基于虚拟仪器嵌入式逆变电源设计

电源可以为生活需要提供便利的能源，对的生活具有重要的意义。逆变电源的设计以电力电子技术为，涉及到技术、传感器技术、自动控制以及人工本文在理论基础上提出了一种基于虚拟仪器的逆变电源的硬件设计方案，这是一个以DSP和虚拟仪器技术为的智能逆变电源。逆变器输出经低通滤波，输理得到电压、电流、频率和功率数据，再送LabVIEW上位机显示。该电源硬件采用单相全桥逆变电路的功率模块结合驱动和DSP控制模块组成：逆变电源；虚拟仪器；DSP；电能Theinverterpowerisakindofpowersupplyunitconvertingdirectcurrent(DC)toalternatingcurrent(AC).IntheeraofmobileInternet,theinverterpowercanprovideconvenientenergyinourlife,itprocessesthevitalsignificancetoourlife.Thedesignoftheinvertertakeselectronictechnologyasthecore,involvedtheembeddedtechnology,sensortechnology,automaticcontrolandartificialinligencefieldsandsoon.Inthep r,accordingtotheresearchstatusoftheinverterthep rintroducedtheSPMWsinusoidalpulsewidthmodulationmethod.Therelevantresearchofthesinglephaseinverterandthreephaseinverterwerecarriedonforhardwaredesignreference.Thenthecircuitmodelandmathematicalmodeloftheinverterwereestablishedandcomparedtwokindsofcontrolstrategyoftheinverterpower.Thehardwaredesignschemeoftheembeddedinverterpowerbasedonthevirtualinstrumentwasputforwardaccordingtoysisoftheory.TheinligentinverterpowertookDSPandvirtualinstrumenttechnologyasthecore.Thesmoothsinewaveandsignalwereoutputbythelo ssfilter,thedataofvoltage,current,frequencyandpowerweredetectedandprocessedbythevoltagecurren sordetectionandd/aconversionmoduletosendDSPrespectively,andweredisplayedthroughtheLabVIEWPC.Inordertotheintegrationandfurtherprocessingofcollectdataandcontrolparameters,thepowerhardwarewasdesignedbytheLabVIEWandthepowermoduleofsinglephasefullbridgeinvertercircuitpowerwasusedwithcombiningdrivechipandDSPcontrolmoduleandPCsoftware.Thedesignoftheinverterpowerprovidedausefulreferenceforthefutureresearch.Keywords:Powerinverter;virtualinstrument;DSP;powerquality;LabVIEW; 第一章引 第二章正弦波脉宽调制S及仿 控制方 仿真 第三 逆变电源的数学模型的建立及控制策略研 数字PID控 第四章系统硬件设计方 A/D转换模 第五章系统设计方 下位机设 DSP程序设 LabVIEW上位机程序设 结论与展 参考文 攻 期间的研究成 致 独创性..............................................................................................................知识权属..................................................................................................第一信、办公、休闲等需求。逆变电源可以方便快捷得给提供所需的交流电，给日常生活中，如冰箱、空调、洗衣机、电视、发电机、电、DVD、照明等设备中（1）的可靠性却没有响应提高；（2）系统升级换代，由于模拟器件由分立元件构成，局限于声光、紧急断路，需要相关到现场进行操作处理才能恢复正常工作[10~20]现代社会要求新型逆变电源在满足稳压、稳频的基本要求的基础上，在网络、智能化和集成度等方面也有一定的功能。高性能的逆变器必须满足：①高转换效率，快⑤集成化程度高、安全智能；⑥完善的网络功能[4,5,6]们可以利用DSP实时地计算出输出值，采用高速AD模块实时得到电载应用不至于影响整个电源系统的正常运行。DSP 和DSP的逆变器的设计方案。该方案对于逆变电源的设计和相关研究具有重要的作用，不知不觉中为的生活服务。调的交流电，对交流电进行无极调速，来进行电机控制。逆变是UPS和备用电源的。逆变器配合蓄电池作为逆变电源可以方便的电源，另外还有针对风能、能等发电而开发的逆变电源等等，家用电器如电H桥组成，其输出端的两端分别在按照输出端是否有源分类，逆变器又可以分为无源逆变和有源逆变[10]如可关断晶闸管或。因为其需要独立输出，必须严格控制通断。按照波弦性质分类，逆变器可以分为正弦波逆变器、逆变器和准正弦波逆变染。逆变器输出的则是质量较差的交流电，稳定性较差，且负载能力差，一形由折现组成，属于范畴，连续性不好。目前逆变器已经逐渐退出市场[12]。上个世纪六十年代中期初步形成以电力电子技术为的电源产业。其主要标志其主要是基于SCR(普通半控型晶闸管)的电源装置。20世纪80年代，软开关技术、高频调制技术如S 元。但是截止到2001年我国仅基于有于各个领域的产品，如汽车、铁路、飞行器以及各类舰船的产品。目前，与国外相比，我国的逆变器的转换效率仍然很低。如世界上能逆变器，欧美产品97.2%，高于国内一般产品十个百分点。但UPS电源存在容量小、成本较高、故障率高且不易等缺点，因此可采用高效的电源控制系统的可靠性需要可靠的动力系统和设备来确保高效可靠，并且在随着电力电子技术的飞速发展，现在被广泛应用在各个领域的是正弦波输出变压到S 。近二十年来，我国的经济飞速发展，电力工业也迅猛增长。目前我国的发电机总装机容量位居世界第二，越来越多的用电需求也意味着越来越严峻的用电环境。电能质量可分为供电质量和用电质量。供电质量可以用电压质量来观察，主要指电压不平D、间断与突起、波动与闪变、电压谐波、欠电压、过电压、瞬变等。用电质1.4主要研究架本一共分为五章功率电路、驱动电路的选型和的硬件设计原理图以及DSP控制电路的设计。第五章：详细介绍了DSP的设计和虚拟仪器的设计，给出了相关的结构图和流程图，并做了分析和说明。第二章正弦波脉宽调制 （Modulationave 控制S 通过DSP的模块对逆变器桥式电路的开关管进行适当的控制，使之在适当时候开通活着关断，在经过输出滤波电路的过滤，就可以使输出的脉冲波形则可以近似等LR2-1单相全桥逆变电路S3180°。S1S4u0Ud；v4截止，i0不能突变，D3u00；+CABC+CABC -N2-2三相全桥逆变电路三相全桥逆变电路主电路图如图2-2。图中Vl~V6表示逆变器的六个功率开关

