅值电流输出要求下系统控制 效果。实验表明该控制系统实现了控制要求，取得了较好的控制效果。 关键字：燃料电池；电流激励源；变频调幅；s p v i ；模糊p i d a bs t r a c t f u e le e l lh a da l r e a d yd r a ww o r l d w i d ea t t e n t i o n 嬲aw a yt om a k eu s eo ft h e e n e r g yo fh y d r o g e nw h i c hi sc l e a na n dg r e e n i nt h ef u e lc e l ls y s t e m ，p e o p l ec h e c k e d t h ep a r a m e t e r so ff u e lc e l lr e s i s t a n c et ot e s ti fe a c hp i e c eo ft h ef u e lc e l l sw a sw o r k i n g p r o p e r l y s oi tn e e d e dt od e s i g nar e a l t i m eo n l i n et e s t i n go ff u e le e l lr e s i s t a n c et e s t s y s t e m t h et e s ts y s t e ms e n ds e v e r a la ce x c i t a t i o nc u r r e n ts i g nw i t ht h ed i f f e r e n t f r e q u e n c ya n dd i f f e r e n ta m p l i t u d et ot h ei n t e r n a lr e s i s t a n c e ，a n dd e t e c t e dt h ef e e d b a c k r e s p o n s et or e a l i z et h et e s t t h e r e f o r e i tn e e d e dt oe q u i pw i ma na cc u r r e n ts i g n a l e x c i t a t i o ns o u r c ew i t ht h ec o n t i n u o u sv a r i a b l e f r e q u e n c ya n dt h e c o n t i n u o u s a d j u s t a b l ea m p l i t u d e t h er e s e a r c hc o n t e n t so ft h i st h e s i sw e r ea b o u tt h ed e s i g no ft h e i n v e r t e rm o d u l ew h i c hi sap a r to ft h ea cc u r r e n ts i g n a le x c i t a t i o ns o b r c e 1 h et h e s i se x p o u n d e dt h eo v e r a l ld e s i g np r o j e c ta b o u tt h ea cc u r r e n ts i g n a l e x c i t a t i o ns o u r c ea n dt h ei n v e r t e rm o d u l ef i r s t a n dp u tf o r w a r dt h es p w mc o n t r o l a l g o r i t h ma n dt h ef u z z yp i da l g o r i t h mw h i c hu s e dt oc o n t r o lt h ec u r r e n tw a v es h a p e ， t h ec u r r e n tf r e q u e n c ya n da m p l i t u d ei nt h ed i 西t a lc o n t r o lm o d e a n dt h e n , i t e x p o u n d e dt h ei n v e r t e rm o d u l ef r o mt w op a r t sd e t a i l e d a b o u tt h eh a r d w a r ec i r c u i t d e s i g na n da l g o r i t h md e s i g n t h eh a r d w a r ed e s i g nc a nb ed i v i d e di n t of o u rp a r t s ：t h em i n i m u l t ic o n t r o ls y s t e m c i r c u i tm o d u l ew h i c hu s e dt h ed s