采用DSP的实现单相逆变电源的控制.pdf

1、电 网 技 术14中国电业技术 2012年第10期 技术 基于DSP的高性能单相逆变电源的研制与应用摘要：研制了一种基于DSP处理器和SVPWM控制技术的全数字化高性能单相逆变电源。对基于DSP的单相逆变电源方案、主电路结构和运行模式进行分析，成功将SVPWM单相电压矢量空间脉宽调制控制技术引用到单相PWM逆变电源系统中，提出SVPWM单相电压矢量空间的坐标旋转变换方法，使高精度单相逆变控制更易实现。实例应用仿真结果表明，文章所建立的单相逆变电源控制系统，具有良好的动态和静态调控性能，在非线性负载条件下，输出电压波形能够保持非常良好的正弦度，有较好的互动跟踪调控均流效果。关键词：逆变电源；DS

2、P；PWM智能功率模块；脉冲宽度调制；SVPWM中图分类号：TM 464 文献标识码：A 文章编号：1002-1140（2012）10-0014-04任英（无锡工艺职业技术学院，江苏 宜兴 214200）The Design and Application of High-performance The Design and Application of High-performance Single-Phase Inverter Power Supply Based on DSPSingle-Phase Inverter Power Supply Based on DSPREN Ying(W

3、uxi Institute of Arts and Technology,Yixing 214200,China)AbstractAbstract：A digitization high-performance single-phase inverter power supply was proposed based on the DSP and SVPWM control technology.After the scheme,main circuit structure and operation mode were researched,the space-vector PWM tech

4、nique was applied to the single-phase inverter,which made the single-phase inverter high-precision control can easier achieve.The simulation results show that the high-performance single-phase inverter source controller can endow the SPWM inverter with good steady state and dynamic performance,and i

5、t can also gain interactive following current-sharing effect and keep better control quality under the non-linear load.Key wordsKey words：inverter power supply;DSP;PWM intelligent power module;pulse width modulation;SVPWM0 引言随着工业技术生产规模和控制精度的进一步提高，自动控制技术、电力电子技术、逆变电源技术等在工业生产发展的重要性得到普遍提高。逆变电源是多种先进技术有机结

6、合的优良产物，它能够将供配电网中质量较差的交流电能、DC直流蓄电池电能、新能源（如：风能、太阳能等）电能等，经过内部逆变成质量较高的优质电能。逆变电源系统中电压与频率的逆变与常规逆变电源相比较，更容易获得工程领域所需的优质电能形式，输出电压和频率稳定可靠的交流电源，提供给交流电机拖动系统、变频调速电源系统、有源滤波系统、电网无功动态补偿系统等。数字化智能交流逆变电源，已成为逆变电源研发的重要方向。以DSP为核心的数字化电源在国外得到广泛的研究应用，而国内有关15技术 任英：基于DSP的高性能单相逆变电源的研制与应用 DSP数字化电源大多借鉴国外技术，在普及化、个性化等方面还有待进一步提高1。本

7、文采用SVPMW控制策略，以TI公司高精度高可靠性的型号为TMS320LF2407A的DSP数据处理芯片为控制核心，设计一种结构简单且易于实现的高性能单相逆变电源控制系统，并结合MATLAB软件中的SIMULINK仿真工具进行实例应用仿真分析。从仿真应用效果可知，以DSP为控制核心的逆变电源具有较好的动、稳态调节性能，且母线电压利用率较高、易于实现智能数字化、控制算法灵活，便于实现逆变电源各种PWM技术运行工况的优化，提供电源的可靠性和输出电能的品质均得到有效提高。1 基于DSP的单相逆变电源方案基于DSP的高性能单相逆变电源设计方案如图1所示。从图1可知，单相交流电源经桥式AC/DC整流电路

8、、滤波电路转换为直流电后，经斩波电路按需调压整定后供给逆变电路中的智能功率模块（IPM）进行逆变处理。IPM功率模块在电源调节驱动信号的作用下，按照电压矢量空间脉宽调制（SVPWM）控制原理，将整流滤波所获得的直流电转换为系统所需的交流电，并经滤波电路过滤处理，经变压器隔离输出。变压器隔离输出电压、电流经隔离采样、信号调理处理后，送给TMS320LF2407A数字化DSP处理芯片，由DSP对隔离采样电压、电流信号经内部PID控制算法处理后，输出修正后的SVPWM控制信号，使输出电压始终稳定在预设期望值范围内。基于DSP的单相逆变电源系统，通过各种检测信号的A/D模数转换电路转换成计算机能够识别