Ura,Urb 当开关管V1和V6导通时，UAB=Ud，当开关管V3和V4导通时,UAB=-Ud，当V1和V3或V4和V6导通时，UAB=0。因此逆变器的输出线电压由Ud和0三种电平，负载相电压的(23Ud（13U和0共五种电平组成[10]。三角三角图2-3三相S控制信号发生原理三相电压型桥式逆变电路工作在180°导电方式，其每个桥臂的导电角度都为180°，同一半桥上下两个桥臂交替导通，三相电的相位相差120°。死区时间可以越短。死区时间设置的好坏会给输出的波带来影响，不当的情况适用于大功率的逆变器，实际应用中采用等高频自关断器件的逆变电源一般功率可以达到几kW到几百kW。 信号波Ur的幅值为Ur，与三角波Uc的幅值为Ucf0。单相全波整流正弦波与P2 U脉宽调制的调制度是指参考电压信号的幅值Ur与三角形载波信号的幅值Uc的比值，用m来表示，则有m 。当m在0~1取值，脉宽在0~π范围内取值，输Uc2-2：U0(t)(AncosntBnsin

始角为α，对应的负脉冲的起始角为。取第j个脉冲的起始角为j则p Annsin

2j

p Bn cosnaj j p2E Anj

sinnajjsinnaj

(2-p2E Bnj

cosnajcosnajj

(2-U0(t)

Bnsin B

u(t)sinntd 0由上式看出其输出可视为（幅）的与一系列负脉冲序列的叠加而成。该的值为E，频率为f0。负脉冲系列的幅值为2E、频率为fc、起点和终点分别为1,2,3,...,2p1,2p2-8B2 Esinntd(t)a2Esinntd(t)a4Esinntd(t)...a2pEsinntd 0 4E

