400Hz航空用逆变电源的研制.pdf

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北京交通大学硕士学位论文400Hz航空用逆变电源的研制姓名：

李航申请学位级别：

硕士专业：

电力电子与电力传动指导教师：

金新民20070301韭夏窑道盔堂亟堂位垃塞：

生毫擅翌中文摘要摘要：

400Hz逆变电源是航空专用电源，由于其应用的特殊场合，也就对其提出更高的要求，数字化、高效率、高性能是专用逆变电源的发展方向。

本论文针对这些要求，提出一种新颖的逆变电路拓扑结构，并以DSP2407A为控制核心，采用改进型重复控制算法，进行了400Hz逆变电源的研制。

本文对新颖的主电路结构进行了分析，然后重点集中在基于以Dsp2407A为核心的控制电路的设计及改迸型重复控制算法的实现。

逆变电路采用直流变换器型高频环节逆变技术，直流变换器型高频环节逆变器由直流变换器与极性反转逆变桥级联而成，具有电路结构简洁、前级工作在SPWM、后级工作在中频方波逆变、逆变桥功率开关电压应力低且实现ZVS、抗输入电压扰动能力等优点。

控制系统以DSPTMS320LF2407A为核心。

耳前市场上的产品大都采用模拟控制方式，其中存在控制电路元件多、灵活性差、一致性差等很多问题。

本论文针对这些问题，采用数字控制器，具有硬件电路简单，系统升级方便等特点，符合现代逆变电源的发展方向，具有广阔的应用前景。

为了取得更好的控制效果，把改进型重复控制算法应用到本系统当中，改进型重复控制把重复控制与PID控制相结合，取得较好的动态和稳态特性。

关键词：

直流变换器DSP改进型重复控制分类号：

jE塞窑通厶堂硒堂位论塞旦!

基!

ABSTRACTABSrRACr400HzinverterisaspecialpowerssupplyusedintheaeronauticalsystemMoredemandsateproposedforitsspecialapplicationDigitalcontrol、hirghefficency、highcapabilityaccordswiththedevelopmenttrendofthepowersupplyForthisdemand，papergiveanalyzingandresearchingaboutanoveltopologyofcircuitandmodifiedrepetitivecontrolstratergybasedonDSP240r7AThepaperwillgiveacomprehensiveintroductionaboutanovelcircuit，thenwefocusoncontrolcircuitdesignandmodifiedrepetitivecontrolstratergyrealizationHigh-frequencylinkinverterbelongingtothetypeofdirectcurrentconveflorisusedininvertercircuit，andItismadeupofdirectcurrentconvertorandpoiarityreversalinverterbridgeIthasmanyadvantages，suchasconcisionofcircuitstructure，theformergradeworkingatSPWMmode，thelatergradeworkingatmiddlefrequencyquadratewaveinverter，lowvoltagestressofinverterbridgeSpowerswitchandachievingZVS，highabilityofresistinginputvoltagedisturbingItisadigitalcontrolsystembasedonDSPTMS320U砣407AThereatesomedisadvantagessuchastoomanycontrolelements、unfiexible、badconsistencyDuetoallofthisdisadvantagesofanalogcontrolmodeusedincurrentproducts，theimplementationofdigitatcontrollerisdescribedinthispaporThesystemhasthecharacteristicofsimplecircuitandscantycostofupgrade，accordswiththedevelopmenttrendofmodernconvertor，itwillhavewideapplicationsInordertogetagoodcontrolstate，amodifiedrepetitivecontrolstratergyisproposedandrealizedinthissystem，anddynamicstateandsteadystatecharacteristicsareimprovedKEYWORDS：

DirectCurrentConvertorDspModifiedRepetitiveControlCLASSNo：

致谢本文研究的课题是和航天拓扑公司共同合作的项目，感谢我的导师会新民教授给了我这个参与实际项目的实习机会，本论文的工作是在我的导师金新民教授和航天拓扑公司王国礼的指导下完成的，金新民教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。

