（电机与电器专业论文）电力电子变换器dsp控制电路设计及其emc研究.pdf

a b s t r a c t ，n l et h e s i sm a i n l yp r e s m t st h er e s e a r c ho fd s pc o n t r o ls y s t e mf o r t h e s i n g l e - p h a s ed c a cc o n v e r t e ru s e di nf u e lc e l lp o w e rs u p p l yd e v i c e , w h i c hi n c l u d e s t h ep o w e rc i r c u i tt o p o l o g y , h a r d w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，p w mg e n e r a t i o n , c o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ee 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 ( e m c ) p r o b l e m so ft h e d c a cc o n v e r t o r a c c o r d i n gt ot h es p e c i a l i t yo ff u e lc e l la n dt h ea p p l i c a t i o nf i l e do f t h ed c a cc o n v e r t e r , t h es i n g l e - p h a s ec o n v e r t e ri sa n a l y z e d f i r s t ，t h ep r i n c i p l ea n dt h et o p o l o g i e so fs i n g l e - p h a s ed c a cc o n v e r t e ra r e i n t r o d u c e d i ta l s oi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l et og e n e r a t ep w m s i g n a la n dt h es o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o nb a s e do nd s e s e c o n d l y , t h eh a r d w a r e s o f t w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s p i s d i s c 璐s e d t h i sp a r ti n c l u d e s ：t h em i n i n l u ms y s t e md e s i g no fd s p , p o w e rs u p p l y s y s t e m ，s i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t , s e r i a lc o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c e ( s c i ) a n d c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ( c a n ) b u s 1 1 l i sp a r ta l s op r e s e n t sad i g i t a ls i n g l e l o o p c o n t r o lm e t h o df o rt h ed c a cc o n v e r t e ra n dt h es o f t w a r er e a l i z a t i o nb a s e do nd s p b o t ht h ei n s t a n t a n e o u sv o l t a g es i n g l e - l o o pa n dt h ev i r t u a lv o l t a g es i n g i e - l o o pa d o p t p ir e g u l a t i o n b e s i d e s ，t h i st h e s i sd i s c u s s e ss o m ep r o b l e m si ne 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 ( e m c ) f o rt h ec o n t r o ls y s t e mo f t h ed c a cc o n v e r t e r , a n dm a i n l yi n t r o d u c e sa ne m i f i l t e rd e s i g nm e t h o do f s w i t h i n gp o w e rs u p p