p 2 812c h i p ；i n v e r t e rb r i d g ec i r c u i tm o d u l ew h i c h i n c l u d e dt h ei n v e r t e rb r i d g e ，l cf i l t e rc i r c u i t ，p r o t e c t i o nc i r c u i ta n ds oo n ；i n v e r t e r d r i v ec i r c u i tm o d u l e ；t h es a m p l i n gc i r c u i tm o d u l ea b o u tt h ec u r r e n tv a l u ew h i c h i n c l u d e dt h es a m p l i n gc i r c u i ta b o u tt h ec u r r e n ti n s t a n t a n e o u sv a l u ea n dt h es a m p l e c u r r e n tv a l u eh a n d l i n g , e t c t h ea r t i c l ed e s i g n e dt h e mf r o mt h ea s p e c t so ft h ec i r c u i t c o n f i g u r a t i o n ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，p a r a m e t e rs e t t i n ga n df e a t u r e si m p l e m e n t a t i o n a n di tg a v et h ep r o c e s st oa c h i e v et h ec i r c u i ta n dt h ep a r a m e t e r s t h ec o n t r o ls t r a t e g ys t u d yi n c l u d e dt h ep o w e rs w i t c h i n go ft h ei n v e r t e rc o n t r o l s t r a t e g ya n dt h es i n ew a v ea m p l i t u d ef e e d b a c kc o n t r o ls t r a t e g y t h ep o w e rs w i t c ho f t h ei n v e r t e rc o n t r o ls t r a t e g yd i s c u s s e dt h ep r i n c i p l eo ft h es w i t c hc o n t r o la l g o r i t h m ， t h ew a yt od e s i g nt h ed i g i t a lc o n t r o l l e ra b o u ts p w m ，t h em e t h o dt oa d j u s tt h ec i r c u i t f r e q u e n c y t h es i n ew a v ea m p l i t u d ef e e d b a c kc o n t r o ls t r a t e g yd i s c u s s e dt h em e t h o d o f t h ef u z z yp i dc o n t r o l l e r a tl a s t w ew o r k e do u tt h er e s u l t st os h o wt h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g ya c h i e v e d s t a b l ec u r r e n ta m p l i t u d ew h i c ho b t a i n e db e t t e rc o n t r o le f f e c t k e y w o r d s ：f u e lc e l l ；p r o g r a m c o n t r o l l e da cc u r r e n ts o u r c e ；v a r i a b l ea m p l i t u d ea n d f r e q u e n c y ；s p w m ；f u z z yp i dc o n t r o l i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：单一日期三型三笪 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：垒址导师签 日期：独坦堕 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着世界工业的蓬勃发展，能源危机和环境污染逐步凸显出来，成为全球 性的共同问题。