[高等教育]基于PWM正弦波電源的設(shè)計(jì)

1、摘 要 現(xiàn)代變頻電源以低功耗、高效率、電路簡(jiǎn)潔等顯著優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。變頻電 源的整個(gè)電路由交流-直流-交流-濾波等部分構(gòu)成，輸出電壓和電流波形均為純正 的正弦波，且頻率和幅度在一定范圍內(nèi)可調(diào)。隨著高性能 dsp 控制器的出現(xiàn)，逆 變電源的全數(shù)字化控制成為現(xiàn)實(shí)。數(shù)字控制系統(tǒng)具有集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、 控制靈活、可實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制算法和便于實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn)。采用 dsp 作為逆變器 的控制核心，可以用軟件很容易地實(shí)現(xiàn)靈活、準(zhǔn)確的在線控制與全部故障檢測(cè)。 本文研究了基于 pwm 正弦波電源的設(shè)計(jì)。文章首先對(duì)逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和控 制策略作了詳細(xì)的介紹，在此基礎(chǔ)上選擇了重復(fù)控制作為本信號(hào)電源逆變器的數(shù) 字

2、控制方式，對(duì)重復(fù)控制逆變器的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)行了分析。闡述了逆變系 統(tǒng)的工作原理，分析了逆變系統(tǒng)中最常用的正弦脈寬調(diào)制方法及其產(chǎn)生辦法，以 及模擬、數(shù)字控制電路控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)。接著對(duì)雙極性 spwm 控制方式和單極性 spwm 控制方式作了比較。經(jīng)過(guò)比較，選用了實(shí)際濾波效果較好的單極性 spwm 控 制策略，并詳細(xì)論述了其單邊與雙邊 spwm 的產(chǎn)生方法以及各自的控制方法。 根據(jù)逆變電源的技術(shù)要求，提出了硬件電路中各部分的設(shè)計(jì)方案，完成了系 統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)包括全橋主電路設(shè)計(jì)、以 dsp 為核心的逆變控制系統(tǒng)、 采樣調(diào)理、驅(qū)動(dòng)保護(hù)等，給出了各單元電路設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)軟件則重點(diǎn)闡述逆變

3、 器數(shù)字控制系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，給出了軟件的總體結(jié)構(gòu)、spwm 波形的實(shí)現(xiàn)，生 成數(shù)字正弦基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)逆變器邏輯控制功能，即對(duì)逆變器的保護(hù)、監(jiān)測(cè)進(jìn)行控制 等。利用 miatlab 和 simulink 仿真軟件建立了逆變器的仿真模型，用以驗(yàn)證控 制方案的可行性和有效性。其研究和分析的結(jié)果為逆變器的數(shù)字化控制的研究、 完善和應(yīng)用建立了基礎(chǔ)。利用仿真工具軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電力電子設(shè)備進(jìn)行仿真， 有利于縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間，有于提高產(chǎn)品的可靠性。 關(guān)鍵字：關(guān)鍵字：逆變器；數(shù)字控制；spwm abstract modern frequency power to low power, high efficien

4、cy, simple circuit which favored some obvious advantages. the circuit consists of power supply ac - dc - ac - filtering parts, the output voltage and current waveforms are pure sine wave, and the frequency and amplitude adjustable within a certain range. with the emergence of high- performance dsp c

5、ontroller, power inverter digitalcontrol become a reality. digital control system with integrated high anti-interference capability, flexible control, advanced control algorithms can be realized and the advantages of easy real-time control. inverter using dsp as the control core, you can easily use

6、the software flexible, precise control and full-line fault detection. this article introduces digital control technologies of a single-phase spwm inverter based on tms320lf2407.firstly, the basic structure and the control strategyof the inverter system have been introduced, then selects repetitive c

7、ontrol strategy asthe control strategy for the inverter. secondly, the bipolar spwm control strategy and the univocal spwm control strategy have been compared. thirdly, according to the technique request of the inverter power supply, thepaper put forward the project of the hardware electric circuit

8、and the control electriccircuit that is exceptionally introduced, accomplishes the designs of system softwareand hardware. the software carries out output wave control, creates digitalsinusoidal norm and implements logical control functions of inverter that is, inverter protecting, monitoring and me

9、asurement and so on. the inverter simulation model is established by the simulation software of matlab and simulink, which is used to validate the feasibility of every controlstrategy. the research in the dissertation, to some extect has paved a way for thefurther research, improvement and applicati

10、on in the digital control of inverter.putting the simulation software into use in the process of the electric equipmentsdesign, it is good to reducing the time of the products design, and it is also benefit to improving the reliability of the products. key words: inverter; digital control; spwm 目 錄

11、第 1 章 緒論.1 1.1 逆變器主要模擬控制技.1 1.1.1 電壓型控制技術(shù).1 1.1.2 單周期控制技術(shù).2 1.1.3 數(shù)字化控制.3 1.2 數(shù)字控制的優(yōu)越性.3 1.3 逆變電源數(shù)字控制方案.4 1.4 本文研究的主要內(nèi)容.5 第 2 章 逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及控制策略.6 2.1 系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn).6 2.1.1 逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu).6 2.1.2 pwm 信號(hào)的產(chǎn)生方式.7 2.2 spwm 控制技術(shù)及其原理 .8 2.2.1 spwm 控制的基本原理 .8 2.2.2 全橋逆變器的控制方式.8 2.2.3 spwm 控制脈沖的實(shí)現(xiàn)方法 .11 2.3 重復(fù)控制技術(shù).13 2.

12、3.1 重復(fù)控制器的結(jié)構(gòu).14 2.3.2 周期延時(shí)環(huán)節(jié) .14 2.3.3 補(bǔ)償器 c(z).14 2.4 本章小結(jié).15 第 3 章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì).16 3.1 電源的整體結(jié)構(gòu)和工作原理.16 3.2 逆變電源主電路設(shè)計(jì).17 3.2.1 主電路結(jié)構(gòu)選擇.17 3.2.2 全橋式主電路設(shè)計(jì).17 3.3 逆變控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu).18 3.3.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).18 3.3.2 電平轉(zhuǎn)換電路.19 3.3.3 時(shí)鐘電路.19 3.3.4 復(fù)位電路.19 3.3.5 采樣及信號(hào)調(diào)理電路.20 3.3.6 驅(qū)動(dòng)電路.21 3.3.7 保護(hù)電路.22 3.3.8 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì).23 3