l y i nt h ea l 也t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r o v i d e da n ds o m ep r o b l e m sr e q u i r i n g f u r t h e rr e s e a r c ha r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：d c a cc o n v e r t e r , d i g i t a ls i g m lp r o c e s s o r , e l e c t r o - m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 加。矿年月佣 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年 月 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 目前全球能源危机凸现，尤其是石油供应状况十分严峻，面临能源和环境 的巨大压力，各国纷纷投入大量人力物力财力进行绿色的、可再生的替代能源 的开发利用研究。氢能源与再生能源将逐渐取代化石能源成为人类使用的主体 能源，这种能源的变迁将引起发电与供电方式的大变革，使用氢能源与再生能 源发电的高效低污染的燃料电池发电方式将成为主体发电方式，这种发电方式 由于具有能量转化效率高、污染小，比能量高等优点，近年来迅速成为研究热 点。 r 燃料电池发电技术是继火力发电i kt , i i 、水力发电和核能发电之后的第四种发 电技术。燃料电池按电化学方式直接将化学能转化为电能。它不经过热机过程， 因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率高，环境友好，几乎不排放氮的氧化 物和硫的氧化物，而且燃料电池的环境兼容性好，供电可靠性高。正是由于这 些突出的优越性，燃料电池可以当作理想的分布式电源，直接建在终端用户附 近，没有庞大的输配电网络，可以节约大量的输配电设备费用。与目前一些做 为分布式电源的内燃机相比，燃料电池的发电效率更高、污染更低。作为备用 电源的柴油发电机由于污染和噪声大不宜在未来的城市中应用。燃料电池不仅 发电效率高，而且启动快、变负荷能力强，是很好的备用电源。现代社会对供 电的可靠性和环境的兼容性要求越来越高，高效、低污染的分布式电源系统日 益受到重视。 与集中供电方式相比“。i k 1 , j 分散供电方式有较多的优点：( 1 ) 可省去电网 线路及配电调度控制系统；( 2 ) 有利于热电联供，可使燃料总利用率高达8 0 以上；( 3 ) 受战争和自然灾害等的影响比较小；( 4 ) 通过天然气、煤气重整制 氢，使得可利用现有天然气、煤气供气系统等基础设旌为燃料电池提供燃料， 通过生物制氢、太阳能电解制氢方法则可形成循环利用系统( 这种循环系统特 别适用于广大的农村地区和边远地区) ，使系统建设成本和运行成本大大降低。 因此，燃料电池发电站的经济性和环保性均很好。国际上普遍认为，随着燃料 电池的推广应用，发展分散型电站将是一个趋势。 第1 章绪论 对于像军事基地、指挥中心、医院、数据处理和通讯中心、商业大楼、娱 乐中心、政府要害部门、制药和化学材料工业、精密制造工业等部门，对电力 供应的可靠性和质量要求很高。目前采用的备用电源效率低、污染严重、电压 波动大。而采用燃料电池作为分布式电源向这些部门提供电力，会使供电的可 靠性和电力质量大大提高。他们将是燃料电池发电技术的第一批用户。 对于边远地区，负荷小且分散，若建设完善的电网，不仅投资大，线损大， 且电网末端地区电力质量不稳定。对于这些区域若辅助燃料电池发电的分布式 电源，更能有效地解决这些地区的电力供应问题。燃料电池的重量比功率和体 积比功率均比常规的小型发电装置大，因此，它也是理想的移动电源，适合于 各种建设工地、野外作业和临时急用。 燃料电池系统的组成包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能 控制系统及安全装置等。图1 - 1 为燃料电池发电装置的系统结构图。本文的研究 对象d c a c 变换器是该装置不可或缺的一个组成部分。 空气l i 空气ik 引d c i a c i l空气k i - q i i r l 供给系统i r燃料电 氧 捧气 底部循l 燃科-气池装置 l 一燃料l r 环系统严 束匣度 一勰f i 的气体 - 图1 1 燃料电池发电装置的构成 1 2 本文选题意义与研究背景 美国已将燃料电池发电列为国家安全关键技术之一美、日之所以能在燃 料电池技术方面处于世界领先地位，与国家从战略高度予以组织、资助和推动 密不可分。在目前复杂的国际环境下，高技术的垄断日趋严重，掌握清洁高效 发电的高新技术对未来国家的能源和电力安全具有重要的战略意义，而燃料电 池发电技术，正是这种高效清洁的高新发电技术之一。燃料电池突出的优点， 以及发达国家竟相投入巨资研究开发的行动，足以说明燃料电池发电技术在2 l 世纪会起到越来越重要的作用。 2 第1 章绪论 燃料电池发电装置其输出电压受工作状态的影响较大，且多数为直流输出。 