设计第一章引言

第一章引言课题的研究背景及意大量模拟分立元器件组成的电路复杂不说，还会导致系统硬件成本居高不下，且系统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，（3）模拟元器件容易老化且有温漂（4）模拟器件中的可调电阻和拨码开关的使用有时会和控制，导致控制系统的一致性变差（5）故障处理比较繁琐，模拟电路控制的逆变电源系统所能提供的监测功能十分有限，一旦故障，保护措施往往局限于声光、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[4。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[5,6]近十几年，微处理器的发展一直遵循摩尔定律，集成度和运算速度都日新月异进步显著。与此同时各种高速器件也得到飞速发展，更新换代迅速。正是这些发展促进P实时地计算出输出值，采用高速AD模块实时得到电源P电流数据的实时和分析，如果数据上传到上位机以进行数据，进一步的处理就可以方便的基于电压偏差、频率、谐波、三相不平衡度、电压波动和闪边等P逆变技术概种：DC-AC（直流-交流)AC-DC-AC（交-直-交）变换方式[]。前一种逆变方式逆变技术的应实际应用中有针对计算机等重要负载进行断电保护的交流不间断电源UPS(UninterruptlePowerSupply)，针对交流异步电变频调速控制的变频调速器，针对EPSEmergencePowerSupply)，针对船舶工业用电的岸电电源SPS(ShorePowerSupply)，还有针对风力发电、能发电等而开发的特逆变器的分当输入是正负双电压源，半桥逆变器可以输出双端的完全交流、含有直流分量的交流以及完全的直流信号。H桥组成，输出端的两端分别位于三相桥式逆变器类似于全桥逆变器，有三相输出，其输出位置分别位于三组开关120式逆变器的三组六个开关器件的开关时序控制信号。按照输出端是否有源分类，逆变器又可以分为有源逆变和无源逆变[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。1.3外研究现二十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。其主要标志这些产品涉及到变频调速、中频感应加热、大容量开关电源、加工电源、声呐电源灯(普通半控型晶闸管)的电源装置。20世纪80年代，高频调制技术如S和SVPMW技术、软开关技术209020902001年我国仅基于产品的转换效率高高于国内产品，欧洲的标准是97.2%，高于国内一般产品十个百分系统必须具备安全可靠的控制电源。电力系统中为保证变电所设备等能在市电交流电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为了得到S波一般都采极性调制技术研究开发既简单又具有优良动静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。1.4主要研究架本一共分为五章 控制技/及其 环境下的仿真/功率电路、驱动电路、控制电路的硬件设计以及DSP的虚拟仪器设计。第四章：详细介绍了DSP的设计和虚拟仪器的设计，给出了实验平台的第二章正弦波脉宽调制S及仿2.1S正弦脉冲宽度调点时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅且脉冲宽度正比于正弦函数函数值的效的调控可以通过改变逆变器的开关信号调节其输出波形通过DSP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LR2-2S3180°。S1S4u0Ud；v4截止，i0不能突变，D3u0S2S3导通时，u0为-Ud++三相负CABC -调2-2三相全桥逆变电路主电路图如图2-2。图中Vl~V6，分别接一个续流二极管反向并联。逆变电路的输入电压为Ud的直流电压源。

Ura,Urb

当开关管V1和V6UABUd，当开关管V3和V4导通时UAB=-Ud，当V1V3或V4和V6UAB=0。因此逆变器的输出线电压由Ud和0

(23Ud（13Ud和0三角 动图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180120°。增加死区时间会降低实际输出电压的基波幅值，增加相位的超前角。在死区时间恒定的情况下，增大电流滞后角会减少电压幅值的损失，同时增加相位的超前角。加入死去会带入谐波，并使输出电流失真。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，不当的情况过滤负载的谐波分量，实现输入输出之间的电气，提高供电质量供电与负载，增强过载短路保护能力，抗冲击能力强全桥逆变电路因为其很多明显的优点在实际中具有重要的应用。该电路优点在于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kWkW。S控制方信号波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f0frPfc相关。有如P2