现在全球最主要依赖的能源仍然是石油，煤炭和天然气等化石 能源。而石油和天然气的蕴藏量又较为有限，如果在未来的经济发展中对它们 的依赖性还如此大的话，可能使它们在本世纪中叶枯竭。另外引起全世界气候 恶化的温室效应，一半以上都是由这些能源体系造成的口1 。特别是随着第三世界 工业崛起以及人们物质生活水平的提高，使得短期内化石能源的需求量飞速增 长，温室气体的扩散和流动，使世界气候变得越来越异常，并引发了许多全球 性的灾害。2 0 0 9 年哥本哈根气候会议上的激烈争论给我们敲响了警钟口3 。而除 了c 0 2 的排放，化石能源的冶炼、不完全燃烧、残渣的处理也都给周边环境带来 了很大的破坏和压力。故如何能更好的发展经济、维持能源的较长时间利用而 又能减少环境污染需要人类努力去探索。 从环保和能源持久性使用的角度出发，开发清洁的可再生能源被人们所看 好，并成为当今世界能源利用的发展趋势，如水能、氢能、太阳能、风能等 4 1 。 在汽车发展领域中，针对其燃油低效率、尾气排放污染严重等因素，节能环保 往往成为一大卖点。而以氢能源作为动力的燃料电池车作为一种可再生、无污 染并能很好控制的清洁能源车在最近几年的车展中频频出现，引起了人们的广 泛关注，日本等发达国家现已经建立燃料电池车试验线。从能源利用率来看， 陆地车用汽油机利用率为3 0 左右，柴油机为3 5 4 5 ，而燃料电池发动机则能 达到5 0 以上晦1 。由此可见氢燃料电池车将成为下一代汽车的典型代表之一。 1 2 课题研究意义 本实验室中几年前已成功研制出了2 5 k w 燃料电池发动机并装载了“楚天一 号”轿车，2 0 0 9 年研发的8 0 k w 燃料电池发动机也能持续稳定工作，并装载入中 巴车中试运行。但其监控设备只能测试各电池片的电压，故要对工作中的燃料 电池进行全面检测使其能对异常电池片及时预警，还需要研发新的测试系统。 现本研发小组正在进行燃料电池内阻在线测试系统的研究【6 1 ，它采用电化学阻抗 武汉理工大学硕士学位论文 谱法 7 1 ，通过不同频率的正弦电流给电池内阻不同的激励信号，从而测试出内阻 两端电压，并由电压与电流的相位差求出电池片的容抗和阻抗。所以内阻测试 系统还需要开发一个可变频变幅的正弦交流电流源来给电池内阻提供激励信 号。 本课题研究内容来源于国家8 6 3 项目“燃料电池内阻在线测试与湿度软测 量技术研究”。主要是要设计出一款燃料电池内阻在线测试用的程序控制交流电 流激励源，即一种逆变电源。项目要求该电流激励源可实现输出幅值和频率均 可在线调整的正弦电流信号的功能，精度要达到l ，性能要稳定。 现阶段的控制设备中，产品的数字化已经成为未来电子电器的发展趋势。 逆变电流源也是如此。许多新型的逆变电源都已开始采用d s p 芯片来控制。通 过数字化控制，可以改善原模拟电路控制中遇到的许多问题，使电源朝着高效 率，高抗干扰性，高功率，高灵活度，低污染，模块化的方向发展，从而逐步 扩大并占领功率变换控制领域技术研究和开发的市场。 本文通过对程控交流电流激励源中一部分电路的研究与设计，并对项目要 求进行相关数字化控制策略的探讨，从而实现对逆变电源的控制方法和控制效 果的实践。本课题的研究，一方面希望给本实验室该项目的发展、实现和完善 打好基础；另一方面希望给以后在逆变电源数字化控制方向进行研究的朋友们 提供一些理论知识和实践经验，为本国逆变电源的发展尽一份力。 1 3 国内外研究现状 逆变电源最早出现在上世纪6 0 年代，其发展过程大致可划分为三个阶段。 最早阶段，逆变器是以晶闸管作为开关器件来控制电路电流的，但晶闸管没有 可控关断能力，需要增加换流电路来强行关断，而换流电路性能较差，从而导 致产品适用性不强。7 0 年代后，随着m o s f e t ，i g b t 等一批电力电子器件的发展， 出现了自关断开关器件的逆变电源。这种电源电路简单，控制性能强，可靠性 高，特别是i g b t 本身具有的高开关频率、低功耗、低通态压降等特点使其成为 中小型功率电源开关首选旧1 。但是这代电源是通过经验进行的开环控制，动态性 能差，抗干扰能力弱，对非线性负载适应性低。故针对这些缺点，在9 0 年代后 期，出现了带实时反馈的逆变电源。实时反馈技术使电源的整体性能有了质的 飞跃，并在这十几年的发展中不断地完善呻1 。现主要用的一些反馈控制法包括 p i d 控制、重复控制、无差拍控制、模糊控制、谐波补偿控制等n 0 i 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 逆变电源的输出波形主要分为两大类：一类为正弦波逆变电源，一类是 方波逆变电源u 。方波逆变电源输出的方波交流电质量较差，因为电流交替 变化时从正向最大值瞬间跳转到负向最大值，从而对负载和逆变器本身造成 了强烈的不稳定影响。另外，它的负载能力也很差，仅能达到额定负载的 4 0 一6 0 ，从而不能带感性负载。如果所带的负载过大，方波电流中所含的 三次谐波分量将增大流入负载的容性电流，最坏情况可能会损坏负载的电源 滤波电容。故它正慢慢的淡出市场。