13、.4 本章小結(jié).24 第 4 章 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn).25 4.1 dsp 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).25 4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖.26 4.2.1 初始化模塊.27 4.2.2 定時(shí)器中斷服務(wù)模塊.28 4.3 spwm 信號(hào)的產(chǎn)生.29 4.3.1 事件管理模塊.29 4.3.2 三角波載波的生成.29 4.3.3 基準(zhǔn)正弦信號(hào)生成.29 4.3.4 pwm 信號(hào)生成.30 4.3.5 產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)波形 spwm 的程序流程圖.31 4.4 a/d 采樣部分.31 4.5 重復(fù)控制部分.33 4.6 pi 調(diào)節(jié)部分部分.33 4.7 本章小結(jié).34 第 5 章 逆變電源的仿真.35 5.1 系統(tǒng)仿真模型的建

14、立.35 5.2 仿真結(jié)果 .36 5.3 本章小節(jié).38 第 6 章 全文總結(jié).39 6.1 本文的主要工作.39 6.2 展望.39 致謝 .40 參考文獻(xiàn) .41 附錄 .42 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒論 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)逆變電源的網(wǎng)絡(luò)功能也提出了更高的要求。高性能 的逆變電源必須滿足:高的輸入功率因數(shù)，低的輸出阻抗；快速的暫態(tài)響應(yīng)，穩(wěn)態(tài) 精度高；穩(wěn)定性高，效率高，可靠性高；低的電磁干擾；智能化；完善的網(wǎng)絡(luò)功 能。隨著高性能的 dsp 控制器的出現(xiàn)，逆變電源的全數(shù)字控制成為現(xiàn)實(shí)。隨著人 們生活水平的日益提高，經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對(duì)能源的需求也越來(lái)越大，同時(shí)不可

15、再生一次性能源的不斷減少，節(jié)約能源及環(huán)境保護(hù)日益為人們所重視。電源是節(jié) 約能源的重要環(huán)節(jié)，逆變電源技術(shù)在保持節(jié)約能源的同時(shí)還必須環(huán)保無(wú)污染。 pwm 的全稱是 pulse width modulation（脈沖寬度調(diào)制） ，它是通過(guò)改變輸出 方波的占空比來(lái)改變等效的輸出電壓。廣泛的用于電動(dòng)機(jī)調(diào)速和閥門(mén)控制，比如 我們現(xiàn)在的電動(dòng)車(chē)電機(jī)調(diào)速就是使用這種方式。所謂 spwm，就是在 pwm 的基礎(chǔ)上 改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)率排列，這樣輸出波形經(jīng)過(guò) 適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。它廣泛的用于支流交流逆變器等，比如高級(jí)一 些的 ups 就是一個(gè)例子。三相 spwm 是使用 spw

16、m 模擬市電的三相輸出，在變頻器 領(lǐng)域被廣泛的采用。 1.1 逆變器主要模擬控制技 1.1.11.1.1 電壓型控制技術(shù)電壓型控制技術(shù) 電壓型單閉環(huán)控制框圖及其空載時(shí)結(jié)構(gòu)圖，如圖 1-1 所示。將逆變壓反饋信 號(hào)與基準(zhǔn)電壓信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)誤差放大器（pi 調(diào)節(jié)器、pid 調(diào)節(jié)器）后 得到誤差信號(hào)，將此信號(hào)與載波交截，經(jīng)適當(dāng)?shù)倪壿嬜儞Q和驅(qū)動(dòng) 電路后控制逆變器，如圖 1-1(a)所示。圖 1-1(b)中，g1(s)為誤差放大器的 傳遞函數(shù)，為 pwm 信號(hào)的占空比，n1、n2 為變壓器原、副邊繞組匝數(shù)， 為輸出電壓反饋系數(shù)。 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 dc-ac逆變器 隔離驅(qū)動(dòng) 電 路 邏

17、輯變換 電 路 ci rl r1 r2 + - - + cici l uiuab uo （a）單閉環(huán)控制框圖 11 1 2 ffc ls 21/n n 1 k)( 1 sg uof k uof - u e u i u o u （b）單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖 圖 11 電壓型單閉環(huán)控制原理 1.1.21.1.2 單周期控制技術(shù)單周期控制技術(shù) 對(duì)于電壓型反饋控制和電流型反饋控制，當(dāng)輸入電壓或負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)達(dá) 到新的穩(wěn)態(tài)需要幾個(gè)開(kāi)關(guān)周期的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間。 單周期控制技術(shù)，又稱開(kāi)關(guān)輸出電壓瞬時(shí)值控制技術(shù)，可在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi) 瞬時(shí)控制輸出信號(hào)，暫態(tài)過(guò)程只需一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。該控制技術(shù)可以應(yīng)用于恒頻 pwm 開(kāi)關(guān)、恒

18、定導(dǎo)通時(shí)間開(kāi)關(guān)、恒定截止時(shí)間開(kāi)關(guān)、變化開(kāi)關(guān)。恒頻 pwm 開(kāi)關(guān)單 周期控制原理。恒頻 pwm 開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)周期恒定，單周期控制調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間， 使得斬波波形的積分值等于基準(zhǔn)信號(hào)。 單周期控制技術(shù)，將非線性開(kāi)關(guān)變?yōu)榫€性開(kāi)關(guān)，是一種非線性控制技術(shù)。其 動(dòng)態(tài)性能優(yōu)于電壓型、電流型瞬時(shí)值控制技術(shù)，但經(jīng)濾波器后輸出電壓的穩(wěn)態(tài)精 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 度不及電壓型、電流型瞬時(shí)值控制技術(shù)。 1.1.31.1.3 數(shù)字化控制數(shù)字化控制 電力電子變換器的數(shù)字控制是電力電子發(fā)展的趨勢(shì)門(mén)，也是現(xiàn)代逆變技術(shù)展 的趨勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)期刊和國(guó)際會(huì)議已有很多的文獻(xiàn)報(bào)道。雖然數(shù)字控制極地簡(jiǎn)化 了硬件電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定

19、性、可靠性和控制精度，但數(shù)控變換在實(shí)際使用 中還存在許多待解決的問(wèn)題，例如:變換器開(kāi)關(guān)動(dòng)作對(duì)采樣的嚴(yán)重干擾；檢測(cè)的量 化誤差導(dǎo)致控制精度顯著下降；高速運(yùn)行下數(shù)字化脈寬調(diào)制間分辨率的下降；開(kāi) 關(guān)功率變換器數(shù)字化的數(shù)學(xué)模型研究不夠深入等。在很實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)合，往往采 用模擬控制和數(shù)字界面。 1.2 數(shù)字控制的優(yōu)越性 數(shù)字化是逆變電源發(fā)展的主要方向，逆變電源采用數(shù)字控制，具有以下明顯 優(yōu)點(diǎn): (1)易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使得逆變電源的智能化程度更 高，性能更完美。 (2)控制靈活，系統(tǒng)升級(jí)方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必改動(dòng)硬件 線路。 (3)控制系統(tǒng)的可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)化，可

