基于dsp三相逆变整流电源的课程设计

1、 综合课设报告1、 背景意义和目的近年来，随着微机，中小型计算机的普及和航天航空数据通信，交通邮电等专业的迅速发展，以及为了各种自动化仪器、仪表和设备套的需要，当代对电源的需求不仅日益增大，而且对电源的性能、效率、重量、尺寸和可靠性以及诸如程序控制、电源通/端、远距离操作和信息保护等线性稳压电源功能提出了更高的要求，对于这些要求。传统的线性稳压电源无法实现，和线性稳压电源相比，开关电源具有：效率高，稳压范围宽，体积小重量轻，安全可靠。学习目的:1. 巩固电力电子以及dsp课程的理论知识；2. 学习和掌握中电力电子系统控制系统设计的基本方法，设计一个三相50Hz交流稳压电源；3.培养学生独立分析

2、和解决工程问题的工作能力及实际工程设计的基本技能 4.提高编写技术文件和制图的技能。2、 任务要求对三相50Hz交流稳压电源的理论进行研究，设计一台样机，参数为50Hz，电压36V，容量为100VA，电压稳定度95%，失真度小于5%，效率80%。3、 设计内容 1.研究三相50Hz交流稳压电源的理论，并进行仿真； 2.了解三相50Hz交流稳压电源的算法，软件设计编程及调试； 3.相应的硬件电路设计和调试。4、 系统原理 1.系统主电路，采样调理电路，控制电路，光电隔离电路，和保护电路组成，系统组成框图如图1所示， 图1 系统组成框图 2.系统主电路系统主电路是典型的AD-DC-AD逆变电路，由

3、整流电路、中间电路、逆变电路和隔离变压器构成。整流电路将输入的三相交流电经整流；中间电路滤波后的直流供给逆变器；逆变电路将直流电逆变为50Hz的三相正弦交流电。主电路系统组成框图如图2所示。 图2 主电路系统组成框图1） 主电路参数的确定 为了得到36V的电压，我们知道逆变过来的电路中的关系，直流侧的电压=这里的调制度M=0.7； U=36/1.732=20V.逆推过去，是经过不可控整流过来的，=2.45*；所以=32.65V。所以变压器变比选择220/33。滤波电路的参数选择 常见的滤波电路有LC,LCL等，LC滤波的电路如图4所示： 图4 LC滤波电路滤波电路的输入输出传递函数为：式中，为

4、基波角频率，n为谐波次数。令截止频率，则：的选择决定了幅频特性的基本特征。越大，对高频的衰减能力越差，越小，对高频的衰减能越强，但是L、C参数值增大，会使滤波器成本增加，体积变大，因此需要合理选择。由于根据图4所示，设滤波电路后端等效负载阻抗为Z。则在该处阻抗满足匹配条件：令截止频率，则：继而可得， S=100VA,S=UI,故I=等效阻抗Z=U/I=20/1.6=12.5.w=1.56k所以L=12.5/1.56k=8mH,C=1/12.5*1.56=501F 2） 检测调理电路该检测调理电路由霍尔检测、偏置电路和滤波电路三部分组成。 1）电压霍尔检测电路的设计 该实验中使用CHV25P来测

5、量电压，其原边被测电压与副边输出电压电气隔离。CHV25P的具体参数如下：原边输入额定电流=10mA,对应副边输出电流=25m,即原边与副边电流比为10:25。 电压霍尔传感器的M端输出采样电压。经过调理电路后与dsp的A/D采集相连接，电流霍尔，采样的交流电压的峰值应部大于1.5V,即采样电压的有效值U=1.5/=1V。考虑到电压霍尔传感器原边输入和副边输出电流之比为8mA:20mA,即原边输入电流I=8mA,对应副边的输出电流=20mA,由=可推出采样电阻的值。由于副边输出电压应不大于1V，即=50 即选择标准电阻=47，原边与强电部分相连接，输入电压的有效值为20v，考虑到安全裕量，原边