大部分的民用电器以及电网传输用的都是交流电，因此直接使用燃料电池的电 能有一定困难。为了使燃料电池能在民用备用电源、移动电源中广泛使用，燃 料电池用d c a c 变换器的研制也成为燃料电池应用技术的重要组成部分。针对 燃料电池的宽电压输入特性，研制与其配套的d c a c 变换器，对于拓宽燃料电 池的应用领域具有重要意义。 就国内来说，目前市面上宽电压范围输入的逆变器主要集中在小功率上， 而大功率的逆变器又集中在低电压普遍采用蓄电池2 4 v 、4 8 v 直流输入。既 符合宽电压输入要求，又能达到大功率等级的逆变器在国内市场上还不多见， 尚未实现市场化。而美、日等国研究成果比较先进，已经具有初步的商业化生 产能力。目前，美国有数万台燃料电池发电站应用于宾馆、医院及居民小区。 国内的研究主要集中在小功率的d c a c 变换器上，虽然取得了一定的研究成果， 但还不具备产品商业化的技术成熟度。对大功率宽电压的燃料电池用d c a c 变 换器的研究还有待进一步深入探索。 本课题的研究目的是研究以宽电压输入的燃料电池为能源的大功率d c a c 变换器的控制策略，使整机的输出具有良好的稳态和动态特性。并研究系统抗 外部电磁干扰能力以及减少自身对外部的电磁辐射干扰，从而符合电磁兼容要 求。课题研究的d c a c 变换器要求体积小、重量轻、转换效率高、可通讯、智 能化等特点。它除了能与氢燃料电池配合使用，也可与其他绿色电源配套使用， 例如太阳能电池、风力发电等。 1 3 燃料电池简介 燃料电池是将化学反应的化学能直接转化为电能的装置。单个燃料电池 由阳极、阴极和电解质构成，然后通过若干个单个燃料电池串、并联构成燃料 电池组输出相应电流、电压和功率。燃料电池中，在阳极上连续吹充氢气燃料， 而阴极上则连续吹充氧气，就可以在电极上连续发生电化学反应，并产生电流。 因而燃料电池是电化学能量发生器，是以化学发电，从理论来讲，只要向其不 断供给燃料及氧化剂就可以连续不断的发电。与常规的火力发电相比，它不受 卡诺循环( 由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环过程) 的限制，能量转 换效率高。 3 第1 章绪论 燃料电池按照不同的分类标准，有不同的名称。如以工作温度来划分，有 低温、中温、高温和超高温燃料电池。但目前最常用的方法还是以燃料电池中 最重要的组成部分即电解质来划分。电解质的类型决定了燃料电池的工作温度、 电极上所采用的催化剂以及发生反应的化学物质。按电解质划分，燃料电池大 致可分为五类：碱性燃料电池( a f c ) 、磷酸型燃料电池( p a f c ) 、固体氧化物 燃料电池( s o f c ) 、熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) 和质子交换膜燃料电池 ( p e m f c ) 。 rclfc 在国外”“”，加拿大的b a l l a r d 公司与美国、法国的大型供电公司共同投 资组建了合资企业，生产2 5 0 k w 级分散型p e m f c 电站设备。这些公司的建立 标志着p e m f c 氢能源系统已走出实验室，进入了加速产业化的阶段。在美国， p l u g - p o w e r 、h p o w e r 等公司生产的以天然气为燃料的5 1 0 k w 小型电站已经 投放市场，这种电站适用作家庭电站、应急电源、不间断电源。 在中国，在为数不多的几家p e m f c 研究开发机构中，神力公司在技术上有 一定优势：电池组的功率密度高( 1 0 k w 电池组的体积功率密度已达每升4 0 0 w 以上) ；燃料使用效率高( 采用了氢气的1 0 0 利用技术) ；实用性、安全性、可 靠性都非常好( 使用氢气和空气，而不使用氧气) 。 由于成本原因，p e m f c 的高成本限制了它在其他领域的应用。但是开发用 于车辆的移动式p e m f c 是发展这项技术的主要驱动力。通过在汽车工业大量使 用p e m f c 而带来预期的成本下降，将使固定式发电受益非浅。这些专门的应用 领域意味着p e m f c 技术是今后几年中可获得突破的几项未来技术中的一项，而 且不需要耗费大量的政府投资。所以本文研究的燃料电池用d c a c 变换器主要 是针对p e m f c 的，功率等级在1 0 k w - 1 0 0 k w 之间。 1 4d c a c 变换器数字控制技术 传统的d c a c 变换器都是采用模拟控制系统，模拟控制经过多年的发展， 已经非常成熟。然而模拟控制有着固有的缺点：需要大量的分立元件和电路板， 元器件数量很多，制造成本比较高：大量的模拟元器件使其连接相当复杂，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。 4 第1 章绪论 专用模拟控制集成芯片的使用大大简化了控制系统“。能方便实现一些电 路控制，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。除存在以上所述模拟控制的缺点外，专用芯片的控制不够灵活，要实现复 杂、先进的控制算法很困难。随着微电子技术的飞速发展，数字处理器的运算 速度越来越快，集成度越来越高，功能更加强大，而成本也随着大规模的生产 而下降，数字控制已成为当今电力电子发展的方向。 