2 n1(cosna2j1cosna2j j

(2- 4E U0(t) 1(cosna2j1cosna2j)sin 输出电压基波分量错误!未找到源。为4E 1(cosna2j1cosna2j)sin (2- j 经过上面的分析知道，在三角调制过程中的变化是一个周期，它与正弦波有隔。正弦波的频率和幅值不同时，这些时间也不一样，但对计算机来说，时间由等面积则采样法和自然采样法这三种方法[3,5]。自然采样法是根据S 择正弦波与三角波的自然交点来决定脉冲宽度和间隙的采样，去生成S 多复杂的操作的影响。其出发点是要尽量使各脉冲S Ht个区段。由于是三相正弦波，两两间相位差为120。为了从一相正弦波得到其他两个阶段的正弦波推动阶Ht必须是6的整数倍。想要正弦波的输出波形，增大Ht的取值即可。等面积是指在每一个部都等分成N个等宽度的脉冲，而这N个脉冲的总面积这等于区段正弦波的Ht表示段数，N表示每个区段脉冲数，Tf的计算f Ht 到三相全桥逆变器进行了仿真，为逆变电源的设计奠定了基础。单相逆变电对于单相逆变器采用仿真如图，参数设置为：直流电压300V、阻感负载（1Ω、2mH、控制逻辑频率为50Hz0.1s、绝对误差设为1e-5。图2-4单相全桥逆变电路仿真图2-5仿真输出电压、电流及直流侧电流波形 图2-6单相双极性 逆变电路仿真图2-7单相双极性 控制信号采极性S技术进行单相全桥逆变的控制，参数设置为：直流电压300V、阻感负载(1Ω、2mH)、输出基波频率50Hz、载波频率取750Hz，仿真时间0.06s、 图2-6当m=0.5单相 逆变输出交流电压、交流电流、直流电流波形图2-7当m=1单相S逆变输出交流电压、交流电流、直流电流波形图2-8单相倍频 逆变输出交流电压、交流电流、直流电流波形2-9三相全桥逆变电路仿真三相全桥逆变电路的仿真图如图2-9，首先控制逻辑采用三相逆变，500ar0，powergui（5s，仿真时间由仿真得到逆变和S逆变输出A相电压、A相电流、AB线电压以次的奇次谐波，THD为30%左右；三相S逆变输出线电压幅值为0.866Ud，谐波分图2-10三相逆变输出A相电压、A相电流、AB线电压以及直流电压波形图2-11三相 逆变输出A相电压、A相电流、AB线电压以及直流电压波形本章详细介绍了正弦波脉宽调制S技术的原理、S的控制方式和调制算法，并利用的工具箱进行了单相S和三相S逆变电路的仿真，得到S逆变器的谐波特性与载波频率有着密切关系，若将载波频率提高到3-1RLRLC图3-1逆变主电路的等效电路Unid表示负载的电流，具体波形由负载和输入情况决定。R是逆变器中各种阻尼的等效电阻和LC组成滤波电路。Cdvc LdiL (3- Cdvci LdiLUri xAxyC v

1 0x c, C,B1 , 10u,Ui L 0

LU为控制输入，id为扰动输入。由此可见，将负载电流处理为可测得扰动可以简化逆间模型。这里采用“数字化方法”来离散化，也就是先将采样保持器和控制对象3x(k1)Ax(k) y(k1)Cx 其中输入变量u(k)Un(k) I(k)

k随着科技的飞速，逆变电源的设计越来越多的采用高速集成如DSP、FPGAPID控制、无差拍控制、数字滑模变结构控制、状态反PID控制策数字PIDPID控制技术。PIDP校正系统动态偏差，使得D有超前控制的作用，可以减小超调，提高系统的稳定性；积分环节I代表了过去积累的信息，可以消除静态误差，改善系统的静态特性。T1[e(t)T1

u(t)