6、输入电流不大于8mA,即功率电阻=2.K,功率P=/R=0.2W.2) 偏置电路通常利用电流、电压传感器检测交流电流和电压时，霍尔元件副边输出的电流或电压为交流。TI公司的DSP内部的A/D转换模块为单极性的，因此霍尔元件输出的交流电流火电压需要先经过偏置电路处理后才能进行A/D转换。例如DSP的A/D转换芯片电压输入范围为03V，所以霍尔元件M端输出的交流电压加1.5V的偏置后进行A/D转换，原理图如图所示，这是比较常见的同相加法电路，由霍尔M端输出的电压接偏置电路的输入端，由于霍尔M端输出的交流电压峰值为1.5V，因此偏置电路的端输入电压值为1.5V,且R11=R12偏置电路输出的电压刚好

7、满足dsp的A/D转换芯片电压输入范围为03V的要求，所以同比例放大系数为1，即R13=R14.通常集成运算放大器的两个输入端外接电阻阻值在1K级到100级，取R11=R12=R13=R14=51K即可满足要求。 3)滤波电路 实际应用中信号波形由于干扰原因，往往含有较多的高次谐波，此时如果直接进入dsp的A/D时，A/D转换芯片采集到的信号就不能真实反映实际电路中的信号，因此经过偏置电路输出的信号一般还需要经过一级滤波电路后再进入DSP的A/D。典型的滤波电路为二阶巴特沃斯低通滤波器。 二阶巴特沃斯滤波器电路，电容C的容量宜在微法数量级以下，电阻的阻值一般应在几百千欧以内。这里取标准电容=0

8、.1F,滤波的截止频率取1.56K，R21=1,R22=1.02K。4、 +-15V电源的设计 随着半导体工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件，本次稳压选择用三段集成稳压器w7815和w7915以及电容组成，电容C3，C4一般取几百几千微法。当稳压器距离整流波电路比较远时，在输入端必须接入电容器c3和C4，以抵消线路的电感效应，防止产生自激震荡，输出端电容C5和c6用以滤除输出端的高频信号，以改善电路的暂态响应。 5、软件参考流程本系统采用DSP28335为主控器件，软件代码采用C语言编程。程序由主程序和两个中断服务程序组成，主程序主要完成与上位机的通信（查询方法）；定时下溢中断完成信号的采集

9、、运算和PWM波的输出，AD有定时器1下溢中断驱动。程序流程如图5所示： (a)主程序流程 (b)定时器下溢中断流程 (c) A/D采样子程序图5 DSP的序流程图1）控制算法选择在本系统中选用数字PID控制算法，数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。数字PID控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，需要采用离散化方法。PID控制算法有增量式和位置式。我们采用增量式算法。PID控制器各校正环节的作用如下：(1)比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e

10、(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。(2)积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T，T越大，积分作用越弱，反之则越强。(3)微分环节：反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正传号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。2） SPWM波程序设计 SPWM技术目前已经在实际得到非常普遍的应用。经过长期的发展，大致可分成电压SPWM，电流SPWM和磁通SPWM。其中电压和电流SPWM是从电源角度出发的SPWM，而磁通SPWM则是从电动机角度出发的SPWM。 电压SPWM技术是通过生成的

11、SPWM波信号来控制逆变器的开关管，从而实现电动机电源变频的一种技术。产生电压SPWM信号的方法有硬件法和软件法。其中软件法是使电路成本最低的方法，它通过实时计算来生成SPWM波。但是实时计算对控制器的运算速度要求非常高。DSP无疑是能满足这一要求的最理想的控制器。电压SPWM 信号实时计算需要数学模型。建立数学模型的方法很多，有谐波消去法、等面积法、采样型SPWM法以及由它们派生出的各种方法。对称规则采样法的数学模型非常简单，但是由于每个载波周期只采样一次，因此所形成的阶梯波与正弦波的逼近程度仍然存在较大的误差。如果既在三角波的顶点对称轴采样，又在三角波的底点对称轴位置采样，也就是每个载波周