在此衷心感谢三年来金新民教授对我的关心和指导。

金新民教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向金新民老师表示衷心的谢意。

航天拓扑公司王国礼在我的项目的开展和开发过程中给予了我无私的帮助和指导，使我在实际科研能力和理论知识掌握上有了长足的进步，在此表示衷心的感谢。

同时航天拓扑公司的领导刘远福、任园园为我在工作中提供实验设备和很多的便利条件，使我能顺利完成此项目，在此我对他们表示衷心的感谢。

在实验室工作和学习过程当中，吴佟、李田雨、张凌、陈瑶、张永强等同学给予了我极大的帮助，在此向他们表示感谢。

在研究生的学习过程中，与我的舍友陆书文、程冰、张琦在学术和科研方面的讨论，使我在各方面都有长足的提高，在此表示衷心的感谢。

感谢答辩委员会的各位评审专家和老师，感谢他们在百忙之中抽出宝贵的时自J来评阅论文、出席答辩并不吝提出宝贵的指导和建议。

另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。

丝塞蛮适盘堂亟堂位j垒塞援述1概述中频逆变电源，广泛应用于飞机、舰船、雷达、通信、导弹、车辆等领域，其技术要求高，正向着高可靠性、轻量化、智能化模块电源方向发展。

逆变电源控制方法的实现可以采用数字控制，这是实现智能化和高可靠性的前提。

而且可以方便的实现模块化，对于产品的系列化生产具有很好的借鉴。

数字控制系统具有通用性好、抗干扰能力强、控制规律灵活、可实现先进控制算法和便于实时控制等优点。

11数字化逆变电源的发展传统的逆变电源多为模拟控制或者模拟与数字相结合的控制系统。

虽然模拟控制技术已经非常成熟，但其存在很多固有的缺点：

控制电路的元器件比较多。

电路复杂，所占的体积较大；灵活性不够，硬件电路设计好了，控制策略就无法改变；调试不方便，由于所采用器件特性的差异，致使电源一致性差，且模拟器件的工作点的漂移，导致系统参数的漂移。

模拟方式很难实现逆变电源的并联，所以逆变电源数字化控制是发展的趋势，是现代逆变电源研究的一个热点。

近年来随着大规模集成电路、现代可编程逻辑器件及数字信号处理器（digitalsignalprocessor，sP）技术的发展，使逆变电源的全数字控制成为现实。

SP能够实时地读取逆变电源的输出，并实时地计算出PWM输出值，使得一些先进的控制策略应用于逆变电源控制成为可能，从而可对非线性负载动态变化时产生的谐波进行动态补偿，将输出谐波达到可以接受的水平。

逆变电源采用数字控制，具有以下明显优点：

（1）减少控制元件数量，提高系统抗干扰能力。

（21控制系统的可靠性提高，易于标准化，系统的一致性较好，便于调试、安装等。

（3）有利于大规模逆变电源组成并联运行系统。

从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。

（4）易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得逆变电源的智能化程度更高，性能更完美，输出电能质量好，可靠性高，便于实现智能控制。

随着微处理器的可靠性与质量的不断提高，数字控制已经在逆变控制中占据着主导地位，本文提出了一种基于DSP控制的方案。

12数字化逆变电源的控制由于早期的微处理器运算速度有限，逆变电源的核心控制仍然需要模拟电路的参与，随着电机控制专用DSP的出现和控制理论的普遍发展，使得逆变电源的控制技术朝着数字化、智能化方向发展，对于各种控制策略和控制算法的实现成为可能。

常用的控制策略包括PID控制、无差拍控制、重复控制技术、状态反馈控制等等，各种控错4方法具有各自特点，有各自的应用范围，有时为了达到较好的性能可能要求使用几种控制方法，本文采用了改进型重复控制，并通过DSP得到了较好的实现。

13本文主要研究内容本文对交流输入220V，输出交流115V、400HZ的中频电源进行了研制。

此项目是与“航天拓扑公司”共同研制的项目，本人为此项目的主要研制入。

本文的主要内容主要集中在以下几点：

1、基于双向直流变换器高频逆变技术的主电路的结构，双向的DCDC生成全波整流的正向的馒头波，极性反转逆变桥完成极性反转，此电路结构简洁、功率双向流动、适应负载能力强，幅值的调制与极性控制独立实现，控制实现更加简单。

2、控制策略采用改进型重复控制，结合PID控制与重复控制各自的特点，对于电源的一些非线性的负载特别是整流性负载能得到较理想的输出电压波形。

3、控制芯片采用的是TMS320LF2407A，由于芯片本身的结构特点能够较好的实现控制算法，提高系统的动念特性和稳态性能，达到较理想的控制要求。

韭塞窑适厶堂亟堂包j金塞直速銮捱墨型商筮巫丝逆变2直流变换器型高频环节逆变21SPWM脉宽调制技术SPWM正弦脉宽调制法（SinusioidalPWM）是调制波为正弦波、载波为三角波或锯齿波的一种脉宽调制法，由于三角载波的频率通常较高，因而理论上其输出电压波形的谐波频率主要集中在较高的频率段上，所以经过很小的滤波器就可以得到比较理想的J下弦波输出电压。