20、以針對(duì)不同的系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的 控制板，而只是對(duì)控制軟件做一些調(diào)整即可。 (4)系統(tǒng)維護(hù)方便，一旦出現(xiàn)故障，可以很方便地通過(guò) rs232 接口或 rs485 接 口或 usb 接口進(jìn)行調(diào)試、故障查詢、歷史記錄查詢、故障診斷、軟件修復(fù)，甚至 控制參數(shù)的在線修改、調(diào)試，也可以通過(guò) modem 遠(yuǎn)程操作。 (5)系統(tǒng)的一致性較好，成本低，生產(chǎn)制造方便由于控制軟件不像模擬器件那 樣存在差異，其一致性很好，由于采用軟件控制，控制板的體積將大大減小，生 產(chǎn)成本下降。 (6)易組成高可靠性的大規(guī)模逆變電源并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)，為了得到高性能的并聯(lián) 運(yùn)行逆變電源系統(tǒng)，每個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的逆變電源單元模塊都采用全數(shù)字化控制，易

21、 于在模塊之間更好地進(jìn)行均流控制和通訊或者在模塊中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的均流控制算法， 從而實(shí)現(xiàn)高可靠性，高冗余度的逆變電源并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)。 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 1.3 逆變電源數(shù)字控制方案 逆變電源的數(shù)字控制方法已成為當(dāng)今電源研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，與數(shù)字化相 對(duì)應(yīng)，各種各樣的離散控制方法也紛紛涌現(xiàn)，包括數(shù)字 pid 控制、無(wú)差拍控制、 數(shù)字滑變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。從而有力地推動(dòng)逆變電源控制 技術(shù)的發(fā)展。下面介紹逆變電源的主要控制策略: (1)單閉環(huán) pid 比例一積分微分牌制 pid 控制概念明晰，實(shí)施容易，是工程實(shí)際中應(yīng)用最廣 的一類(lèi)控制器.在數(shù)字控制中，該方法分為全量式和增

22、量式，它同樣也可用于逆變 器的控制。由于空載的逆變器近似于一個(gè)臨界振蕩環(huán)節(jié)，積分控制又增加了相位 滯后，這樣一來(lái)，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，對(duì)控制器比例必須有所限制。因此，pid 控 制的快速性雖相對(duì)平均值反饋有較大的改進(jìn)，但仍是有限的，系統(tǒng)對(duì)非線性負(fù)載 擾動(dòng)的抑制效果不佳。pid 控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦指令的無(wú)靜差跟蹤，因此系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài)精度不容易滿足要求。實(shí)際系統(tǒng)往往在 pid 控制基礎(chǔ)上增設(shè)平均值反饋以保 證穩(wěn)態(tài)精度。 (2) 無(wú)差拍控制 無(wú)差拍(deadbeat)是數(shù)字控制特有的一種控制效果，它是在控制對(duì)象離散數(shù) 學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)施加精確計(jì)算的控制量來(lái)使得被調(diào)量的偏差在一個(gè)采樣周 期時(shí)間內(nèi)得到糾正

23、。早期的無(wú)差拍波形控制是基于阻性負(fù)載假設(shè)，負(fù)載適應(yīng)性較 差。采用擾動(dòng)觀測(cè)器可以實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)負(fù)載電流，顯著增強(qiáng)了負(fù)載適應(yīng)性，是無(wú)差拍 控制的一大改進(jìn)。無(wú)差拍最顯著的優(yōu)勢(shì)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，缺點(diǎn)是對(duì)依賴于精確數(shù)學(xué) 模型。 (3)狀態(tài)反饋控制 狀態(tài)反饋控制可以任意配置閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)，有利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 但在建立逆變狀態(tài)模型時(shí)很難考慮到負(fù)載的動(dòng)態(tài)特性，所以狀態(tài)反饋控制只能針 對(duì)空載和假定的負(fù)載進(jìn)行建模。由于狀態(tài)反饋控制對(duì)系統(tǒng)模型參數(shù)的依賴性很強(qiáng)， 使得系統(tǒng)在參數(shù)和負(fù)載發(fā)生變化時(shí)易出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)偏差及動(dòng)態(tài)特性的改變。 (4)重復(fù)控制 重復(fù)控制的基本思想源于控制理論中的內(nèi)模原理，內(nèi)模原理是把作用于系統(tǒng) 的外部信號(hào)

24、的動(dòng)力學(xué)模型植入控制器以構(gòu)成高精度的反饋控制系統(tǒng)。逆變器重復(fù) 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 控制的目的是為了克服死區(qū)、非線性負(fù)載引起的輸出波形周期性畸變。其基本思 想是控制量的周期重復(fù)。重復(fù)控制能使逆變器獲得低 ted 的穩(wěn)態(tài)輸出波形，其主 要缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能差，是基于周期的控制。為此提出了自適應(yīng)重復(fù)控制伺服控制 器和重復(fù)控制器組成的復(fù)合控制等多種方案改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 (5)自適應(yīng)控制 自適應(yīng)控制有效的消除由于周期性的未知的系統(tǒng)特性參數(shù)變化而對(duì)系統(tǒng)輸出 造成的影響，誤差收斂速度較快，大負(fù)載擾動(dòng)下系統(tǒng)穩(wěn)定不必知道控制系統(tǒng)的數(shù) 學(xué)模型。反饋控制設(shè)計(jì)較復(fù)雜，系統(tǒng)模型及穩(wěn)定性分析也非常困難，適合

25、于系統(tǒng) 模型未知或運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化的情況。 (6)模糊控制 復(fù)雜的電力電子裝置是一個(gè)多變量、非線性、時(shí)變的系統(tǒng)，系統(tǒng)的復(fù)雜性和 模型的精確性總是存在著矛盾。而模糊控制能夠在準(zhǔn)確和簡(jiǎn)明之間取得平衡，有 效地對(duì)復(fù)雜事物做出判斷和處理，近年來(lái)，它在電力電子領(lǐng)域中的應(yīng)用引起了人 們的重視。對(duì)于高性能的逆變電源的設(shè)計(jì)，模糊控制器有著以下優(yōu)點(diǎn): 模糊控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程中不需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，模糊控制器有 著較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)性； 查找模糊控制表只需要占用處理器的很少的時(shí)間，因而可以采用較高采樣 率來(lái)補(bǔ)償模糊規(guī)則和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的偏差。 (7)實(shí)時(shí)消諧 pwm 控制 實(shí)時(shí)消諧 pwm 控制是一種經(jīng)過(guò)計(jì)