数字控制的电力电子装置以数字控制器代替模拟硬件电路进行p w m 控制， 通过开关的快速切换实现电量的变换。以占空比量化为基础的数字功率变换器 的数字控制，相对于传统的模拟控制有很多优点。数字滤波器是用来进行动态 调节的，若设定其采样频率等于功率变换器的采样频率，量化占空比数字控制 器可以工作在任何开关频率，而不须再补偿。通过对权系数的修改，可以方便 地改变动态调节特性。同时，基本的数字控制器可以很容易地实现诸如输出电 流限幅和软启动等特殊功能。 近年来，随着大规模集成电路、现场可编程器件( f p g a ) 及数字信号处理器 ( d s p ) 技术的发展，尤其是德州仪器( t e x a si n s t r u m e n t ) 、摩托罗拉 ( m o t o r o l a ) 、a d i 等公司相继推出了适用于逆变电源控制的d s p ，且功能 越来越完善、性能越来越优越，逆变器的数字化控制也有了越来越广阔的发展 空间。相对于模拟控制，数字控制有以下几个优点： ( 1 ) 控制电路结构简洁紧凑，大大简化了硬件电路的设计，提高了系统抗干 扰能力； ( 2 ) 设计和制造灵活，每台电源之间的一致性好，一旦改变了控制方法，只 需修改程序即可，无需变动硬件电路，大大缩短了设计研制周期； ( 3 ) 可以很方便的用软件实现复杂的控制算法，引入现代控制方法来改善系 统的性能，提高输出电能质量水平： ( 4 ) 控制系统可靠性高，避免了某些模拟元器件可能产生的参数漂移； ( 5 ) 系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便的通过r s 2 3 2 接口或u s b 口进行调试、故障查询、历史纪录查询、软件修复等，甚至还可以通过网线远 程在线操作，提供远程服务。由于控制方法灵活，便于几台逆变电源单元并联 运行控制，实现各模块之间的均流控制和通讯。 5 第l 章绪论 1 5 本文内容提要 本文的主要内容包括以下几个方面： 第1 章介绍本文的选题意义与研究背景、燃料电池的特点以及变换器的数 字控制技术。 第2 章介绍了单相d c a c 变换器的拓扑结构与脉宽调制方法。 第3 章介绍了基于d s p 的控制电路硬件设计。主要包括d s p 的最小系统， 电路板的电源系统构架，信号检测与调理电路，c a n 与s c i 通信电路等。 第4 章介绍了基于d s p 的控制电路软件设计。主要包括控制方法的选取， 单相d c a c 变换器的建模，控制器的设计及其软件实现。 第5 章对变换器工作的电磁环境进行了理论分析，并在此基础上提出了电 路板级的e m c 抑制措施，重点研究了开关电源e m i 滤波器的设计。 第6 章试验结果与总结。结合相关试验，总结所完成的工作，并提出今后 的工作方向。 6 第2 章d c ，a c 变换器主电路与调制方法研究 第2 章d c a c 变换器主电路与调制方法研究 根据变换器的级数，可以将燃料电池用d c a c 变换器分为两大类i o j 。一类 是单级系统，该系统只通过一级功率变换装置产生交流电；类是多级系统， 该系统通过两级或多级功率变换产生交流电； 单级系统和多级系统这两种拓扑结构都可以应用于燃料电池发电系统，且 各有特点：传统的单级逆变器对燃料电池输入电压等级要求较高，需要多级燃 料电池串联，对逆变器的控制性能要求也较高；而带前级d c d c 变换器的多级 系统目前在家用中小功率中应用比较广泛。 单级系统的框图，如下图2 1 所示。 ii i l l i c ： l - 工频逆变器 t 燃料电池滤波器工频变压器 滤波器 用 户 图2 1 燃料电池单级系统框图 r 对于这种拓扑的单级系统”1 ，燃料电池经过一级l c 滤波后直接接工频逆 变器。仅采用一级功率变换，电路结构简洁，使用的功率器件少，效率相对较 高。如果需要隔离发电，则在逆变器后增加工频变压器，但是工频变压器体积 和重量大、音频噪音大。 单级系统由于结构简单也带来了以下问题：( 1 ) 要求燃料电池输出电压较 高时，需要多级燃料电池单体串联；( 2 ) 燃料电池的输出电压变动范围较大， 空载输出电压和满载输出电压通常达到2 ：l ，这样在选取逆变器的功率器件时， 需按照空载电压来选择，提高了对功率器件的要求，变动的直流电压也给逆变 器的控制带来了难度：( 3 ) 燃料电池的输出电流以两倍的逆变器输出电流频率 波动，输出电流波动带给燃料电池的问题是使用寿命的降低和燃料的不充分利 用： 7 第2 章d c a c 变换器主电路与调制方法研究 多级系统目前在家用燃料电池发电系统( 1 0 k w 等级) 中应用比较多，图2 2 是两级结构的燃料电池发电系统，燃料电池经一级d c d c 变换后接逆变器。由 于d c d c 的拓扑比较多，所以采用这种拓扑的电路也比较多。经过稳压后的直 流电压比较稳定，对逆变器的功率器件和控制要求降低。如果需要隔离，可以 在d c d c 这一级使用高频变压器隔离，这样避免了工频变压器，降低了系统的 体积和重量。 l 上1 l t j - t c l c t 燃料电池d ：，d c 变换器d c a c 逆变器 图2 2 燃料电池多级系统框图 燃料电池作为发电装置，将大规模的进入实用阶段。