(2-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UcU值，用m来表示，则有mUr 。当m在0~1取值，脉宽在0~π范围内取值，输Uc电压在0~E变化。若每个脉冲宽度为θ，则脉宽调制的输出的级数展开式如下2-2：:U0(t)(AncosntBnsin

（2-AnBnθ，起α，对应的负脉冲的起始角为。j个脉冲的起始角为jp Annsin2cosnaj2

(2- p Bnnsin2cosnaj2

(2-

由上式2-3和2-4求出输出电压的级数的系数的计算公式p2E An sinnajjsinnajj

(2-p2E Bn cosnajcosnajjj1

(2-U0(t)

Bnsin

(2- u(t)sinntd2 2式（2-7）u0（t）由上式看出其输出可视 （幅）的与一系列负脉冲序列的叠加而成。的值为E，频率为f0。负脉冲系列的幅值为2E、频率为1,2,3,...,2p1,2p。即有下式2-8的关系

fc、起点和终点分别为B2 Esinntd(t)a2Esinntd(t)a4Esinntd(t)...a2pEsinntd nn

ppj

2(cosna2j1cosna2j

(2- 4E U0(t)n1(cosna2j1cosna2j)sin

(2-

j 输出电压基波分量U01(t为4E U01(t)n1(cosna2j1cosna2j)sin

(2- j 正弦脉宽调制的调制算经过上面的分析知道在调制过程中三角波变化一个周期它与正弦波有两个交点控制逆变器中开关元件导通和关断各一次要准确的生成波形就要正弦波的频率和幅值不同时，这些时间也不同，但对计算机来说，时间由实现，时间的控制由定时器完成，是很方便的，关键在于调制算法。调制算法常用的主要有三种：自然采样则采样法、等面积法。自然采样法是根据S控制的基本原理得出的最基本的方法。这种方法是选得到的S波形很接近正弦波，但这种方法不太实用因为它的求解过程涉及到的整数倍，因为三相正弦波，各项相位互差，要从一相正弦波方便地得到其他两相，6分成若干个等宽脉冲(N)N方法既可以提高开关频率，改善波形，又可以减少计算新脉冲的数量，节省计算机计fHtNTf tHt

（2-仿是中的一种可视化仿真工具它基于 的框图设计环境可以实现动态系统建模仿真和分析以其适应面广结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点广泛应用于控制理论和数字信号处理领域线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的的复杂仿真和设计。相全桥逆变器进行了仿真。单相全桥逆变电路仿单相逆变电路仿负载（1Ω、2mH50Hz0.1s1e-5。图2-4单相全桥逆变电路仿真2-5单相双极性S逆变电路仿图2-6单相双极性 图2-7单相双极性 采极性S技术进行单相全桥逆变的控制，参数设置设置为：直流电压由仿真可得：当调制深度m=0.5时：输出电压基波幅值为152V，THD达到260%。载波比为15不含偶次谐于感性负载的滤波作用负载电流上的T为27.57%；当调制深度m=1300vTD降到92.36%交流电流T降到9.81%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1500Hz，则最低次谐波增加到28次。交流电流TD只有4.88%正弦度更好另外由图可知采用倍频S可以极大地改善单相全桥逆变电路的谐波特性。图2-6当m=0.5单相S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 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、直流电流波形三相全桥逆变电路仿2-9三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小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倍频S可以极大地改善单相全桥逆变电路的谐波特性。本章的仿真为后面控制算单相逆变电源的数学模建立了如图3.1LC滤波器的 逆变器RLRLC2-1Unid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LC组成滤波电路。CL

Cdvci

L

U

L

Uvc作为系统输出，得到状态xAxBuyCx

1 0xvc,A C,B1,C 0,uU,yi

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（2.3x(k1)Ax(k) y(k1)Un 其中输入变量u(kI(k)

(kUI(kk逆变器的控制策略研随着科技的飞速，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PID控PID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。u(t)