26、算的 pwm 控制技術(shù)。需要較少的開(kāi)關(guān)脈沖即 可消除容量較大的低階高次諧波、開(kāi)關(guān)頻率低、開(kāi)關(guān)損耗小、電壓利用率高、濾 波容量小等許多優(yōu)點(diǎn)。和其它 pwm 控制技術(shù)相比，既能克服高頻 pwm 技術(shù)為消除 低次諧波而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率高的缺點(diǎn)，又能克服大功率逆變電源中運(yùn)用的波行重構(gòu) 技術(shù)降低諧波含量而導(dǎo)致主電路和控制電路復(fù)雜的缺點(diǎn)。但此方法要求實(shí)時(shí)求解 消諧模型，對(duì)控制器的運(yùn)算速度要求極高，目前還未實(shí)際應(yīng)用。 1.4 本文研究的主要內(nèi)容 本文針對(duì)現(xiàn)有逆變器結(jié)構(gòu)及控制策略進(jìn)行了詳細(xì)的分析與對(duì)比，經(jīng)過(guò)比較， 選用實(shí)際濾波效果較好的單相全橋逆變電路作為主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹了逆 變器硬件控制各單元電路設(shè)計(jì)，

27、給出了軟件系統(tǒng)流程圖及產(chǎn)生 spwm 波形方法，最 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 后利用 matlab 軟件建立了系統(tǒng)仿真平臺(tái)，分析其有效性和可行性。主要內(nèi)容分為 以下六章: 第 1 章主要介紹了逆變電源技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展、逆變電源數(shù)字化控制的優(yōu)越性， 著重介紹逆變電源的現(xiàn)有數(shù)字控制策略，分析其優(yōu)缺點(diǎn)。 第 2 章重點(diǎn)介紹了逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，具體分析了 spwm 單相全橋逆變電路的 工作原理及雙極性、單極性和單極性倍頻控制方式，給出了 spwm 控制脈沖的實(shí)現(xiàn) 方法，探討了逆變電源系統(tǒng)的重復(fù)控制技術(shù)，分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差。 第 3 章對(duì)整個(gè)硬件系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。主要包括系統(tǒng)主電

28、路、 tms320lf2407 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)及外圍接口電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)。 第 4 章具體介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。給出了系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)、各 模塊流程圖，詳細(xì)介紹了生成 spwm 波形的方法及流程，分析了 pid 算法。 第 5 章給出了逆變系統(tǒng)主電路、控制電路及 spwm 驅(qū)動(dòng)發(fā)生器仿真模型，并利 用 matlab 的電力仿真工具箱 simpowersystems 對(duì)各仿真模型進(jìn)行了仿真分析， 驗(yàn)證了其可行性。 第 6 章對(duì)全文的工作進(jìn)行了總結(jié)，并就下一步工作進(jìn)行了展望。 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 2 章 逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及控制策略 2.1 系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)

29、2.1.12.1.1 逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 逆變的直接功能是將直流電變換成交流電逆變系統(tǒng)的核心就是逆變開(kāi)關(guān)電路， 或者叫逆變電路，通過(guò)電力電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，完成逆變的功能。電力電子 開(kāi)關(guān)器件的通斷，需要一定的驅(qū)動(dòng)脈沖，這些脈沖可以通過(guò)改變一個(gè)電壓信號(hào)來(lái) 調(diào)節(jié)，產(chǎn)生和調(diào)節(jié)脈沖的電路通常稱為控制電路(或控制回路)。逆變電路中，除 了逆變電路和控制電路之外，還要有保護(hù)電路、輔助電源、輸入電路、輸出電路 等。 下面對(duì)各個(gè)部分做一些簡(jiǎn)單介紹: (1)輸入電路 逆變主電路輸入為直流電，若是直流電網(wǎng)(如煤礦，礦山，電車(chē)等)、蓄電池 貯存的電，或者是直流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電，或者直流電動(dòng)機(jī)和變頻調(diào)速

30、交流電動(dòng)機(jī) 制動(dòng)時(shí)再生直流電，則輸入電路包括濾波電路和 emi 對(duì)策電路。若是交流電網(wǎng)， 除了濾波和 emi 對(duì)策電路外，首先還要有整流電路。 (2)輸出電路 輸出電路一般都包括輸出濾波電路和 emi 對(duì)策電路，對(duì)直流輸出的逆變系 統(tǒng)還包括輸出整流電路。對(duì)隔離式逆變器，在輸出電路的前面還有逆變變壓器。 對(duì)于開(kāi)環(huán)控制的逆變系統(tǒng)，輸出量不用反饋到控制電路，而對(duì)于閉環(huán)控制逆變系 統(tǒng)，輸出量還要反饋到控制電路。 (3)控制電路 控制電路的功能是按要求產(chǎn)生和調(diào)節(jié)一系列的控制脈沖來(lái)控制逆變開(kāi)關(guān)管的 一導(dǎo)通和關(guān)斷，從而配合逆變電路完成逆變功能。在逆變系統(tǒng)中，控制電路和逆 變主電路同樣重要。 (4)輔助電源和

31、保護(hù)電路 輔助電源的功能是將逆變器的輸入電壓變換成適合控制電路工作的直流電壓。 若是直流輸入，則是一個(gè)或幾個(gè) dc/dc 變換器:若是交流輸入，則可以采用工頻降 壓、整流、線性穩(wěn)壓的方式，當(dāng)然也可以采用 dc/dc 變換器。 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 (5)逆變主電路 逆變主電路就是由逆變開(kāi)關(guān)器件等組成的變換電路，分為非隔離式和隔離式 兩大類(lèi)。如變頻器、能量回饋等都是非隔離的，逆變焊接電源、通信基礎(chǔ)開(kāi)關(guān)電 源、ups、加熱電源等都是隔離式逆變電路。隔離式逆變主電路還應(yīng)包括逆變變壓 器。非隔離式電壓變換電路形式有多種，是組成逆變主電路的基本形式，用它們 也可以組成各種隔離式逆變主電路。

32、2.1.22.1.2 pwmpwm 信號(hào)的產(chǎn)生方式信號(hào)的產(chǎn)生方式 按照 spwm 控制基本原理，在三角波和正弦波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開(kāi)關(guān)器 件的通斷。如果采用自然采樣法，會(huì)增加硬件的復(fù)雜度，但因該系統(tǒng)是以 fpga 為 控制核心，可方便地實(shí)現(xiàn)。把正弦波波形表存人存儲(chǔ)器中，同時(shí)利用加法器和減 法器生成三角形載波，再通過(guò)數(shù)字比較器產(chǎn)生所需要的波形。該方案具有可靠性 高，可重復(fù)編程，響應(yīng)快，精度高等特點(diǎn)。 2.2 spwm 控制技術(shù)及其原理 2.2.12.2.1 spwmspwm 控制的基本原理控制的基本原理 spwm 控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系 列幅值相等而寬