正弦波逆变电源输出的则是同我们日常 电网中用的一样的正弦波交流电，因此它不存在电磁污染。它又可分为工频 逆变器和高频逆变器，前者技术成熟，稳定性强，可靠性高，过载能力强，在 相对恶劣的环境下都能使用，具有保护功能全等优点，同时还有很强的非线性 负载驱动能力，可制作大功率电源。但它的体积过大，移动性不高。而后者却 是近些年的新兴产物，它凭借自身的优越的性能指标、高效率、小体积、轻 重量、高移动性、操作简单、无污染等优点得到了市场上中小功率逆变器的拥 护，从其技术和成本上看，它将成为未来逆变器广泛运用的趋势n 2 】。在国内 外生产的正弦波逆变电源中，由于纯正弦波输出能够提供高质量的交流电流， 能够带动任何种类的负载，是逆变电源输出波形的良好选择，但它的技术要 求和成本都很高，也给普及带来了些难度。为了弥补这一市场缺陷，研发者 常常会用准正弦波逆变电源代替，其种类有改良正弦波、修正正弦波、模拟 正弦波等等。准正弦波逆变电源输出的波形在正向最大值变到负向最大值中 间有一个时间间隔来过渡，使其效果有所改善，但准正弦波的波形并不平滑， 而是折线构成，连续性不好，隶属于方波的范畴。总体来说，准正弦波逆变 电源基本可以满足人们生产生活中的大部分用电需求，效率高，噪音小，成 本适中，成为市场中的主流产品3 | 。 目前国内市场的逆变电源大都存在或多或少的效率低问题n 4 1 。由于逆变 电源在工作时其本身也要消耗一部分的电力，因此它的输入功率要大于输出 功率。逆变电源的效率即为逆变电源的输出功率与输入功率之比。目前欧美 的太阳能逆变电源工作效率是最高的，欧洲标准要达到9 7 2 ，对应价格也 随之变得昂贵，而国内市场只有江苏艾索新能源股份有限公司旗下的t l 系列 太阳能光伏逆变电源单项机能与之媲美，最大效率可达到9 7 6 ，国内其他 厂商的逆变电源效率则都在9 0 以下，但价格相对进口就要便宜很多。 另外，从逆变电源使用对象的不同，其性能侧重点也不一样。如用于高新 产业的电源，像太阳能电池和风力发电机要将蓄电池的直流电通过逆变电源变 3 武汉理工大学硕士学位论文 成2 2 0 v 的正弦波交流电输出，则需要设计可进行程序控制的智能逆变电源n 司。 如用于车载的逆变电源，则需要具备转换效率高、启动快，负载适应性与稳定 性强等特点，而产品输入电压直流1 2 v 或2 4 v 、输出电压交流2 2 0 v 、5 0 h z 。输 出功率也分为不等规格。又如用于高精密仪器的逆变电源，采用s p w m 和c p u 控 制技术，需要具备可靠性高、输入输出隔离、安全高效、波形失真小等特性， 并具有完善的保护功能n 刮。并能把一些常用的直流电源电压转换为2 2 0 v 、5 0 h z 稳压、稳频、噪声小纯净的正弦波交流电源。总之，逆变电源的使用广泛，用 途多样，所以其研发前景也很可观。 如今，逆变电源的一个典型的发展动态便是从模拟控制转变到数字控制上 来。随着技术的发展，数字化产品不断的运用到生活中来，而且越来越成熟， 特别是随着数字信号处理器的发展n7 1 ，其现在具有的强大功能给数字控制器的 研发创造了良好的环境。将数字控制运用到逆变电源中时，可以改善模拟控制 中的不便条件，其具体优势如下： ( 1 ) 数字逆变电源用软件编程替代了许多硬件功能实现，更新换代方便，参 数设置简单，系统调试方便，保密性能好。数字控制电源中的s p l j l m 波、控制器、 死区、直流偏磁补偿控制等方面都是由软件编程实现的，而模拟控制电源却是 通过搭建硬件电路来实现，所以数字控制比模拟控制少了许多硬件电路设计， 节约了空间，减小了逆变电源的体积和重量。另外，当逆变电源需要升级时， 数字系统可通过改变源程序来实现产品的更新换代，而模拟系统则要重新设计 硬件电路，耗费材料。将仿真器连到电脑上，通过c c s 软件可任意设置数字系统 的参数并实时进行系统调试，相比模拟环境下方便快捷的多。当数字控制器调 试完毕，其程序烧录n d s p 中，外部无法获得。而模拟控制器由元器件构成，结 构一目了然，保密性差u 引。 ( 2 ) 系统抗干扰性强，性能可靠性高。系统可以在软件中加入数字滤波等数 字措施来减少外部干扰。另外，数字电路绝大部分控制由软件完成，其硬件电 路较简单，而且，数字控制器内部带有自动监控系统，可以在系统混乱后自动 重启，并在软件中加了保护和报警装置，防止系统故障，提高了系统的可靠性。 而模拟控制中由于其结构复杂，元器件林立，布线麻烦，器件间相互影响干扰 大，可靠性下降。 ( 3 ) 数字控制操作方便，系统状态监控和故障诊断易于实现。d s p 内部的 功能可以通过计算机或其他按键来操作实现，而且可以扩展显示屏来观察控制 中的工作和故障信息。而模拟控制器要实现上述功能则要外扩单片机系统。 4 武汉理工大学硕士学位论文 数字技术与模拟技术相比，好处远不止这些，随着人们对高性能逆变器的 需求，数字逆变电源取代其它逆变电源来占领广阔的市场将成为逆变电源发展 的最终趋势。 1 4 主要研究内容 程控交流电流激励源的设计从结构上分主要包含a c d c 不控整流电路单元、 d c d c 直流变换电路单元和d c a c 逆变电路单元三个部分，从设计方向上可分为 硬件设计、算法设计和软件设计三大类。 