e(t)dt dt

其中u(t

pp T UkKpekeiD(ekek （3- T1 PID算法，由于会对误差进行积分，计算量较大，实际应用中往往采用改进的增量式PID算法：U )TeTD(e

k Kp k T 2k k2 S逆变S逆变变压滤波+-KK从电压控制器到电感电流iLLC滤波--U+-1++1-US3-3引入滤波电感电流反馈的双闭环控制方法示意果，引入滤波电容电流反馈时需要引入负载电流的前馈补偿控制，其示意图如图3-4LC滤波UU+电--11 U+-S3-4引入滤波电容电流反馈的双闭环控制示意滤滤输监通I/O 通I/O 图4-1逆变电源设计的总框率管，有并联的续流二极管D1-D4，T表示变压器，输出末端是LC滤12V220V/50Hz输出，输出额定功率600W。 C4-2逆变主电路DC-DC升压电路采用集成SG3525驱动。SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成控制，它简单可靠及使用方便灵活[24,25]。SG3525的特性如表4-1，结构如图4-3。4-1SG3525工作特2121334476576588

基准电压4-3SG3525管脚排 波来驱动前级升压电路。其前级DC-DC的 生成电路如图4-4。1231232 6789图4-4前级DC-DC 生成电H桥逆变电路采用全桥逆变电路，桥臂采用大功率的 即InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极性晶体管，是由是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型 是BJT（双极型晶体管）和MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）复合器件，80年代。 用的驱动模块来驱动,可以大大提高的可靠性，并大幅缩短设计 集成驱动富士公司的EXB841进行驱动。它本身具有驱动电流放大能力，同时具有使控制电路和所在主电路间实现电流的功能，还具有过电流保护功能。EXB841主要由输入光电耦合器、放大电路、过流电路、-5V偏压产生和输出部分组成，采用高速光电耦合，射极输出，有电路保护和慢速关断功能，它可以驱动高达400A/600V的 或高达300A/1200V的 GE两端产生约16V的 的CE极间电压Uce的大小判定是否过流而进行保护的，Uce由二极管Vd7检测。当 电位开始由约6V上升，当上升至13V时，Vz1被击穿，V3导通，C4通过R7和V3放电，E点的电压逐渐下降，V6导通，从而使 的GE间电压Uce下降，实现软关断，完成EXB841对 662319544-5EXB841驱动电

4-6死区控制电另外，考虑到设计额定电压为600W，直流电压输入为12V，故直流端工作电流会50A以上。DC-DCMOSFET190N08IRFP2907Z；主变EE55TO220RHRP8120；高压滤波电容选取470uf/450V，可以有效改善负载特性、减少干扰。设计中采用的SG3525和EXB841均具有自我保护功能为保证电路的安全稳4-7LM311电压比较+电流检测+电流检测-S信号采用高速光耦TLP521，进一步确保了电路的稳定性另外在DSP控制中还采取了保护的设计，即过流保护设计和空载监测设计。对于逆变电源来说，输出侧的滤波电路是至关重要的。滤波电路可以滤除逆变 fcfs表示逆变器的输出频率，则一般工程应用中有如下关系如式4-1：cffc