基于对d c a c 变换器 的成本以及用户对逆变器供电质量要求等因素的综合考虑，市场上需要一种既 能实现燃料电池产生交流电，又能有效降低成本的逆变器。所以本文研究的燃 料电池用d c a c 变换器系统都是单级拓扑的。 2 1 单相d c a c 变换器主电路拓扑 r 1 d c a c 变换器的主电路一般分为隔离式和非隔离式两种“”。隔离式d c a c 变换器包含了工频变压器，体积庞大，效率也有所降低。大功率的d c a c 变换 器，效率是极其重要的一个指标，所以本文研究的d c a c 变换器是非隔离的。 单相逆变电路分为半桥和全桥逆变电路。半桥逆变电路如图2 3 ( a ) 所示，该 电路的优点是简单，使用器件少。但缺点是输出交流电压的幅值虬仅为玑2 ， 且直流侧需要两个电容串联，工作时还需要控制两个电压的均衡。因此，半桥 电路常用于几k w 以下的小功率逆变器。 全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的，如图2 3 ( b ) 所示。其输出电压 的波形与半桥电路的波形完全相同，但其幅值高出一倍，玑= 以，显然 全桥逆变电路的电压利用率更高，所以本文采用的单相逆变电路结构即为图 2 3 ( b ) 所示的非隔离的单相全桥逆变电路。 8 第2 章d c a c 变换器主电路与调制方法研究 v 陬 ( a ) 单相半桥逆变电路( b ) 单相全桥逆变电路 图2 3 两种单相逆变电路拓扑 v 瓣 v “ 2 2 单相d c a c 变换器调制方法 2 2 1p 嗍脉宽调制技术 传统的d c a c 变换器采用低频环节逆变技术，主要有方波逆变器、阶梯波 合成逆变器、正弦脉宽调制( s p w m ) 逆变器。基本型方波逆变器电路简单，但 输出电压波形的谐波含量过大，亦即t h d ( 谐波畸变率) 过大；移相多重叠加 逆变器输出电压波形的谐波含量小，亦即t h d 小，但电路较复杂。而p w m 脉 宽调制式逆变器，既有简单的电路，又可使输出电压波形的谐波含量大大减小， 亦即具有较低的t h d ，因而得到了广泛的应用。 所谓p w m 脉宽调制技术“，是用一种参考波( 通常是正弦波，又是也采 用梯形波或注入零序谐波的正弦波或方波等) 为调制波，而以n 倍于调制波频 率的三角波或锯齿波为载波进行比较，而调制波大于载波的部分产生一组幅值 相等，而宽度正比于调制波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，把直流电变成交流电，这种技术就 叫作脉宽控制逆变技术。由于载波三角波或锯齿波的上下宽度是线性变化的， 故这种调制方式也是线性的。当调制波为正弦波时，输出矩形脉冲序列的脉冲 宽度按正弦规律变化，这种调制技术通常称为正弦脉宽调制( s p w m ) 技术。 d c a c 变换器的p w m 技术，从大的方面可分为三大类：波形调制技术、 优化p w m 技术和随机p w m 技术。p w m 技术可以用于电压型逆变器，也可以 用于电流型逆变器，它对逆变器的发展起了很大的推动作用，与多重叠加技术 相比，p w m 技术在用于电压型逆变器时具有以下优点： ( 1 ) 可以省去控制电压的主电路器件，只用一个功率控 扫i 级就可以调节输 9 第2 章d c a c 变换器主电路与调制方法研究 出电压和输出频率，电路简单，有利于小型化和降低成本； ( 2 ) 直流电源可以使用不可控制整流桥，使系统电网的功率因素与逆变器 输出电压值无关； ( 3 ) 可以同时进行调频调压，与中间的直流环节的元件参数无关，系统的 动态响应速度快。可以实现快速电流控制，这对于诸如交流电动机控制，高性 能的传动系统是不可缺少的： ( 4 ) 可以消除或减少低次谐波，获得更好的波形改善效果。 正是这些优点，使p w m 技术在当今逆变领域占据了绝对的主导地位。随着 快速半导体开关器件的实际应用，p w m 技术迅速普及。 2 2 2 正弦脉宽调制( s p w m ) r l n s p w m 基本原理u “由采样理论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在 具有惯性的环节上，其效果基本相同。脉冲宽度按正弦规律变化和正弦波等效 的p w m 波形，称为s p w m 波形。把正弦波作为调制信号，等腰三角波作为载 波，因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它 与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件 的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，当调制信号为正 弦波时，所得到的就是s p w m 波形，如图2 4 所示。 f 一葛人人人人人 j 奶ml w 八7 ，| w j j fw v、一 yvvv t - _ i _ 墨5- - g r1 辞&曼j ， 、 氅毫 s z5。是 墨 一一 5 - 。o _ ，一o o o 一- 一一 图2 4 双极性嗍控制方式波形图 图2 3 0 ) 所示为采用i g b t 作为开关器件的单相桥式电压型逆变器电路，图 2 4 所示为双极性p w m 控制方式波形图。