33、度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或者其他所需要的波 形。 從理論上講，在給出了正弦半波頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，脈沖 波形的寬度和間隔便可以準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)。然后按照計(jì)算的結(jié)果控制電路中各開(kāi)關(guān) 器件的通斷，就可以得到所需要的波形。但在實(shí)際應(yīng)用中，人們常采用正弦波與 等腰三角波相交的辦法來(lái)確定各矩形脈沖的寬度。等腰三角波上下寬度與高度成 線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)光滑曲線相交時(shí)，即得到一組等幅而脈沖 寬度正比該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這種方法稱為調(diào)制方法。希望輸出的信號(hào)為 調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的三角波稱為載波。當(dāng)調(diào)制信號(hào)是正弦波時(shí)，所得到的便 是 spwm 波形。當(dāng)調(diào)制信號(hào)不是正

34、弦波時(shí)，也能得到與調(diào)制信號(hào)等效的 pwm 波形。 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 2.2.22.2.2 全橋逆變器的控制方式全橋逆變器的控制方式 全橋逆變器的控制脈沖按 spwm 調(diào)制方式，有單極性、雙極性和單極性倍頻調(diào) 制三種。 (1)雙極性 spwm 調(diào)制 全橋逆變器采用雙極性 pwm 控制方式時(shí),載波為全波三角波。用正弦波與三角 波進(jìn)行比較，正弦波大于三角波的部分，輸出為正脈沖，小于部分，輸出負(fù)脈沖。 在開(kāi)關(guān)切換時(shí)，負(fù)載端電壓極性非正即負(fù)，電流變化率較大，對(duì)外部干擾較強(qiáng)。 負(fù)載端電壓脈沖列是由不同寬度調(diào)制的正負(fù)直流電壓組成。 (2)單極性 spwm 調(diào)制 采用單極性控制時(shí)，在正弦波的半

35、個(gè)周期內(nèi)，其電壓輸出幅值為單極性，在 開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換時(shí)，負(fù)載端電壓先變?yōu)榱?，?fù)載電流在零電壓下自然續(xù)流衰減，在 控制時(shí)間到時(shí)再恢復(fù)輸出直流電壓，其半周期的脈沖列是由零和正(負(fù))直流電壓 組成。該控制方式的特點(diǎn)是功率開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力較小，電流變化率小，功 耗也要小，因此對(duì)系統(tǒng)及外部設(shè)備干擾小。 (3)單極性倍頻 spwm 調(diào)制 ui s1 s2s3 s4 cfz lf t uc uab 圖 2-1 正弦波單相全橋逆變電路 在圖 2-1 所示電壓型全橋逆變電路中，ql, q2, q3, q4 循環(huán)導(dǎo)通一次的控制 脈沖。 單極性倍頻 spwm 調(diào)制原理分析如下: 兩路脈沖占空比為: 黃石理工學(xué)院畢

36、業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 （2- 1 1sin 2 p dm正= 1） （2- 1 1sin 2 n dm正= 2） 對(duì) p 路調(diào)制波:當(dāng)調(diào)制波電壓高于載波電壓時(shí)控制左橋臂上管導(dǎo)通，下管關(guān) 閉，反之相反.同樣，對(duì) n 路調(diào)制波:當(dāng)調(diào)制波電壓高于載波電壓時(shí)控制右橋臂上 管導(dǎo)通，下管關(guān)閉。若以 “1”來(lái)表示開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，0”表示關(guān)斷，則: 1234ab 1001spwmuqq q q 輸出波正半波 1234ab 0110spwmuqq q q 輸出波負(fù)半波 根據(jù)三角形的相似性，根據(jù)規(guī)則采樣法的特點(diǎn)，對(duì)于 p 路正脈沖，在時(shí)間上， bc=tc/2,mn=旦 tc 為采樣周期，即三角載波的周期，d 是輸出脈

37、沖寬度，d 是輸 出脈寬相對(duì)采樣周期的占空比。由 （2- c cr t uusin2 22 c u 3） 得到脈寬 （2-1sin 2 cr c tu u 4） 占空比 d 為 （2- 1 1sin 2 c dm t 5） m=ur/uc，代表調(diào)制度。 以上是 0-r 內(nèi) p 路正脈沖的占空比，同樣可得 0-n 內(nèi) n 路正脈沖的脈寬為 （2-6(1sin ) 2 cr c tu u ） 于是占空比 d 為 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 （2-7 1 1sin 2 c dm t ） 在每個(gè)調(diào)制波周期, p 正脈沖總對(duì)應(yīng)于 n 正脈沖，而在前半周內(nèi)，p 前正的脈 沖寬度恒大于 n 前正的脈

38、沖寬度。于是 p 前正脈沖跟與之相對(duì)應(yīng) n 前正脈沖首尾 的 n 前負(fù)脈沖相差而得到有效 spwm 波 uab 正半波的兩個(gè)脈沖，并且此相鄰二脈沖 寬度相等(規(guī)則采樣的特點(diǎn):每個(gè)脈沖在載波周期中點(diǎn)處兩端等寬)。 同理，容易得到輸出有效 spwm 波 uab 負(fù)半波為 p 后負(fù) n 后正在一個(gè)調(diào)制波周 期內(nèi)，p 路調(diào)制波前半周(也即 n 路調(diào)制波前半周，p、n 正負(fù)兩路正弦調(diào)制波嚴(yán)格 反相)時(shí)間段內(nèi)，兩路正脈沖的占空比分別為: （2- 1 1msin 2 p d 正 8） （2- 1 1 msin 2 d n 正 9） 且： （2- 1 1msinmsin 2 off ddd p正n 正 10）

39、 稱為有效占空比(即同一個(gè)載波周期內(nèi)兩個(gè)等寬的有效脈沖的占空比之和)。 off d 由上式可知，雙重 spwm 調(diào)制方式所得到的正弦脈沖與普通 spwm 方式得到的正弦 脈沖在效能上完全一樣。 2.2.32.2.3 spwmspwm 控制脈沖的實(shí)現(xiàn)方法控制脈沖的實(shí)現(xiàn)方法 以 spwm 為控制方式構(gòu)成的逆變器，其輸入為恒定不變的直流電壓，通過(guò) spwm 技術(shù)在逆變電路中同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻。因此，該控制方案可簡(jiǎn)化主回路和 控制回路結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。很適合蓄電池或太陽(yáng)能電池等直流電源供電 的高頻鏈逆變器的控制。因此，綜合考慮之后，本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字化控制 dc-ac 正弦波電源可采用 spwm

40、控制策略。生成 spwm 控制波形的方法主要有兩類(lèi):一是采 用模擬電路，二是采用微處理器由程序生成。 (1)利用模擬電路生成 spwm 脈沖 首先由模擬元件構(gòu)成的三角波和正弦波產(chǎn)生電路分別產(chǎn)生三角載波信號(hào)和 t u 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 正弦波參考信號(hào)，然后送入電壓比較器，從而產(chǎn)生 spwm 序列，這種利用模擬 r u 電路調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)是完成與信號(hào)的比較和確定脈沖所用的時(shí)間短，幾乎是 t u r u 瞬間完成的。而且與的交點(diǎn)精確，是兩列比較波的自然交點(diǎn)，未做過(guò)任何近 t u r u 似處理，然而，這種方法的缺點(diǎn)是所需硬件較多，且難以實(shí)現(xiàn)三角波與正弦波的 同步，而且模擬元件尤其是