9、的电信号并提供给DSP处理单元，经内部运算分析形成对应的调节保护信号，确保逆变电源能保持系统输出交流电源电压和频率的稳定，同时能够动态追踪电源系统运行工况状态，实现电源系统输出电压和电流等特征分量的显示、故障报警、短路保护、过流保护、过载保护等测控保护功能2。2 单相逆变电源的主要运行模式分析为了便于分析，将图1所示的基于DSP的高性能单相逆变电源其主电路结构进行简化，如图2所示。图2中，开关管T1和T4的控制信号相同，开关管T2和T3的控制信号相同，T2和T3与T1和T4的控制信号在时间上存在互补特性。当逆变电源的负载呈纯阻性工况时，逆变器输出电压与感性负载两端电压保持一致性，所以本文针对逆

10、变电源系统负载为非线性感性的条件下进行简化分析。单相逆变电源的信号波形如图3所示。单相逆变器共有T1T2、D2D3、T1T3、D1D4四种工作模式，如图4所示。在工作模式1下，单相直流电源通过开关管T1和T2向负载提供电源，此时负载两端的电压abdUU；在工作模式2下，单相直流电源中电感通过反并联的二极管D2和D3向电源直流侧电容 abC进行充电，此时负载两端的电压abdUU；在工作模式3下，单相直流电源中电感通过开关管T1和T3向负载提供电源，此时负载两端的电压abdUU；在工作模式4下，单相直流电源中电感通过反并联的二极管D1和D4向电源直流侧电容abC进行充电，此时负载两端的电压abdU

11、U。在全部4个工作模式下，负载两端电压在nI间跳变。通过改变整流电路滤波电路斩波电路逆变电路滤波电路 变压器隔离输出输出输入主电路隔离驱动隔离驱动 电压隔离采样电流采样控制电路TMS320LF2407A信号调理信号调理图1 基于DSP的单相逆变电源设计方案图2 单相逆变电源主电路简化结构示意图3 单相逆变电源的主要信号波形电 网 技 术16中国电业技术 2012年第10期 技术 SVPWM调制波的波形来消除逆变电源直流侧电压谐波对单相逆变电源系统输出电压波形的制约影响，可以使逆变电源直流侧电容 abC值大大减小，即提高单相逆变电源的调节功能特性。3 单相SVPWM控制原理单相逆变电源与三相逆变

12、电源间电压调制方式有着本质的不同，即在进行电压调制PWM控制策略研究过程中，不能简单地同三相逆变电源一样进行详细的空间电压矢量分析。为了进一步分析单相逆变电源SVPWM电压空间矢量脉宽调制控制策略，引入单相正弦电源的线电压表达形式，即：2sin2sin()abdbadUUtUUt （1）式（1）中取t为参变量，则可以得到单相空间电压矢量为：,TabbaUUU （2）当(,)t 时，则单相空间电压矢量d在二维平面坐标系中对应的平面电压矢量关系，如图5所示。图5中，由于abbaUU0，则单相空间电压矢量U将会全部落在平面直线xy 上，由此可以证明所有SVPWM平面电压矢量所组成的矢量空间矩阵VU是

13、关于R2的一位线性矢量簇。利用SVPWM平面空间矢量变换后所得的电压矢量,TUUU，则单相逆变电源四种工作模式所获得的电压矢量图如图6所示。结合图6，单相逆变电源期望输出电压矢量模与逆变电源实际输出电压矢量模间的比值，即可以获得单相逆变系统SVPWM空间电压调制比，即：2212dcdcUUMUU （3）从式（3）可知，通过改变单相逆变电源调制波的波形（即电压矢量模），使之根据整流桥所采样的系统电流和电压信号进行实时调节，即：当逆变电源直流侧电压偏高时，可以适当减小SVWPM控制电路中的触发脉冲宽度来进行电能质量调节；反之，当逆变电源直流侧电压偏低时，可以适当增加SVWPM控制电路中触发脉冲的宽