设负载为阻性负载，工作时图2 3 ( b ) 1 0 第2 章d c a c 变换器主电路与调制方法研究 中的v l 和v 2 的通断状态互补，v 3 和v 4 的通断状态也互补。采用双极性p w m 控制方式时，具体的控制规律如下：当调制波信号大于载波信号时，给v l 和 v 4 以导通信号，给v 2 和v 3 以关断信号，输出电压u o = u ；反之则v 2 和v 3 导通，v 1 和v 4 关断，输出电压= 一 2 2 3 规则采样法 按照s p w m 控制的基本原理，在正弦波和等腰三角波的自然交点时刻控制 功率开关器件的通断，这种生成s p w m 波形的方法称为自然采样法。自然采样 法是产生s p w m 波形的基本方法“，所得到的s p w m 波形很接近正弦波，但 这种方法要求解复杂的超越方程，在采用微机控制技术时需要花费大量的计算 时间，难以在实时控制中在线计算，因而在工程上实际应用不多。 规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，其效果接近自然采样法，但 计算量却比自然采样法小得多。图2 5 为规则采样法说明图。取三角波两个正峰 值之间为一个采样周期耳。在自然采样法中，每个脉冲的中点并不和三角波周 期的中点( 即负峰点) 重合。而规则采样法使两者重合，也就是使每个脉冲的 中点都以相应的三角波中点为对称，这样就使计算大为简化。在三角波的负峰 时刻f n 对正弦信号波采样而得到d 点，过d 点作一水平直线和三角波分别交于 a 点和b 点，在a 时刻f 和b 时刻f 丑控制开关器件的通断。可以看出，用这种 规则采样法得到的脉冲宽度6 和利用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。 u o l l o o mn l l r 一， 7 i 一一奈l b l t ib t l i i r v i t i 6 i l 拶 i _ 卜- i i t e丁 1 c 图2 5 规则采样法示意图 设正弦调制信号波为“， - a s i l l 0 ) r t ，式中：a 称为调制度，0 s - a l ，q 为正弦 信号角频率，正弦调制信号的频率为z ，三角载波的频率为五。从图2 5 可得 第2 章d c a c 变换器主电路与调制方法研究 如下关系式( 三角波的幅值为1 ) 1 + a s i n ( o r t d ：生 ( 2 1 ) 6 | 2 t r c 2 因此可得 万= 乙( 1 + a s i l l 在t r t d ) 2 ( 2 2 ) 在三角波的一周期内，脉冲两边的间隙宽度 万= ( 瓦一回2 = ( 1 - a s i n w , t d ) 4 ( 2 3 ) 2 2 4 单相三阶s p h i a 调制方法 s p w m 调制方法分为二阶式和三阶式两种 1 4 11 1 5 , 所谓阶数指的是输出电 压的电平数。对于半桥式逆变器，p w m 波形有正、负两个电平，即为二阶p w m 波；对于全桥式逆变器p w m 波可以只具有正、负两个电平，即为二阶p w m 波( 如图2 4 所示) ，也可以具有正、负、零三个电平，即为三阶p w m 波( 如 图2 6 所示) 。三阶s p w m 波比二阶p w m 波具有更好的消除谐波特性。 盟 2 巩0 皈酞 2 l l0 l ijl l aa人人人， 、硝盯l1 卜0 、八八八一 一 v |vv 除心j l 崩 y2 l r v lv 0v y l l 一： 墨 g 。 l 一 r _ _ 一 ； 邑厶 b- _ ；霄 i i 2 ，r 一_ - _ l i 弧 6 叁a | j | ，烈z、ljl隧迎 一 l 阱。| 上_ 酉 强川1 il | 戆 2 ，r l v 【 p ” i 用相位参差法产生三阶s p i b ! 波形图 盖 。 第2 章d c a c 变换器主电路与调制方法研究 三阶s p w m 可以用两种方法来实现：一种是采用二阶s p w m ，用相位参差 法得到三阶s p w m ；另一种方法是用波形比较法得到三阶s p w m 。这里主要介 绍相位参差法。 如图2 6 所示，用两个相位相反而幅值相同的正弦调制波，与同一个载波三 角波进行比较，得到两个二阶s p w m 波，用这两个二阶s p w m 波相减，就可以 得到三阶s p w m 波。或用两个相反而幅值相等的三角波与同一个正弦调制波相 比较，可以直接得到三阶s p w m 波。 通过对此三阶s p w m 波形进行傅立叶级数分析可得到，两个二阶s p w m 的 载波、载波的奇次谐波以及它们的上下边频谐波，都被消除掉了。所以三阶 s p w m 波比二阶s p w m 波具有更好的消除谐波特性，本文选用此三阶s p w m 作为调制方法。 1 3 第3 章d i ：a c 变换器d s p 控制电路硬件设计 第3 章d c a c 变换器d s p 控制电路硬件设计 随着电力电子技术和数字化技术的飞速发展，越来越多的基于数字控制的 电力电子变换器投入使用。数字控制以数字控制器代替模拟硬件电路进行p w m 控制，通过开关的快速切换实现电量的变换。数字控制器功耗低，对模拟电路 部分参数变化不敏感，可以方便地和数字系统相连接，并且可以方便地实现完 善成熟的控制方案，因而越来越受欢迎。