41、運(yùn)算放大器存在溫度漂移等不穩(wěn)定因素，使得系統(tǒng)調(diào) 試麻煩，并且不易穩(wěn)定。 (2)利用軟件編程方法生成 spwm 控制脈沖 在逆變器控制方法設(shè)計(jì)中，利用軟件編程實(shí)現(xiàn) spwm 波的算法很多，通常使用 較多的有自然采樣法、規(guī)則采樣法、低次諧波消去法等。 自然采樣法 該方法與采用模擬電路由硬件自然確定 spwm 脈沖寬度的方法類(lèi)似，只是這里 是采用計(jì)算的方法尋找三角載波與正弦參考波的交點(diǎn)時(shí)刻，從而確定 spwm 脈沖寬 度。只要通過(guò)對(duì)與的數(shù)學(xué)表達(dá)式聯(lián)立求解，找出其交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻, . t u r u 0 t 1 t 便可以確定相應(yīng) spwm 波的脈沖寬度。雖然微處理器具有復(fù)雜運(yùn)算功能，但進(jìn)行 6 t

42、計(jì)算需要一定的時(shí)間，而 spwm 逆變器的輸出需采用實(shí)時(shí)控制，其運(yùn)算速度還滿足 不了聯(lián)立求解方程的需要。實(shí)際采用的方法是先將參考正弦波的四分之一周期內(nèi) 各時(shí)刻的和值算好，以表格形式存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器內(nèi)，當(dāng)控制需要計(jì)算某時(shí)刻的 t u r u 和時(shí)，不用實(shí)時(shí)計(jì)算而采用查表的方法很快得到。由于波形的對(duì)稱性，只需 t u r u 要知道參考正弦波四分之一周期的和值即可，在一個(gè)周期內(nèi)其它時(shí)刻的值可 t u r u 由對(duì)稱關(guān)系求得。 和波形的交點(diǎn)求法可采用數(shù)值逼近法，規(guī)定一個(gè)允許誤差，通過(guò)修改 t u r u 值，當(dāng)滿足時(shí)，則認(rèn)為找到了和波形的交點(diǎn)。根據(jù)求得 i t tiri utut t u r u 的,

43、, 便可確定 spwm 的脈沖寬度。 0 t 1 t 2 t 采用自然采樣法，雖然可以準(zhǔn)確的確定和的交點(diǎn)，但是計(jì)算工作量很大， t u r u 為了簡(jiǎn)化計(jì)算工作量，便于在工程上使用，經(jīng)常采用規(guī)則采樣法。該方法的效果 接近自然采樣法，但是卻大大簡(jiǎn)化了計(jì)算工作量。 規(guī)則采樣法 采用三角波作為載波的規(guī)則采樣法示意圖如圖 2-2： 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 m ut a a b b t2 t2 t1 t3 tt ur 圖 2-2 規(guī)則采樣示意圖 按自然采樣法求得的和的交點(diǎn)為 a和 b，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)并不和三角 t u r u 波中點(diǎn)重合，對(duì)應(yīng)的 spwm 脈寬為，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，采用近似的方法

44、求和 2 t t u 的交點(diǎn)。 r u 規(guī)則采樣法使脈沖中點(diǎn)和三角波中點(diǎn)重合，通過(guò)兩個(gè)三角波峰之間中線與 的交點(diǎn) m 做水平線與三角波分別交于 a 和 b 點(diǎn)，由交點(diǎn) a 和 b 確定的 spwm 脈 r u 寬為, 和的數(shù)值相近，兩個(gè)脈沖之間相差了一個(gè)很小的t 時(shí)間。規(guī)則采 2 t 2 t 2 t 樣法就是利用和的近似交點(diǎn) a 和 b 代替實(shí)際的交點(diǎn) a和 b，用以確定 spwm t u r u 脈沖信號(hào)。這種方法雖然有一定的誤差，但此誤差工程實(shí)踐證明是可以忽略的。 因此，spwm 控制脈沖的實(shí)現(xiàn)算法就變?yōu)榍蠼夂?jiǎn)單的三角方程，大大減小了計(jì)算量。 設(shè)三角波和正弦波的幅值分別是和，周期分別是和，

45、脈寬和間 tm u rm u t t s t 2 t 隙時(shí)間 和由下式計(jì)算: i t 3 t (2-11) 2 21sin 2 ts tttt (2-12) rmtm uu (2-13) 132 241sin 2 tts ttttttt 由公式 2-11 和 2-12，可以很容易求得和值，從而確定相應(yīng)的脈沖寬度。 1 t 2 t 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 上面對(duì) pwm 控制技術(shù)的原理進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)能生成 spm 控制脈沖的各種 方法進(jìn)行了介紹。由微處理器以軟件方式生成 spwm 控制脈沖的方法具有抗干擾能 力強(qiáng)、控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較理想的控制方案。 本文在設(shè)計(jì)中，

46、以 dsp 為主控芯片，采用了工程上常用的基于規(guī)則采樣法和 采樣保持原理的 spwm 波形生成原理，利用匯編語(yǔ)言編程序?qū)崿F(xiàn)算法。由于 dsp 為 整個(gè)系統(tǒng)的主控芯片，除了輸出逆變器控制用 spwm 脈沖外，還負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的各 種保護(hù)及輔助控制功能。因此，要實(shí)現(xiàn)規(guī)則采樣法的實(shí)時(shí)計(jì)算有一定難度。為了 發(fā)揮 dsp 作為主控芯片的能力，故設(shè)計(jì)中采用了查表法實(shí)現(xiàn) spwm 脈沖的輸出。 2.3 重復(fù)控制技術(shù) 重復(fù)控制是基于內(nèi)模原理的一種控制思想。所謂 “內(nèi)?！?，是指在穩(wěn)定的閉 環(huán)控制系統(tǒng)中包含外部輸入信號(hào)的數(shù)學(xué)模型。下面是內(nèi)模原理的具體表述: 對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)而言，如果控制器的反饋來(lái)自被調(diào)節(jié)的信號(hào)，