本文主要研究的内容是程控交流电流激励源逆变单元的设计。从总体设计、 硬件设计和算法设计三个方面入手。具体研究如下： ( 1 ) 对程控交流激励源整体方案进行设计，并主要针对其中的逆变单元重点 设计。 ( 2 ) 硬件设计的内容主要包括整个硬件电路结构布局和硬件各模块的设计， 而对硬件模块的设计又主要从电路元器件工作环境分析、电路结构组合、元器 件参数计算和元器件的选择等方面来进行。 ( 3 ) 算法设计主要论述了针对激励源的一些设计要求如何在逆变单元中实现 而进行的一些策略，包括正弦波发生的方法，正弦波变频变幅的算法，并对设 计的控制系统进行了实验来观察和分析其性能。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章内阻测试激励源逆变单元设计方案 燃料电池内阻测试系统需要一个程控交流电流信号激励源来为其提供实时 在线可调的正弦信号。根据要求，信号源要实现频率和幅值均可调的，而且要 有很高的精度与稳定度，所以激励源的设计是整个内阻测试系统的重要环节之 一。本章节首先对激励源整体方案结构进行设计，然后针对其中的逆变单元进 行重点方案设计。 2 1 内阻测试激励源整体方案设计 燃料电池内阻测试用程控交流电流激励源要求激励源输出为正弦波，现阶 段其频率在l o o h z 一2 0 k h z 之间可变、幅值在1 a - i o a 范围内可调，而且在负载呈 容性并不断变化的情况下要有很高的精度和稳定度。根据设计要求，给出了如 图2 - 1 所示的程控交流电流激励源整体设计方案。由方案所示，激励源的结构 主要包括以下几部分：a c d c 不控整流电路，d c d c 直流变换电路，d c a c 逆变 电路，控制器电路，通讯电路和辅助电源电路等。 图2 一l 程控交流电流激励源整体结构图 6 武汉理工大学硕士学位论文 设计方案的具体实现过程如下：在燃料电池内阻在线检测过程中，程控激 励源的输入电压将直接来自于燃料电池电堆的直流输出电压，由于现阶段的燃 料电池电堆输出电压在几百伏，超出了逆变电路的输入要求，所以首先通过 d c d c 降压电路部分来实现直流电压调节，然后再输入到逆变单元部分产生交流 正弦电流输出。而在程控激励源设计过程中，暂时采取交流市电代替燃料电池 输出电流。将2 2 0 v 市电通过第一级a c d c 不控整流电路部分( 包括2 2 0 v 转8 0 v 的变压器和a c d c 整流电路) ，转换为ll o v 左右的稳定直流电输出，然后再通 入d c d c 电路部分。电流最终从l c 滤波电路输出后经串联的隔直电容器叠加至 燃料电池堆上，给燃料电池内阻测试系统提供测试用的电流激励源。在d c d c 电路单元和d c a c 电路单元中各有一个电压或电流采样一控制一驱动环，它们 共同构成调节正弦波幅值的双闭环。d s p 控制器模块与其它各模块通过数据线相 连，实时检测直流母线电压、d c a c 逆变器的负载电流、m o s f e t 的温度等，并 根据控制算法发出控制指令，控制d s p 事件管理器中的p w m 单元输出五路p w m 信号，其中一路信号送至d c d c 单元中的隔离驱动电路中用以控制d c d c 的占 空比来调节电压值，另外四路信号通过隔离驱动电路来控制d c a c 逆变电路 m o s f e t 通断从而实现正弦波的发生。 2 2 逆变单元方案设计 逆变单元是实现程控激励源正弦交流电流输出的重要环节，它的设计思路是 基于d s p 的强大功能，用合理的硬件电路配合数字化控制方法来实现正弦波的 生成、调频调幅。 丽刘逆d c 变a 桥c 电匾丁 嚣遍1 l 刁f v l 日盯卜世已b j ：f 磊 i 控制逻辑l s 出p w 笛m 硅发j i 馏d 卜陌蕊 生算法| |算法f 。i 竺竺竺 图2 - 2 逆变单元方案设计 7 基准 信号 区容一壁黼斟隔 武汉理工大学硕士学位论文 从电路功能设计上考虑，可以将逆变单元主要分为最小控制系统部分，逆变 主电路部分，电流采样反馈部分三大块。对于逆变主电路部分，不仅需要逆变 电路的设计，还要包含逆变电路功率模块的驱动电路和保护电路，l c 滤波电路 等的设计。而电流采样反馈部分也包括电流采样和电压数值处理电路的设计。 从算法上考虑，设计需要包括生成正弦波、正弦波调频算法和调幅算法。正 弦波生成算法和调频算法都可通过数字s p l l l v l 发生方法来实现，调幅算法则可采 用模糊p i d 算法进行闭环控制来实现。逆变单元的方案框图如图2 - 2 。 逆变单元工作原理为前级d c d c 单元输入一个电压可调的直流电流进入逆 变电路，由d s p 执行按照数字s p w m 发生方法编写的控制程序，产生s p w m 信号， 通过功率开关驱动器控制m o s f e t 的开关，产生正弦波等效的s p i 聊v l 电流波形， 然后经过l c 滤波后实现正弦波输出的要求。电流频率则可通过调节d s p 执行的 s p w m 信号算法中定时器的周期来实现，电流幅值则根据电流值采样反馈回路进 行自动调节。