这也是j下弦脉宽调制技术得到广泛应用的原因之一。

其工作原理是采用正弦控制信号与高频三角波载波信号相交截，产生正弦脉宽调制信号，再经过逻辑变换、功率放大等环节，得到功率管的驱动信号，驱动功率管开通关断，从而在逆变器的输出端得到正弦调制输出。

这项技术的特点是原理简单，通用住强，控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压的多重作用，是一种较好的波形改善方法，它的出现为中小型逆变器的发展起了重要作用。

SPWM正弦脉宽调制根据每发生一次开关过程中，桥臂输出电压的脉冲极性的变化不同可分为双极性脉宽调SfJ（bipolarPWM）方式和单极性脉宽调Sr（unipolarPW啪方式。

1、单极性调制通过控制功率丌关管的通断，使输出电压在+UcO或一u印即+I0（-I0）之间切换，这就是单极性的调制。

用幅值为ur的参考正弦波，与幅值为uc频率为正的三角波U。

比较，产生功率开关驱动信号。

单极性正弦脉宽调制原理波形可采取以下几种方式，具体如图21所示。

图2-1（a）是用两个极性相反的参考正弦波与双向三角形载波交截产生功率开关驱动信号。

这是单极性spwm调制当中的倍频调制方式。

图2-1（b）单极性调制是用单相正弦波全波整流电压信号与单向三角形载波交截，从而得到高频驱动信号。

低频信号指的是控制单极性馒头波倒向的驱动信号。

图21（c）是直接用参考正弦波与单向三角形载波交截产生功率开关驱动信号。

对于单极性的调制可根据实际电路采用不同的方法，在本文中，采用是图（b）所示的方法，结合实际的主电路结构使控制更简洁，达到较好的效果。

32、双极性调制工作在双极性脉宽调制方式下的逆变器的对角功率管同时开通和关断，同一桥臂上的两个开关管互补导通，所有功率管均为调频开关。

每发生一次开关，逆（a）（b）（c）图2I单极性调制Figure21unipolarModulate变桥的输出电压为正输入电压或负输入电压，从而输出电压在正负电平之闻切换。

即+1一1（一1+1）切换方式，整个输出电压周期内所得到的是两态输出电压波形。

4对于BUCK型逆变器，有单极性和双极性两种调制方式。

单极性调制属于“1”，“0”、“一l”三态调制，在一个输出周期内，只有一段区自J内的能量从交流侧回。

叁槲瓢页V蔫；删；li；nrnr几f|nrnnnnn厂1n万用Rf1f1n旷啦_JljljU卧UU卧坩图2-2叔极性调制Figute20lBipolarModulale馈到直流侧；双极性调制属于“1”、“一l”两态调制，每个开关周期均有能量从交流侧回馈到直流侧。

因此，单极性调制逆变器将比双极性调制逆变器有更优良的输出频谱特性、更小的输出滤波器。

22直流变换器型高频环节逆变直流变换器型高频环节逆变111121131是逆变器技术中的新概念，它由直流变换器和极性反转逆变桥级联而成。

直流变换级将直流电压变换成全波整流电压，极性反转逆变桥将其逆变成正弦交流电，其类型由前置直流变换器的类型（BUCK或BUCKBOOST）决定，因而称为直流变换器型高频环节变换器。

下面将对单向直流变换器和双向直流变换器分别介绍。

221单向直流变换器型高频环节逆变单向直流变换器型高频环节逆变器电路结构及控制系统如图23所示。

该电路结构由单向DCDC变换器、滤波器、极性反转逆变桥构成，具有电路结构简洁、5些塞g道叁堂亟堂僮途塞直速銮基墨型商题珏：

直逆变单向功率流、直流变换级工作在SPWM（输出电压调节范围宽）、极性反转逆变桥功率开关电压应力低且为ZVS、输出滤波器负担减轻、适用于可再生能源的有源逆变以及阻性满载时的无源逆变场合。

单向Dcbc溶捩器极性反转逆变桥a）电路结构a）FrameofCircuit功率控制b）控制系统b、ControlSystem图2-3单向直流变换器型高频环岿逆变器电路结构与控制系统Figure2-3FrameAndControlSystemOfsingleDirectCmren!