47、且在反饋回 路中包含相同的被控外部信號(hào)動(dòng)態(tài)模型，那么整個(gè)系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的。內(nèi)模原理 的本質(zhì)是把系統(tǒng)外部信號(hào)的動(dòng)力學(xué)模型植入控制器以構(gòu)成高精度的反饋控制系統(tǒng)。 2.3.12.3.1 重復(fù)控制器的結(jié)構(gòu)重復(fù)控制器的結(jié)構(gòu) 對(duì)于重復(fù)控制系統(tǒng)而言，內(nèi)模是系統(tǒng)的核心，它提供了穩(wěn)定持續(xù)的控制信號(hào)。 圖 2-3 給出了重復(fù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。其中，r 為需要跟蹤的重復(fù)性指令；e 為誤 差信號(hào)；d 為作用于控制對(duì)象的重復(fù)性擾動(dòng)；p(z)是控制對(duì)象的傳遞函數(shù)；y 為實(shí) 際輸出；為周期延時(shí)環(huán)節(jié)；c(z)為補(bǔ)償器；q(z)為濾波器.重復(fù)控制器檢測(cè)指 n z 令 r 與實(shí)際輸出 y 之間的誤差。由內(nèi)模對(duì)誤差 e 進(jìn)行逐周期

48、的積分，起到對(duì)既往 誤差信息記憶的作用，以便在誤差消失或變得很小的時(shí)候仍能輸出合適的控制量。 在周期延遲環(huán)節(jié)和補(bǔ)償器的作用下，根據(jù)內(nèi)模積分的結(jié)果，重復(fù)控制器將在下一 周期的適當(dāng)時(shí)刻輸出控制量，以減小誤差 e。以下分別介紹濾波器 q(z)、周期 r u 延時(shí)環(huán)節(jié)和補(bǔ)償器 c(z)。 n z 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 r + _ e + + d + y ur n zzq )( n z )(zc)(zp + 圖 2-3 重復(fù)控制系統(tǒng)示意圖 2.3.22.3.2 周期延時(shí)環(huán)節(jié)周期延時(shí)環(huán)節(jié) 位于重復(fù)控制系統(tǒng)的前向通道上，使控制信號(hào)延遲一個(gè)周期，即本周期 n z 檢測(cè)到的誤差信息在下一周期才開(kāi)始

49、影響控制量。由于指令信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào)均為 周期性，這樣可使控制信號(hào)對(duì)下一周期的控制作用具有一定的超前性，而且對(duì)于 超前相位補(bǔ)償而言，此環(huán)節(jié)也是必需的。在引入周期延時(shí)環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的快速性 受到影響，有較大的控制滯后，因此在使用重復(fù)控制器時(shí)多采用嵌入式結(jié)構(gòu)，保 留指令信號(hào)的快速通路。 2.3.32.3.3 補(bǔ)償器補(bǔ)償器 c(z)c(z) 補(bǔ)償器 q(z)是針對(duì)對(duì)象 p(z)的特性而設(shè)置的，它是重復(fù)控制器最重要的部分， 對(duì)重復(fù)控制系統(tǒng)的性能好壞有著決定性影響。在獲知了上一周期的誤差信息后， 到了下一周期該如何給出合適的控制量，這就是補(bǔ)償器 c(z)要解決的任務(wù)。q(z) 的作用就是提供幅值和相位補(bǔ)償，

50、以保證系統(tǒng)穩(wěn)定，并在此基礎(chǔ)上改善波形校正 效果。對(duì)于幅值補(bǔ)償，只要適當(dāng)減小 c(z)的增益，就可以抵消誤差。而相位補(bǔ)償 意味著針對(duì)誤差的每一頻率分量都要給出合適的控制“提前量” 。補(bǔ)償器 c(z)的 相頻特性最好是對(duì)象 p(z)的相頻特性的逆特性。 當(dāng)相位補(bǔ)償借助超前環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，補(bǔ)償器 c(z)可以采用以下形式: （2-14） nk rt zu c zk z s z 式中起相位補(bǔ)償作用的超前環(huán)節(jié)；比例項(xiàng) kr 類(lèi)似重復(fù)控制增益；而濾波器 s(z)則 k z 起到以下三方面的作用:將控制對(duì)象的中低頻增益校正為 1；抵消控制對(duì)象較高的 諧振峰值，使之不破壞穩(wěn)定性；增強(qiáng)前向通道的高頻衰減特性，提高

51、穩(wěn)定性和抗 高頻干擾能力。由于設(shè)置了濾波器 s(z)，超前環(huán)節(jié)要補(bǔ)償濾波器和控制對(duì)象 k z p(z)總的相位滯后。 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 2.4 本章小結(jié) 本章對(duì)逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行了分析介紹，并對(duì)雙極性 spwm 控制、 單極性 spwm 控制和單極性倍頻 spwm 控制作了分析比較，重點(diǎn)探討了逆變電源系 統(tǒng)的重復(fù)控制技術(shù)，分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差。給出了 spwm 控制脈沖的實(shí) 現(xiàn)方法。 第 3 章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 電源的整體結(jié)構(gòu)和工作原理 電源的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-1 所示： 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 整流濾波逆變電路濾波輸出 tms3

52、20lf2407 隔離驅(qū)動(dòng) spwm信號(hào) 產(chǎn)生 采樣調(diào)理 單片機(jī) lcd鍵盤(pán) spce061a 圖 3-1 電源整體結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)主要由以下幾部分組成: (1)功率電路。整個(gè)功率電路由前級(jí) (boost 功率因素校正電路+buckdc-dc 電 路)和后級(jí) (全橋逆變電路)組成，本文主要的研究對(duì)象是后級(jí)逆變部分，主要對(duì) 這一部分加以說(shuō)明。 (2)驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路以及采樣調(diào)理電路。 (3) dsp 控制板。該部分由 dsp(tms320lp2407)以及附加的外圍電路組成。該 部分實(shí)現(xiàn)輸出電壓采樣、變頻信號(hào)給定、重復(fù)控制、spwm 信號(hào)輸出以及和單片機(jī) 的通訊等功能。 (4)人機(jī)界面。該部分由單

53、片機(jī)(spce061a)、鍵盤(pán)、串行通信以及液晶顯示模 塊構(gòu)成。通過(guò)人機(jī)界面接收用戶的設(shè)定參數(shù)，與 dsp 實(shí)現(xiàn)通訊，以設(shè)定的頻率和 波形作為當(dāng)前逆變器工作的參考電壓信號(hào)。并接收 dsp 控制板通過(guò)串行通信送過(guò) 來(lái)的當(dāng)前時(shí)刻的輸出電壓、頻率值，最后將這些工作狀態(tài)數(shù)據(jù)在液晶顯示模塊 (lcd)中顯示出來(lái)。市電單相電壓(-220v)經(jīng)整流濾波后供給逆變電路(ipm 單相全 橋逆變)。ipm 在驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下將整流濾波后的直流電變成一定電壓、一定頻率 的交流電，經(jīng)隔離濾波后供給負(fù)載。輸出電壓經(jīng)過(guò)采樣后送給 dsp 處理，dsp 對(duì) 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 取樣信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的控制算法處理，