这些控制策略将在第4 章中详细论述。 2 3 本章小结 本章对燃料电池内阻测试用程控交流电流激励源的总体设计方案作了详细 的论述，给出了其整体结构框图。其次，重点介绍了其中的d c a c 逆变单元的 方案设计和工作原理。为下文的硬件电路设计和控制算法设计定下基调。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章内阻测试信号源逆变单元硬件设计 在逆变单元硬件电路设计中，根据上述逆变单元方案设计以及实际硬件布 局考虑，将它进行模块化处理，并从它们的电路结构设定、性能指标分析、参 数选择以及功能实现等方面入手分别进行设计。 3 1 逆变单元整体硬件架构 逆变单元硬件电路根据其功能和结构主要划分为最小系统电路模块、逆变 桥电路模块、逆变驱动电路模块、电流值采样电路模块四个部分。其中，最小 系统电路模块主要包括d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制芯片、复位电路、电源电路、时 钟电路和仿真接口电路五部分，负责s p w m 信号的输出，模糊p i d 的控制，幅频 调节等数字控制和算法运作。逆变桥电路模块是正弦波生成的执行机构，主要 包括逆变桥和l c 滤波电路两部分，在逆变桥中要注意对其功率开关管的一些保 护设计。逆变驱动电路模块是逆变桥模块与最小系统电路模块间的接口，对它 进行设计用来提高器件的运行效率、可靠性以及安全性能等。电流值采样电路 模块主要实现对负载电流值的检测和为电流变幅提供数据参数，其主要包括电 流瞬时值采样电路和电流有效值处理电路两部分的设计，另外要注意些对过流 过压，信号干扰等的防范措施设计。逆变单元整体硬件框图如图3 - i 所示。 图3 一i 逆变单元整体硬件框图 3 2 最小系统电路模块设计 最小系统电路主要由控制芯片、复位电路、电源电路、时钟电路和仿真接 口电路五部分组成瞳0 | 。其结构如图3 - 2 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 主控芯片 最小控制系统核心芯片选用的为d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，它是t i 公司c 2 0 0 0 系 列中综合性能很高的一款芯片。它具有强大的功能和丰富的外设。如1 2 8 k b 的 片内f l a s h 存储器、4 k b 的引导r o l l 、2 个串口通信接口、1 6 通道的1 2 位a d 转换模块、串行外围接口、局域网络( e c a n ) 等，运算精度达3 2 位，系统处理 能力很高，工作频率最高达1 5 0 m h z ，两个采样保持器可实现双通道信号同步采 样。所以它在工控、过控、电子等领域都有广泛的运用乜。 在本设计中，d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的事件管理器能够提供系统所需的数字 s p w m 发生以及变频变幅所必须的比较器、计数器。而且其计算速度快，工作 频率高，能够实现开关管高频控制。 时钟电路复位电路 爿 d s p 卜 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 一n 电源电路r l 2 1 叫 叫仿真接口电路 。”。“ il “7 “。“ 图3 - 2 最小系统框架图 ( 2 ) 复位电路 d s p 2 8 1 2 的复位方式分硬件复位和软件复位，软件复位是通过编程来实现 的，而硬件方式还分为上电复位和手动复位，如图3 - 3 所示，引脚r s 与d s p 中 的引脚r s 相接。上电复位用的是芯片d s p 2 8 1 2 作外接复位电路，当芯片上电过 程或运行中出现死机情况，则给引脚r s 一个有效的复位信号，在上电瞬间，由 于电容c 的电压不能突变，通过电阻r 充电，复位信号从低到高变化，为使d s p 芯片初始化完全，一般应保证r s 至少持续3 个外部时钟周期的变化时间。手动 复位是按下按键让电容c 放电，让r s 电平为0 ，然后松开开关后的复位过程与 上电复位过程相同。复位操作的进行不必经过c p u 仲裁，而且具有最高级别的 优先中断权，它的存在保证了系统的正常运作。 手 复 图3 - 3 复位电路 1 0 位 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 电源电路 d s p 系统一般采用多电源系统。它要求1 8 v ( 或1 9 v ) 的核电压和3 3 v 的 i o 电压。而供电电压一般为5 v 的直流电源，故采用t i 公司的t p s 7 6 7 d 3 1 8 电 源芯片作为d c d c 转换器，将5 v 电源转换为3 3 v 和1 8 v ( 或2 5 v ) 两种不同 的电压。输出电压要经过滤波处理才能给芯片和一些外围电路供电。 ( 4 ) 时钟电路 在d s p 中，时钟电路的性能直接影响着系统的正常运行，故它在最小系统 中起着至关重要的作用。