可以说，数字控制是一个发展趋势， 已经在许多功率变换设备中得到应用。d s p 由于具有强大的功能，较高的性价 比，已成为电力电子变换器数字控制核心的主流选择。 d s p 芯片是一种具有特殊结构的微处理器。d s p 芯片的内部采用程序和数 据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊 的d s p 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理 的要求，d s p 芯片一般具有如下的一些主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； ( 7 ) 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，使得取指令、译码和执行等操作可以重叠执行。 目前，在微电子技术发展的带动下，d s p 芯片的发展日新月异。d s p 的功 能日益强大，性能价格比不断上升，开发手段不断改进。d s p 芯片已经在信号 处理系统，运动控制系统，电力系统等许多领域中得到了广泛的应用。而t i 公 司t m s 3 2 0 系列的d s p 是全球d s p 市场的佼佼者，t m s 3 2 0 系列的d s p 已经 c 2 0 0 0 系列发展到了c 6 0 0 0 系列。其中c 2 0 0 0 系列主要面向数字控制，运动控 制，尤其适用于电力电子变换器控制，其典型的产品为t m s 3 2 0 u 2 4 0 7 a 。本课 题中选择此d s p 作为电力电子变换器的控制核心。 1 4 第3 章d c a c 变换器d s p 控制电路硬件设计 3 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 简彳卜 r 1 正 自从德州仪器1 9 8 2 年推出通用可编程d s p 芯片以来“，d s p 技术带来了 决定数字技术未来的突破性应用。最初d s p 只是一种专门为实时处理大量数据 而设计的微处理器，但目前已经在多种不同的领域取得了许多新进展。本文主 要介绍t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，这是一种主要被用来进行工业控制的定点d s p 芯片。 d c a c 变换器由主电路和控制电路以及其他辅助电路组成。控制电路是本 系统的关键，为了使d c a c 变换器具有较好的稳态及动态特性、具有强抗干扰 性以及能够快速、准确地进行工作，对电路中微处理器的速度和功能都有相当 高的要求。美国t i 公司最新推出的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是用于控制系统的专用d s p 芯片，其运算速度快，片内资源丰富，控制能力强，因此，我们选用它作为本 控制系统的微处理器芯片。图3 1 所示为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的内部资源图。 图3 1l ：l i s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 内部资源 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 具有以下的性能特点： ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减少了控制 器的功耗：4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到2 5 m ( 在4 0 m h z 的频率下) ， 从而提高了控制器实时控制能力； ( 2 ) 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 字的数据程序 r a m ，5 4 4 字的双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) ； ( 3 ) 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时 器；8 个1 6 位脉宽调制( p w m ) 通道。可实现三相反相器控制；p w m 的对称 和非对称波形；当外部引脚只妒刀峨引脚出现低电平时可快速关闭p w m 通道； 可实现可编程的p w m 死区控制，以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3 个捕获 单元；1 6 通道具有l o 位有效位数的a d 模数转换器；片内光电编码器接口电路； 事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、步进电机、逆变器 1 5 第3 章d c a c 变换器d s p 控制电路硬件设计 及d c d c 变换器： ( 4 ) 可扩展的外部存储器总共1 9 2 k 字空间：6 4 k 字的程序存储器空间； 6 4 k 字的数据存储器空间；6 4 k 字的i o 寻址空间； ( 5 ) 看门狗定时器模块( 聊) ：使得在实际使用时不用再外加看门狗 电路。