Convertor如果将直流变换器用于无源逆变场合，其结果是空载、容性负载、感性负载甚至阻性轻载时输出正弦电压波形严重畸变，仅在阻性满载时输出波形较好，即负载适应能力弱。

图2_4是在不同负载（COSv=-075O75）时，2KVADe180VACll5V400HZ逆变器的输出电压仿真波形。

仿真结果表明：

（1）阻性满载时，输出电压质量高，如图a所示i

（2）轻载或空载时，输出电压近似为一方波，其原因是空载或轻载时，直流滤波电容C没有放电回路或放电时间很大：

（3）容性负载时，输出电压在某时间内保持恒定，当直流滤波电容和交流负载电容上的电压相平衡时，均无放电回路，输出电压发生畸变，如图c所示：

（4）感性负载时，直流滤波电容C和交流负载电感发生谐振，如图d所示：

因此，该逆变器输出电压波形受负载影响很大，即负载适应能力弱，仅适用于阻性满载场合，不具有普遍适用意义。

6韭盛变通左兰亟芏垃监奎直逋至趣墨型毫题巫笪逆变Ca）阻性满载fb）轻载或空载Co）额定电容性负载【d）额定感性负载幽2-4逆变器不同负载时的电压仿真波彤Figure2-4VoltageSimulateResultofInverterinDifferentLo叫222双囱直流变换器型高频环节逆变双向直流变换器型高频环节逆变器【4】【5】如图25所示，gth双向DCDC变换器、滤波电路、极性反转逆变桥构成，具有电路结构简洁、双向功率流、直流变换级工作在SPWM（输出电压范围宽）、逆变桥功率开关电压应力低且为ZVS，输出电压波形质量高、负载适应能力强等特点适用于无源逆变场合。

#扯尝舳VUAC垂亟卜回囡一双向虻肛i丧淡嚣辍性反转逆饔矫a电路结构功率b）控制系统图2-5职向直流变换器型高额环1，逆变器电路结构与控制系统Figure2-5FrameandControlSystemOfBidirectionalDirectCurremConveiloT由于双向的直流变换器能够实现能量的双向流动，所以变换器能够将交流负载无功能量或电容上的电荷回馈到输入直流电源侧，从电感处的电流可以看到电流为负时，负载向电源反馈能量，从而保证输出电压的正弦性，使电压虬在任何负载时部能跟踪参考电压信号“，的变化，从而获得理想的输出电压波形。

逆变器在不同负载时的仿真波形如图2-6所示Ca）额定阻性负载（b）空载Ce）额定容性负载Cd）额定感性负载图2_6逆变器不同负载时的输出电压、电感电流仿真波形Figure2-6VoltageandCurrentofInductorSimulateResultofInverterinDifferentLoad双向DcDC的二个开关管均为恒频SPWM控制，二者交替工作。

二个开关管的控制主要是控制有功功率向负载的传递以及无功功率的反馈。

双向直流变换器型高频环节逆变器的电路结构，由双向直流变换器和极性反转逆交桥构成，具有电路结构简洁、双向功率流，输出电压波形质量高、负载适应能力强等特点，有效地克服了单向直流变换器型高频环节逆变器的固有缺陷。

本文中逆变电源采用的这种结构，通过合理的控制算法能够达到预期的目的。

23本章小结本章主要介绍了直流变换器高频环节逆变这种电路结构，直流变换器由双向直流变换器和极性反转逆变桥构成，具有电路结构简洁、双向功率流、输出电压波形质量高、负载适应能力强等特点。

这种电路结构即BUCK逆变器应用在400Hz逆变电源中。

具有负载适应能力强，效率高等特点。

并且采用单极性的spwm调制，单极性调制逆变器将比双极性调制逆变器有更优良的输出频谱特性、更小的输出滤波器。

这种主电路结构也使功率开关管的控制更加简单，简化了控制电路设计8及控制方法的实现，为逆变电源提高整体性能打下基础。

931技术指标3系统综述输入电压：

交流220V，频率50HZ额定输出功率：

2KVA输出电压波形：

正弦波输出频率：

400HZ输出电压总谐波失真：

THD3+30；i为下一罔期占空比的114作为限制用防止出现芷饱和i士（DuryCErrtableVacErrII一tnblepose。

iIDucyCEKrcableVacErrDteooleposeli；ifIDutyCErrcableVacErrDtablepose5jDutyCsDutyC+20；iffDuty（：

499IDuty（：

-q99；iflDucat-0）DutyCz0；图6-5占空比输出限何程序Figure6-5DutyLimitProgramme2，补偿问题补偿量compl：

在程序中，由于计算占空比的时间与占空比起作用的时间相差一个周期，即控制存在一个延时，所在由补偿量compl进行补偿，即提前compl周期发指令。

补偿量comp：

在重复控制中，有一占空比控制量表，这是每一周期误差通过一个比例环节不断累加的过程，对于误差加入需要一个补偿量，也就是控制具有超前性，这在前面的重复控制中已经提到，提前comp个周期