[e(t)pp

e(t)dt

其中u(t)是控制器的输出信号 KT T UkKpek eiD(ekek1

T1 PID算法，由于会对误差进行积分，计算量较大，实际应用中PID算法：U

K(e )TeTD(e

T kT

p k

2k

k2电压瞬时值反馈的单闭环控K电压K电压瞬时检滤波变压S逆变+-2-22-2C且接入非线性负载时由于没有电流反馈导致输出波形往往也不够理想，所以需要引入电流反馈。引入滤波电感电流反馈的双闭环反馈控从电压控制器到电感电流iL之间的环节可以近似为一个比例环节，简化了电路，可以LC滤波--+--+变压U1+1电压瞬时检电压瞬时检S逆变调节+-2-3引入滤波电容电流反馈的双闭环反馈控果，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2-4LC滤波电电--1+U+-变压1电压瞬时检电压瞬时检S逆变+-2-4本章小系统整体设计方逆变电直流电逆变电直流电滤监 控制时 反上位模通模通I/O通 逆变主电路设4-2所示其中Ud表示直流电源，S1-S4表示功率管，有并联的续流二极管D1-D4，T表示变压器，输出末端LC滤波电路。实验设计逆变电源的主要设计指标为：直流电压12V输入，交流220V/50Hz600W C4-2功率电路设DC-DCHDC-DC升压电路采用集成SG3525驱动。SG3525是一种性能优良、功能齐特性如表4-1，结构如图4-3。锁定功能，多脉冲；双通道电流/4-1SG35254-3SG3525的波来驱动前级升压电路。其前级DC-DC的生成电路如图4-4。图4-4前级DC-DC的生成电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(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件。是BJT（双极型晶体管）MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）复合器件，80年代。MOSFET和GTR的优点其优势在于驱动功率小饱和压降低开关频率极高。采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IXD404等一般均具备过流软关断高速光耦欠压锁定故障信号输出功能本设计中选用东芝的60N303_3PL封装最大电流60最大电压1000,选用集成驱动富士公司的EB841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E841-5V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的其驱动电路的信号延迟≤1μsEB841IT交替导通完成逆变，其接线4-5。EXB841的驱动主要有三个工作过程正常开通过程正常关断过程和过流保护动作过程14和15两脚间外加控制信号当触发脉冲信号施加于14和15引脚时，在GE两端产生约16V的开通电压当触发控制脉冲撤销时在GE两端产生-5.1V的关断电压过流保护动作过程是根据的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。当开通时，若发生负载短路等发生大电流的故障，Uce会上升很多，使得Vd7截止，EXB841的6脚“悬空，B点和C点电位开始由约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 过过4-5EXB841H4-6时间控制对逆变器十分重要。死区时间越长，逆变器短路风险越小，工作越安全；但影响逆变器的输出质量。

4-6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达50A以上。DC-DC升压电路的一对MOSFET选用190N08或者IRFP2907Z；主变压EE55TO220RHRP8120；高470uf/450V，可以有效改善负载特性、减少干扰；保护电路设设计中采用的SG3525和EXB841均具有自我保护功能为保证电路的安全稳4-7LM311电压比较平，使停止工作。+电+电流检测-C2S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。DSPDSP控制器判断是否过流。当输出DSPDSP控制器判断系统是否空载。当滤波电路设对于逆变电源来说，输出侧的滤波电路是至关重要的。滤波电路可以滤除逆变桥输出的开关频率和S波中的谐波分量，优化输出波形fcfs表示逆变器的输出频率，则一般4-1：ffc f

（4-1 又 fc 1 LC取特性阻抗 ，根据4-1,4-2式可以得出LCL2

（4-C 2fc

（4-fcL、C控制电路设本文控制电路的设计基于TI公司推出DSP-TMS320F28335DSP也称Processors,DSP运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。相较于普通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指令TI全世界最大的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，其资源情况见表4-1.表格4-1常用DSP资源12A/D转换通道/时间有无无4TMS320F28335是C28X+FPU（Floating-pointUnit浮点处理单元可以同时CPU150MHz时，其浮点核的运算速度为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；2DMACPU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。系统电源模块设DSP采取3.3V供电LM2596低压线性稳压器得到3.3V的电压给系统供电，其电路图4-8LM11171.8VUSB模块供电。4-8DSP4-9USBA/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。本设计中采用的DSPA/D模块，其具有12位精度、16通道数据、80ns的转换速度，可A/D模块前端为一个81的多路切换器和2路同时采样保持器构成16