12、期采样两次，这样所形成的阶梯波的逼近程度会大大提高。由于这样采样所形成的阶梯波与三角波的交点并不对称，因此称其为不对称规则采样法。与规则采样法相比每个载波周期采样两次，这样形成的阶梯波与正弦波的逼近程度会大大提高。由于采用了内存大运算速度高的DSP，软件控制算法选用不对称规则采样法。不对称规则采样法生成SPWM波如图6所示：由于采用不对称规则的算法，要用到正弦函数、浮点数的计算，单独用汇编语言实现较为麻烦，同时为提高运行速度，故采用C语言与汇编混合编程实现。 图6 不对称规则采样法生成SPWM波当在三角波的顶点对称轴位置t1时刻采样时，则有当在三角波的底点位置t2时刻采样时，则有 将三角形相似

13、关系式 代入上面两个式子得： 生成 SPWM波的脉宽为：由于每个载波周期采样两次，所以 式中k为偶数时代表顶点采样，k为奇数时底点采样。不对称规则采样法的数学模型尽管略微复杂一些，但由于其阶梯波更接近于正弦波，所以谐波分量的幅值更小，在实际中得到更多的使用。 以上是单相SPWM波生成的数学模型。如果要生成三相SPWM波，必须使用三条正弦波和同一条三角波求交点。三条正弦相差120度，即： 如果使用不对称规则采样法，则顶点采样时有：底点采样时有：图7 SPWM产生流程图图8 SPWM波中断程序流程图3) 交流采样测量程序设计系统中交流特征参数U 、I 、P、Q 、cos、f 的采样测量是系统设计中

14、一个最重要的环节。交流采样有以下3 种方法:(1)交/ 直流变换采样方法这种采样方法将交流电流和电压Uab 、Ia 、Ucb 、Ic先转成直流信号再送A/ D 转换器进行采样，通过检测电压、电流以及两者之间的相位差，再用公式计算出三相电路的有功功率P、无功功率Q 、功率因数cos 交/ 直流变换采样计算方法的优点是运算简单、对A/ D 转换器的速度要求低、运算工作量小、对处理器的速度和性能要求也高， 电流电压测量的稳定性好；它的缺点是首先增加了交/ 直流变换环节，变换器反应速度慢（至少45 周期） 且精度不高（一般大于0. 2级），所以这种方法测量精度差、反应速度慢。其次，由于采用过零比较器，

15、相位差测量比较容易受到干扰，且不易被滤除。另外，相位差测量要占用较多的资源，使得这种方法不适合用于多路测量。使用商化的功率模块可以避开测量相位差， 但成本提高了很多。因此这种方法只适用于要求不高的场合。（2）均方根法根据电工学上对周期性信号有效值和平均功率的基本定义，并将其离散化可以得到： 为了提高精度，在连续一个周期内取N = 20均匀地对交流信号Uab 、Ia 、Ucb 、Ic采样20次， 算出有效值及对应的有功功率P1 、P2 和无功功率Q1 、Q2，再根据两表法的原理，计算出各种交流电的特征参数。这种测量方法的优点是精度高、速度快。测量的有效值和平均功率一次就可以计算出来。其包含了基波

16、和各次谐波的综合参数，真实地反应了被测信号的实际情况， 但缺点是无法将基波和其它谐波分离开来，因此不能反映电源的供电质量。另外为保证平均功率的精度必须在同一时刻对电压电流进行采样，而增加了部分硬件的投资。（3）傅里叶级数法根据信号分析理论，周期函数f ( t ) 的傅里叶级数展开式经推导、离散处理可以得出: 式中: Akrm 、Akxm 、Akm分别是k 次谐波的实部幅值、虚部幅值和正弦波幅值。平衡测量精度和计算工作量，在连续一个周期的时间间隔内均匀地对交流信号Uab 、Ia 、Ucb 、Ic进行12 次采样， 可以算出各信号基波的电压实部Uabrm 、Ucbrm 、电压虚部Uabxm 和Uc