14、度来进行电能质量调节，同时也可以抑制和抵消直流侧电压波动产生的谐波对单相逆变电源输出电压的影响3,4。4 实例应用仿真分析4.1 实例应用仿真模型为了验证本文所设计的基于DSP和SVWPM控制技术的单相逆变电源在非线性负载工况下对直流侧谐波的综合抑制效果，结合图1在Matlab/Simulink建模仿真技术平台上，构建单相逆变电源应用仿真模型，如图7所示。图5 单相正弦电的SVPWM平面电压矢量图6 SVPWM平面空间矢量变换后4个电压矢量图图7 单相逆变电源应用仿真电路图4 单相逆变器四种工作模式17技术 任英：基于DSP的高性能单相逆变电源的研制与应用 4.2 仿真结果分析在图7所示仿真模

15、型电路中，输入电源为直流电压350dUV，载波频率为5000Hz；单相逆变电源输出电压220REFUV，输出电压频率为标准频率50Hz，滤波电路电感d=3mH，直流滤波电容d=50f。负载由电感量为2mH电感和电阻量为5电阻相互串联组成非线性负载。通过实例仿真，得到基于DSP和SVWPM技术的单相逆变电源输出电压和电流波形如图8所示。为了验证所建的单相逆变电源直流侧具有较好的谐波抑制效果，结合图8进行FFT分析，获得单相逆变电源在非线性负载条件下的FFT分析结果如图9所示。从图8和图9仿真波形可知，在非线性负载条件下，单相逆变电源的基波电压为221.5V，对应输出电压总谐波失真THD=0.57

16、%，表明在SVPWM控制下单相逆变电源的输出电压相对稳态误差非常小且谐波含量较低，能够满足DC/AC单相逆变电源供电电能质量要求。5 结论针对工业生产发展对逆变电源的要求，采用DSP及PWM智能功率模块设计基于SVPWM控制技术的高性能单相逆变电源。实例应用仿真结果表明，该电源具有脉宽调制性能好、输出电压波图8 单相逆变电源输出电压和电流波形图9 非线性负载条件下单相逆变电源输出电压FFT分析形品质高、动态响应快、调节稳态性能好、可靠性高等诸多优点，具体表现在以下多方面：（1）成功将SVPWM电压空间矢量脉宽调制技术引入到单相PWM逆变电源系统中，实现了单相逆变电源电压矢量的平面空间转换。（2

17、）开关优化SVPWM控制技术，在相同开关频率调节下减小了逆变电源的开关频率损耗，从而有效提高单相PWM逆变控制的准确可靠性。（3）为单相高性能逆变电源的SVPWM控制技术研究提供一种新研究思路，有利于将SVPWM控制技术引入到全数字互动追踪式多单相逆变电源并联均流控制电源系统中。总之，基于TMS320LF2407A DSP数据处理芯片的单相逆变电源，实现了对逆变电源的数字化智能控制。在输出电能质量调控中，采用基于电压和电流采样的SVPWM双闭环控制策略，具有调控可靠性高、准确度受环境干扰小、编程性强等优点，明确优于常规的模拟逆变电路。从实例应用仿真实验结果得到非常良好的正弦电压波形，表明基于D

18、SP和SVPWM控制技术的单相逆变电源设计思想和电路结构的正确性和实用性5。参考文献：1 阚加荣，吴云亚，谢少军.控制参数对并联逆变器性能的影响J.电工技术学报，2009，24(9)：120-126.2 于飞，张晓锋，李槐树，等.五相逆变器的空间矢量PWM控制J.中国电机工程学报，2005，25(9)：40-46.3 毋茂盛，余达太，李果.利用TMS320LF2407A进行CAN通信时需要注意的几个问题及对策J.计算机工程与应用，2004，40(7)：99-101.4 王毅，李和明，石新春，等.多电平 PWM 逆变电路谐波分析与输出滤波器设计J.中国电机工程学报，2003，23(10)：78-82.5 王君，叶敦范.DSP实现SPWM波发生的软件与应用J.信阳师范学院学报，2004，17(2)：228-231.收稿日期：2012-09-17作者简介：任 英（1 9 8 1），女，助 教，江 苏 人，电 子 信 息 专业，无锡工艺职业技术学院，主要从事电子教学工作，。（责任编辑 吴珂）