d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的片上晶振模式分为外部时钟源和内 部振荡器两种连接方式来为器件提供时钟。如果用内部振荡器，则在引脚 x t a l l c l k i n 和x t a l 2 之间接一个石英晶体。如果采用外部时钟源，则将外部时 钟信号接到引脚x t a l l c l k i n 上，引脚x t a l 2 悬空。本设计采用内部接3 0 m l l z 的石英晶体，经p l l 倍频后为系统提供时钟。时钟电路图如图3 - 4 所示。图中 p l l f 间的电容电阻构成外部晶振频率的滤波环节。 ( 5 ) 仿真接口电路 图3 4 时钟电路 图3 5 仿真器接口电路 d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上配有标准仿真接口3 t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) ， 武汉理工大学硕士学位论文 以实现在线仿真测试、程序下载等功能。仿真器接口电路如图3 5 所示。它共 有1 4 个管脚，其中t d i 与t d o ( 用于测试数据输出) 、t m s ( 用于测试模式选择) 、 t c k ( 用于测试时钟输入) 为边界扫描测试所需的四根信号线。而e m u o 和e m u l 信号通过i o k 的上拉电阻连接到3 3 v 的电源上，提供少于l o , u s 的信号上升时 间。 3 3 逆变桥电路模块设计 3 3 1 逆变桥设计 逆变电路最常用的方式分半桥逆变和全桥逆变两种幢2 1 。半桥逆变电路包含 一对功率开关管及两个电容，结构简单，开关管工作时所承受的电压和电流应 力高，所以管耗也高，控制方式固定，并只可工作于同频方式。而全桥逆变电 路则由四个功率开关管组成，其工作时承受的电压和电流应力相对较低，故管 耗低，控制方式灵活，可工作于倍频方式。尽管全桥逆变所用的功率管较多， 但相比半桥逆变电路，其能实现的功能却多的多，所以相比之下，设计中选用 全桥逆变结构。其电路图如图3 6 所示。 图3 - 6 全桥逆变电路 全桥逆变电路主要用来实现正弦波的等效波形s p w i d 波。通过d s p 2 8 1 2 按照 s p i e v l 生成算法发出控制信号来控制逆变桥的四个功率开关管的通断。故功率开 关器件的一些性能参数直接影响到全桥逆变电路的工作，一般选用m o s f e t 或 i g b t ，本设计中选用m o s f e t 。 m o s f e t 是通过电压驱动控制的器件，其栅极驱动电压的大小影响到m o s f e t 的开关性能。它的栅源问有几纳法的电容存在，故当输入栅极电压较低，m o s f e t 开通时间增长，开通损耗也随之增大，而它的关断则较快，关断损耗小；当逐 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 渐增大栅极电压，m o s f e t 的开通时间缩短，其开通损耗也随之减小，但它的关 断时间却逐渐变长，增加了逆变桥上下臂导通的几率，并且栅极电压的噪声容 限也会随着它的不断增加而降低，从而极易导致栅极击穿的故障。故根据人们 经验的积累，栅极驱动电压一般选在1 2 - 1 5 v 之间。另外在栅源间并上一个稍大 些的等效电容。它可用来吸收信号电压的过冲和波动，缓和打开管子的电压， 使得门极电压的高频振荡减少，稳定了电路的性能。此外，这个电容还可以起 到分布电容的等效电容的作用。电路布线如果比较长，就会在电路里面存在分 布电容，所以在当栅极信号处于高低电平转换的瞬间，由于散布电容的存在， 而上下桥臂的分布电容又不一样，导致两个桥臂不能在一个关断的同时另一个 打开，管子会有一个瞬间短路的过程，电流会瞬时增大，提高了管子的损耗， 从而给输出波形造成瑕疵。每个桥臂都加入这个等量电容，增强了上下桥臂信 号的对称性，起到防范两桥臂误导通的作用。为了防止栅源极间的阻抗过高时 漏源电压突变引起的栅源尖峰电压，还需在栅源极间并接一个十几千欧的阻尼 电阻。如果想减小栅极输入电压的寄生振荡，可在栅极串入一只几十或几百欧 姆的栅极低值电阻。而为了加快m o s f e t 的关断时间，减小它的关断损耗，可以 在栅极电阻上并联一个阻值更小的电阻与二极管，栅极开通时二极管截 止，m o s f e t 正常开通：栅极关断时两个电阻并联，相当于关断时栅极电阻减小，增 大m o s f e t 的关断速度。当然还有其它加速栅极关断的办法，如开关关断时在栅 极加一个5 v1 5 v 的负驱动电压也可。 根据以上分析，为了建立合适的栅极驱动电压，在电路设计中，选择m o s f e t 驱动电压为1 5 v ，栅极电阻为1 0 0 q ，阻尼电阻l o k q ，栅源电容2 2 n f ，栅极 并联电阻1 0q ，并联二极管选用快速恢复型的。选取m o s f e t 型号为i r f p 2 5 0 n 。 它所承受的漏源电压最大可达2 0 0 v ，漏源电流为3 0 a ，开关频率可达i o m h z 以上， 管的开通和关断时间都在几十纳秒。