1 又 fc 1 LC取特性阻抗 ，根据4-1，4-2式可以得出LCL 2C

本文控制电路的设计基于TI公司推出DSP-TMS320F28335DSP，也称数字信号处理器（DigitalSignalProcessors,DSP，是一种特别适合于进行数字信号处法；2、采用哈佛结构，程序和数据空间分开，可以同时指令和数据；3、片内的快速RAM通常可以通过独立的数据总线在两块中同时；3、广泛采用流水线减少TI是世界上最大的DSP及其周边供货商，其TMS320F/C28x系列DSP以其丰富的片上外设和极高的性价比在工业控制领域有着广泛的应用。常用的有TMS320F2808、TMS320F2812和TMS320F28335，其常用资源情况见表4-2。表4-2常用DSP资源12A/D转有无无4CPU150MHz时，其浮点核的运算速度为反三角函数、高精度数字PI控制、坐标变化、FFT运算等浮点型算法。由于其支持浮点运算，有以下优势：1、不易溢出。由于32位IEEE单精度浮点数31~±2+31；2与输入输出设备间直接传送数据,是一种完全由硬件完成输入输出操作的方式。利用DMACPU完成数据传输工作，减轻MPU负担，使MPU有时间进行算法的运算。设计中，A/D转换到内存的数据传输工作交给DMA控制器，这样DSP就可以利用这段时间进行算法的运算。DSP3.3VLM25963.3V的电压给系统供电，其电路图如图4-8LM11171.8VUSB模块供电。4-9USB供电电A/D转换是将反馈控制中需要将到的模拟电压电流值转换成数字信号。本设A/D81216个模拟输入通道，其结构图如图4-10。4-10A/D模块结构A/D模块可用多种触发方式如触发、模块触发和外部中断2引脚触发，另外可以在每次转换结束或每隔一次转换结束触发中断，其转换结果在16个结果转换结果=4095×（输入的模拟信号-ADCLO）/由于逆变电源输出的是220V交流电，而A/D模块的电压输入范围是0~3V，故需12V220VA/D模块可以测量的路原理图如下4-11。4-11信号调理电路原理第五章系统设计方本设计的分为DSP下位机的设计和PC端LabVIEW上位机设计两大下位机设本文设计中下位机设计的编程环境选择CCS3.3(CodeComposerStudio3.3)进 设 调5-1DSP开发流程故障检测与通讯有信号PID调5-2主程序流程 开是否置引脚 功开是否置引脚 功设置COMCONA使能比较设置ACTRA、DBTCONA、T1PR清除事件管理全部中断标设置定时器1为下溢使能 使能查表并计查表并计算各个时刻的脉结图5- 流程 图5-4中断处理流程DSP控制的另一个重点就是A/D采样模块的控制，设计中使用定时器中断进A/D采样完成电压电流值得反馈，A/D采样流程图如图5-5开INTM中开INTM中NNN束返调用AD给EVAIFRA,EVAIMRA启动A/D 对ADCTRL1,MAXCONV,CHSELSEQ1AD使能INT5-5A/D采样流程虚拟仪器技术于上个世纪八十年代由NI公司提出，近年来得到了广泛应用。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件结合高效灵活的来完成各种测试、测缝集成这四大优势[51~60]。最有代表性的编程平台就是NI推出的LabVIEW，其采用图本设计中采用LabVIEW设计的上位机主要功能是对逆变电源进行一个的以及完成逆变电源信息的整合和分析。上位机设计的重点和难点主要集中在DSP与LabVIEW的通信、数据、数据分析等三个方面。其详细的结构功能图如图NY5-6上位机结构功能的通讯连接，得到反馈后，LabVIEW向DSP发送系统命令，DSP根据到的逆变器本设计利用VISA采用串口通信方式完成了从DSP到PC端LabVIEW的通信VISA是指VirtualInstrumentSoftwareArchitectureVISA包含各种用仪器编程的标准I/O函数库，可以用它来控制仪器设备。VISA是通用I/O标准，其特殊的机制使5-7LabVIEW上位机通讯界LabVIEW接受DSP数据到PC端数据库，其接受界面如图5-85-8LabVIEW数据当电能质量指标如电压、电流、三相不平衡度超过设置的阈值时，系统有提示，5-9LabVIEW数据分析界机的设计，给出了相关的设计图和设计界面，取得了一定的成果。本建立了逆变电源的数学模型，为逆变电源的设计奠定了理论基础。然后根本文结合DSP和S逆变进行了的硬件选型和设计，完成了逆变电源的设计。本文的主要成果是：（1）在CCS3.3环境下用C语言进行DSP的程序开发，重点是S控制信号的发生和通信模块的开发；（2）利用VISA模块完成了上位机和DSP下位机的通信；（3）LabVIEW平台进行了上位机的设计。然而，由于时间、精力以及其他客观因素的限制，上位机的设计不是特别的用更好的逆变电路进一步得优化逆变电源的输出质量，采用更高效的DSP设计进[1]吴艳霞,等.电力电子技术发展策略分析[J].工业工程,2002,5(3):8-[2].大功率逆变电源数字控制与主电路研究[D].西安:西安理工大学,[3]廉柯,等UPS电源逆变控制技术的研究[J].自动化技术与应用201029(3109-[4].