这样控制电路的硬件结构更加简单； ( 6 ) 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来 触发两个8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器； ( 7 ) 控制器局域网络( c a n ) 2 0 b 模块； ( 8 ) 串行通信接口( s c i ) 模块； ( 9 ) 基于锁相环的时钟发生器； ( 1 0 ) 高达4 0 个可单独编程或者复用特殊功能的输入输出引脚( g p i o ) 。 这些特点使得t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 具有以下优点：灵活的指令集，内部操作具 有灵活性，高速的运算能力，改进的并行结构，有效的成本。因而 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 在工业控制领域得到广泛的应用。 3 1 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的功能结构 r 1 由图3 2 可以看出t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 除了具有f l a s hm e m o r y “、r a m 及 4 0 个通用复用i o 口外，还具有锁相环、a d 模数转换、w a t c h - - d o g 定时器、 s c i 、s p i 通信、c a n 通信模块及事件管理模块等几个重要的功能模块。在工业 控制领域中，这些功能模块都具有及其广泛的应用。 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 内核和微处理器的片内外设集成为一个芯片的方案，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 成为传统 的微控制单元( m c u ) 和昂贵的多片设计的廉价的替代产品。每秒4 0 0 0 万条指 令( 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 控制器可以提供远远超过传统 的1 6 位微处理器的性能。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的1 6 位定点d s p 内核为模拟系统的设计者提供了一个不 牺牲系统精度和性能的数字解决方案。实际上，对那些诸如自适应控制、卡尔 曼滤波和状态控制等技术，通过使用先进的控制算法，系统的性能会得到提高。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 提供了高可靠性和高可编程性。而模拟控制系统的硬连线方 案，会因老化、器件失效和漂移等因素降低系统的性能。 1 6 第3 章d c a c 变换器d s p 控制电路硬件设计 上v c c a 毪臻 ，囊m ，7 2 碜2 罐蔷獭j 上f 2 2 镕k _ 盯 l ，c “一 l t l 2 【r - 4 t l e j 1 4 a 7 曩o p c ，幺? ， 缸脚臻$ 田 d c 肿一 d c 一 5 _ 厩 m 韩k 矗 ：j v c c l o c ， v s s a 叩i 日哪叮 笺謦* 一 4 弗t 。 芗。盟竺。糍 y 口h 黢 辐l 蔫 。： v r 目u ，2 b in 1 腻o - c n x n a 憎 一? 识。幺? ， ，黟，。m ，i a ，v l 蕊燃测划 ，p 5 0 n o 咐 v j s 嘲a 叼1 口 p t e 叫_ c 心j 尊 叶 阑 o o 棚。| 、习 c r 口 - l a 一n 置 t 1 1 m v 惑 眵掌 p _ _ 0 一n ，b t n p 自时c 一n 帕p c 吁n p q i h 羽 p q n e 卜7 1 d h a m p q r r 。誓 嘲 慵 i 丽 i7 、? j 、， t d o t 秘 积 。，；。j 赢一移 m t c e 精a p c 一，。、，。一 ； ， e u 胃鬲帛冒p o h n c h h 甲 口p ， ：懋 c u 】，日r e 7 c ，a e p 日州 t 一_ i i j io ：备 c p ，口目 c q 啃5 * 。“1 j t 。7 | j 。| c a p l w k i i 珲i r 1 0 p sp 帅 o f o e 印 7 e - - r p m m ，i ，啪目o 3 * t 岫州 p - o m 1 1i c 栩_ - _ p _ i ，瞄0 mp ，“叼帕 p m 一j t t t - - d 纛 ，t ) 押一秘孽鲤哆_ ，_ i 叼o e t t p 盯c p d 哪 j 粼菱 t 罄懈- - n ，口a t t 1 晰泔n o h qt ，a 哺。憎 驽”o t d e 匿恻1 口 t 喇喇 t c u 啊b t t c u 啊 皤o r 图3 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 功能结构 3 1 2t m s