17、bxm 、电压幅值Uabm和Ucbm 、电流实部Iarm和Icrm 、电流虚部Iaxm和Icxm 、电流幅值Iam和Icm ，进而可以算出三相有效功率P、无功功率Q 和功率因数cos: 用同样的方法可以算出其它谐波的特征参数。从上面的计算过程可以看出，傅里叶级数法可以计算出各次谐波的各种特征参数，计算精度较高。这对电源输出质量的分析是非常有用的。（4）基于瞬时无功理论的检测方法 建立在矢量变换基础上的瞬时无功理论是由日本学者Akagi在1984年提出的。其核心是采用一变换矩阵将三相电路的各相电压和电流瞬时值变换到两相正交的- 坐标系上研究，使基波电流对应的瞬时功率为一直流量以便分离。该检测方法

18、分为p-q运算方式和ip-iq运算方式。三相电路瞬时无功功率理论，首先在谐波和无功电流的实时检测方面得到了成功的应用。目前有源滤波器和静止无功发生器中，基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法应用最多，有关这方面的内容将在第五章内容中详细讲述，本节主要讲述基波信号的检测。下面以三相电流信号为例简要说明。设三相电流信号为： 坐标变换理论前面已有介绍，图9a和9b分别以框图形式给出了从三相静止到两相静止坐标系和从三相静止到两相旋转的坐标系变换示意图。 图9 坐标变换示意图坐标变换可采用上述两种方式进行，以图b为例转换到旋转坐标系下的关系式为： 所以，基波电流的幅值和相位为： 同理可求的电压的大

19、小和相位。其它交流特征参数P、Q 、cos、f可参照上节进行求解。根据以上比较，四种采样方法各有优缺点、各有适用场合。根据目前需要分析电源输出交流电的质量，用傅里叶级数法测量交流特征参数较为适宜。5、 仿真1.matlab的仿真从matlab示波器中可以看见，从直流侧输出的电压稳定在80V,最后的出的交流电压峰峰值为50V,50/1.414=35.36V,故所以最后电压能稳定在36V。调整度为0.8。调理电路的仿真调理电路仿真采用ewb,用2个电源模拟了霍尔器件出来的是1v的电压以及模拟了开关频率附近的高次谐波，从示波器可以看出，偏执电路和滤波电路能满足所需要的结果。 7、 硬件调试首先在ds

20、p28335上调试软件是否正确的调节KP和KI，先是将KP设置成最小，逐渐增加KP,直到响应快，超调小的响应曲线出现为止。系统部出现震荡，一般增大比例系数KP,可以加快系统的响应速度，有利于减少静态误差；但是过大的比例系数会使系统有较大的超调，因此产生震荡，破坏系统的稳定性。增大积分常数Ti有利于减少超调，减少震荡，使系统稳定，但系统的静态误差的消除将随之减慢。最终选择的kp=0.6,ki=0.4.在DSP28335片子上调试好后，就直接到实验台上去调试了调试步骤：1. 先进行开环调节，也就是不加PI，在程序中，首先用示波器观察能否出现SPWM波。出来的波形是否正确；死去是否存在死去等。2.

21、观察A/D是否能采集，以及采集来的数是否正确。通常AD的频率国高时不能采集的，所以必须将AD的频率进行分频。3. 加上霍尔，检测A/D采集的波形，加上霍尔后，AD采集的数应该乘以系数与实际电路中的值应该相等。4. 用PI进行闭环调节。给它一个输入，能否得到相应的输出。实际调试中遇到的问题以及解决方案：1. 没出现SPWM波，受实验条件限制，实验器材中接线时用的PWM4，PWM5，PWM6，而实验程序中用的是PWM1，PWM2，PWM3，没有对应起来，故初，没出现SPWM波。2. 在检测SPWM过程中，从示波器观察到死去没有消除，正好相反，将死区上升沿触发改为下降沿触发后，除掉了死去。3. 在采集实际电路的电