数字单相正弦逆变器开关电源的设计[D].:交通大学,[5],等.正弦波逆变电源的数字控制技术[J].电力电子技术,2001,35(6):52-[6]等.电源及电源变换技术的发展与应用研究[J].中国新技术新产品,2009,(7):5-[7]窦志军.DSPIC的三相逆变电源的设计与研究[D].重庆:西南大学[8].基于虚拟电阻的重复控制算法在逆变电源中的应用与研究[D].:,[9],,季爱华.逆变电源实用技术[M].中国电力,[10],刘进军.电力电子技术[M],机械工业,[11].400Hz航空逆变电源的研制[D].:交通大学,[12].弧焊逆变器的电子开关器件应用现状及趋势[J].电焊机,2010,40(12):8-袁建华,,.两级三相并网逆变器直流链电压间接控制策略[J].电力系统自动化,2010,(23):82-86.BimalK,Bose.ModernpoweelectriccsandACdrivers[M].PrenticeHall.,等.Z源型逆变器母线电压的二次谐波及其抑制策略研究[J].电机与控制学报,2013,17(6):22-28..5kW三相逆变电源主电路设计[D].:海事大学,,等.单相S逆变器输出电压频谱分析研究[J].阴山学刊（自然科学版）,2012,26(1):35-37.,等.基于S技术的光伏并网发电最大功率装置研究[J].煤炭技术,2012,31(1):53-54.,等.改进的正弦脉宽调制控制算法综述[J].电源技术201236(5764-,等.空间矢量脉宽调制下有源电力滤波器直流侧电压设定值研究[J电网技术,2013,37(2):568-574.nN,UndelandTM,RobbinsWP.Powerelectrics-converters,applications,anddesign[M].3ndedition．JohnWiley&Sons,2003.LeoLorenz.Powersemiconductorsandapplicationcriteria[C].CourselecturenotesofXi'anJiaotongUniversity,2007.HuaGuiChao,LeeFredC.Soft-switchingtechniquesin converters[J].IEEETrans.onIndustialElectonics,1995,42(6).,,.基于SG3525的DC/DC直流变换器的研究[J].通信电源技术,2008,25(5):28-30.,魏学业.一种推挽式直流升压电路的设计[J].电气自动化2011,33(254-孟志强,,周华安.基于EXB841的驱动电路优化设计[J].湖南大学学报,2006,33(6):63-67.英.TMS320F28335DSP在电力电子变流器中性能优势分析[J].电器技术,2009,,,.基于SG3525的DC/DC直流变换器的研究[J].通信电源技术,2008,25(5):28-30.,魏学业.一种推挽式直流升压电路的设计[J].电气自动化2011,33(254-孟志强,,周华安.基于EXB841的驱动电路优化设计[J].湖南大学学报,2006,33(6):63-67.,.电力电子装置电磁兼容研究进展[J].电工技术学报,2007,(7):1-,张国安,魏光辉.一种新颖的三相四桥臂逆变器电流调节方案研究[J].电机与控制学报,2004,(2):165-169.H∞重复控制的三相四桥臂逆变器研究[J]LIY,VILATHGAMUWADM,LOHPC.Design,ysis,andreal-timetestingofacontrollerformultibusmicrogridsystem[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2004,(05):1195-1204..基于模糊自整定PI双闭环控制的能逆变电源的研制[D].:理工大学,NEJABATKHAHF,DANYALIS,HOSSEINISH.Modelingandcontrolofanewthree-inputDC-DCboostconverterforhybridPV/FC/batterypowersystem[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2012,(05):2309-2324.,红林,.H桥级联型逆变器的迭代谐波消除方法[J].高电压技术术,2011,(02):318-325.和,,.电压型整流器直接功率控制系统[J].中国电机工程学报,(18):54-,,.一种改进的分布式逆变器并联控制策略[J].中国电机工程学报,(33):30-,红林,.级联型多电平逆变器准单极性控制策略[J].电气传动,2009,(12):,新.电能质量监测系统设计及实现[J].电力自动化设备,2006,(04):80-,.FFT分析电力系统谐波的加窗插值算法[J].电工技术杂志,2004,(10):61-褚大华.谐波与电能计量[J].电测与仪表200708):5-张家生,.相位检测方法研究[J].仪器仪表学报,2003,(s1):307-.数字信号处理[M].:,.璞,.基于VUS的数控直流稳压电源的设计[J].