54、輸出修正后的 spwm 控制信號(hào)，使得輸出電壓 穩(wěn)定在期望值。 整流濾波電路將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，本系統(tǒng)的整流電路采用單相不控整流 形式，濾波器采用電感、電容組成低通無(wú)源 lc 濾波器。逆變電路的功能是將交流 電整流濾波所得到的直流電壓變換成交流電壓，逆變器的輸出是高頻正弦脈寬調(diào) 制波 (spwm)，該波形經(jīng) lc 低通濾波器濾波之后得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波?？刂齐娐肥?逆變電源系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，輸出電壓精度的高低、波形失真度的大小以及工作的 可靠性等都與控制電路密切相關(guān)?？刂齐娐分饕獙?shí)現(xiàn) spwm 信號(hào)產(chǎn)生、閉環(huán)調(diào)壓、 反饋采樣等功能。 3.2 逆變電源主電路設(shè)計(jì) 3.2.13.2.1 主電路結(jié)構(gòu)選擇

55、主電路結(jié)構(gòu)選擇 實(shí)現(xiàn)從直流到交流的逆變主電路結(jié)構(gòu)形式主要有半橋式和全橋式兩種，這兩 種結(jié)構(gòu)形式在單相逆變電路中都有廣泛應(yīng)用。 半橋式逆變電路有較強(qiáng)的抗不平衡能力，但是電壓利用率低，要輸出同等功 率大小的電能，主變壓器原邊電流要加大一倍，主開(kāi)關(guān)器件的電流定額也要加大 一倍，以彌補(bǔ)電壓利用率的不足。全橋式逆變電路的電壓利用率高，比半橋式電 路大一倍，但所用功率器件為四個(gè)，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。本系統(tǒng)采用全橋式逆變 電路。 3.2.23.2.2 全橋式主電路設(shè)計(jì)全橋式主電路設(shè)計(jì) 主電路結(jié)構(gòu)圖如圖 3-2 所示，系統(tǒng)采用單相不控整流橋，無(wú)源濾波，用電解 電容對(duì)整流輸出的高電壓進(jìn)行平滑濾波，減小直流電壓中的

56、交流成分。為了減 1 c 小電解電容等效串連阻抗的影響，再在電解電容兩端并聯(lián)了一個(gè)高頻無(wú)極性電容 。功率管通斷時(shí)，因?yàn)榛芈贩植茧姼泻妥儔浩髀└械淖饔茫谒鼉啥藭?huì)產(chǎn)生電 2 c 壓尖峰，這個(gè)電壓尖峰疊加原來(lái)的母線電壓會(huì)超過(guò)管子的安全工作區(qū)。這個(gè)高頻 無(wú)極性電容可以抑制開(kāi)關(guān)管兩端的電壓尖峰，從而對(duì)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行保護(hù)。 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 ui s1 s2s3 s4 cfz lf t uc uab 保護(hù)電路 s1、s2、s3、 s4驅(qū)動(dòng)電路 dsp采樣電路 lf io u 圖 3-2 主電路結(jié)構(gòu)圖 變壓器兩邊的電壓高頻脈沖一般都要進(jìn)行平滑濾波，才能輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓 以供給負(fù)載。一般的輸出

57、濾波電路分為電容濾波、電感濾波和 lc 濾波。電容濾波 平滑負(fù)載電壓，電感濾波平滑負(fù)載電流 i。lc 濾波具有以上兩種電路的共同優(yōu)點(diǎn)。 整流橋 b1 完成不控整流；濾波電容 c1 為 560 uf/400v 電解電容；為 2 u 2 c f/1200v 的高頻無(wú)極性電容；ipm 中的四個(gè)功率管 q1q4 組成全橋逆變；為變壓tl 器；對(duì)于交流正弦波逆變輸出的 lc 濾波電路，本系統(tǒng)選用 2 個(gè) 4.7uf/250v 的無(wú) 極性電容、并聯(lián)；為 10mh 的濾波電感；電容兩端并聯(lián)一個(gè)電壓霍爾 3 c 4 c 1 l 4 c hu，以檢測(cè)輸出電壓，作電壓閉環(huán)反饋控制用。 3.3 逆變控制系統(tǒng)的硬件架

58、構(gòu) 3.3.13.3.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 圖 3-3 為逆變控制系統(tǒng)硬件框圖?？刂齐娐芬?texas instuments(ti)公司推 出的 tms32olf2407 為主控芯片。主要包括控制電路、檢測(cè)電路、保護(hù)電路、顯示 電路、通訊接口電路等。 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 過(guò)壓保護(hù) 過(guò)流保護(hù) 邏輯電路 tms320lf2407 電流采樣電路 電壓采樣電路 a/d pdpint spwm sci 通訊口 rs232 接口 驅(qū)動(dòng)電 路 逆變橋 圖 3-3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3.3.23.3.2 電平轉(zhuǎn)換電路電平轉(zhuǎn)換電路 tms32olf2407 的管腳電平是 3.3 v

59、，但常用的器件是 5v，例如 ad、d/a 與計(jì) 算機(jī)的接口等。與 5v 器件通常應(yīng)作電平轉(zhuǎn)換后再相連，在進(jìn)行這兩種電平的信號(hào) 連接時(shí)，應(yīng)了解器件耐受的電壓范圍和高低電平的門(mén)限值。dsp 的管腳電平其高 低電平門(mén)限值與普通的 5v 的 ttl 門(mén)限值是一致的，這樣 dsp 的輸出可以直接驅(qū)動(dòng) 5v 器件的輸入，但 5v 器件輸出經(jīng)過(guò) asm1117 器件后才能連到 dsp 的輸入。如果 將 5v 器件的輸出直接加在低壓 dsp 的管腳上，會(huì)使 dsp 損壞或工作異常。 3.3.33.3.3 時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路 在進(jìn)行時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮以下問(wèn)題: (1)頻率。即系統(tǒng)工作的頻率。 (2)信號(hào)電

60、平。是 5v 還是 3.3v，是 ttl 電平還是 cmos 電平等。 (3)時(shí)鐘的沿特性。上升沿和下降沿的時(shí)間。 (4)驅(qū)動(dòng)能力。考慮整個(gè)系統(tǒng)中需要時(shí)鐘的器件數(shù)目。 (5)采用有源還是無(wú)源晶振。有源晶振驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，頻率范圍寬；無(wú)源晶體價(jià) 格便宜，但驅(qū)動(dòng)能力比較差。tms320lf2407 提供了兩個(gè)時(shí)鐘引腳 xtall/clkin 和 xtal2。其中 xtal1/clkin 是 pll 振蕩器輸入引腳；xtal2 是晶振、pll 振蕩器 輸出引腳。 3.3.43.3.4 復(fù)位電路復(fù)位電路 在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，一般應(yīng)從兩種復(fù)位的需要去考慮，一個(gè)是上電復(fù)位；另 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21