电路设计如图3 - 7 所示。 图3 - 7m o s f e t 周边电路设计 逆变桥中最主要的成分便是m o s f e t 。它在开关过程中会产生定的过电压 武汉理工大学硕士学位论文 和过电流，加大了功率开关的损耗。故需要设计合理的保护电路来保障开关器 件的安全运行，并减小损耗。 过电压主要包括关断过电压和换相过电压两种，它们都是由于电路线上的 电感在电流突然下降时而引起的过大的电流变化率，从而在功率管漏源极上产 生过电压。关断过电压主要发生在m o s f e t 高频通断情况下，管子关断使漏源正 向电流迅速减小而造成电流变化的突增，即尖峰电压。换相过电压主要是由于 m o s f e t 与它对应的续流二极管在开关关断换相结束后并不能真正立即阻断电路 电流而引起的。在换相结束后电路中会产生较大的反相电流，而当开关管阻断 能力恢复后，反向电流急剧减小，造成电流变化的突增。过电流则是在开关管 开通时漏源电流突增而引起的电流过冲和电流变化率。 m o s f e t 的缓冲电路便是用来抑制功率开关器件的过电压或过电流的。它根 据保护的时间不同分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路又称为过 电压抑制电路，用于吸收开关器件的关断过电压和换相过电压，常用的一种称 为充放电型r c d 吸收电路。开通缓冲电路又称为过电流抑制电路，用于抑制器 件开通时的电流过冲，常用的是d i d t 抑制电路。将两种缓冲电路组合在一起 被称为复合缓冲电路。 本设计中要用的便是充放电型r c d 吸收电路，如图3 8 所示，它由一个续 流二极管v d 2 与一个缓冲电阻r 。并联再串上个缓冲电容c 。组成，并联到m o s f e t 上。其工作原理是：开关管开通时，c 。先经过r 。向开关管放电，使漏极先预存 有一定大小的电流i p 。从而防止了电路导通时i f 的激增。开关管关断时，负载 电流通过d 2 向c 。分流，抑制过电压。 图3 - 8m o s f e t 的缓冲电路 对于r c d 吸收电路的参数值设定如下1 ： c 。；一： ( 3 1 ) 。 【up 。uc e ) 其中，l 。为电路线上的电感值，u p 为关断时的过电压尖峰值，u c e 为漏源电压。 为计算方便，上式一般可简化如下： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 卟( 3 - 2 ) t ，t ，分别为开关管通断时最大漏源电压的上升和下降时间。设c s 放完电只需3 倍时间常数，则求得可得r 。： 岭急 。3 其中，t o n 开关管导通时间。另外，计算c 。放电电流i c 。 i ，：鳖 ( 3 4 ) 一 r s i c 。必须控制在0 2 5 i c 之内，否则调大r s 。 计算后再在实验中调节r s 调节。r 。过大会加长开关缓冲时间，超过死区时 间，引起桥臂导通事故。r 。过小，其缓冲能力不足，m o s f e t 开关过程中瞬时 电流过大，损坏m o s f e t 。最终取c 。为2 2 n f ，r 。为1 0 0 q ，二极管选用快速恢 复型的，缓冲电容选用无感电容，各器件间尽量靠近以减短连接线长度。试验 结果证明，m o s f e t 的尖峰电压明显变小了，发热量下降，提高了开关管的工作 性能。 全桥逆变电路中的开关管根据其实现功能分为一对低频开关管和一对高频 开关管。低频开关管的频率即为要输出电流( 或电压) 的频率，高频开关管的 频率又称为开关频率或载波频率，为输出电流频率的n 倍，n 指一个电流周期内 脉冲的个数。n 值越大，一个周期内的脉冲数越多，逆变桥输出的s p w m 越细化， 越接近于正弦波。一般来说，n 要大于1 0 0 为好。但针对以上逆变桥硬件电路模 块( 包含l c 滤波电路) 设计出的电路进行算法控制测试，当载波频率高于5 0 0 k h z 时，输出电流波形逐步失真，其原因是m o s f e t 驱动电路和全桥逆变电路中各芯 片的一些时间参数不协调，d s p 芯片控制方面也有所欠缺所致。故根据这一初期 设计限制，划分高低频开关管通断频率段如表3 - 1 。 表3 - 1 高低频开关管通断频率段设置表 正弦波频率( t t z )载波频率( h z )比例系数n 1 0 0 - - - l k1 0 k - - - 1 0 0 k1 0 0 l k - - - l o k5 0 k - - 5 0 0 k5 0 10 k - - - 2 0 k2 5 0 k 5 0 0 k2 5 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 2l c 滤波电路设计 l c 低通滤波器的用途一方面是将s p w m 波形滤成接近正弦的电压波形，一方 面是滤除输出基波中的高次谐波。它的种类很多，但鉴于本设计初始试验阶段 的一些情况，暂选用最简单的l c 滤波器进行设计。 传统的l c 低通滤波电路中的电感和电容值都是固定的，根据电路中输