數(shù)字化中頻SPWM逆變電源控制系統(tǒng)

摘要：研究了一種基于DSP的中頻逆變電源系統(tǒng),介紹了系統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu)、控制算法和軟件編制。實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)壓性能和很小的波形失真。

敘詞：逆變電源 數(shù)字控制 數(shù)字信號(hào)處理器 中頻

Abstract：This paper introduces a digital control system for medium frequency inverter based on DSP. The configuration, the principle of operation, the control algorithm and the scheme of software are discussed. The experimental results show that the system has good static performances and very minor wave distortion.

Keyword：inverter digital control DSP medium frequency

1 引言

中頻逆變電源，是廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、艦船、雷達(dá)、通信、導(dǎo)彈、車(chē)輛的標(biāo)準(zhǔn)供電系統(tǒng)，為了進(jìn)一步提高了中頻逆變電源的可靠性和靜、動(dòng)態(tài)性能,除在主電路上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)外,采用數(shù)字控制技術(shù)也被證明為有效的措施。新一代數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF240X系列既有高速的運(yùn)算能力,高可靠性等一般DSP芯片的特點(diǎn),還在片內(nèi)集成了如A/D變換器,PWM發(fā)生器,脈沖死區(qū)發(fā)生器等外設(shè)電路,使其不僅可廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制,還可應(yīng)用于高頻開(kāi)關(guān)電源的控制。目前,數(shù)字控制已經(jīng)在功率變換電路中得到了廣泛的應(yīng)用。, 本文將介紹采用TMS320F2407芯片的中頻逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及控制原理

圖1系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)化原理圖

2.1系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分組成, 圖1為系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)化原理圖。該中頻逆變電源主電路采用以IGBT為開(kāi)關(guān)器件的單相逆變電路, 采用全橋電路結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)LC低通濾波器，濾去高頻成分，在濾波電容兩端獲得相應(yīng)頻率的光滑的正弦波。控制技術(shù)采用了控制逆變電源的主流方法：正弦脈寬調(diào)制(SPWM)法。輸出電壓和電感電流通過(guò)采樣網(wǎng)絡(luò)，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為T(mén)MS320LF2407所需要的電平,接至TMS320LF2407的A/D轉(zhuǎn)換口。逆變器的保護(hù)電路可分為過(guò)壓和欠壓、過(guò)流(過(guò)載)等幾個(gè)部分,一旦出現(xiàn)故障，保護(hù)電路直接或經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖控制信號(hào)，直到故障解除后，才可恢復(fù)正常工作。串行通信接口SCI模塊是一個(gè)可編程的全雙工串行通訊接口,支持CPU與其使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通訊。通過(guò)串行通信接口SCI模塊，可以實(shí)現(xiàn)中頻電源和微機(jī)/計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間的雙向通訊調(diào)控功能。DSP控制單元輸出的PWM信號(hào)必須經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)單元后才能送到IGBT。驅(qū)動(dòng)電路可以實(shí)現(xiàn)主電路和控制電路之間的信號(hào)連接，并且滿(mǎn)足主電路和控制電路之間的電氣隔離。

2.2　控制原理

系統(tǒng)采用了輸出電壓和電感電流瞬時(shí)值反饋的電流SPWM控制方案。其中，電壓外環(huán)采用比例積分調(diào)節(jié), 電流內(nèi)環(huán)采用比例調(diào)節(jié)。輸出電壓的瞬時(shí)信號(hào)經(jīng)調(diào)理采樣生成

后直接反饋,與參考正弦電壓

比較,使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值上,并抑制輸出電壓的畸變。電感電流瞬時(shí)信號(hào)的調(diào)理采樣值

等于負(fù)載電流加濾波器電容電流,而濾波器電容電流為輸出電壓的微分,所以電流內(nèi)環(huán)反饋相當(dāng)于在電壓反饋中加了一個(gè)比例微分超前校正網(wǎng)絡(luò),可使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。電壓誤差信號(hào)，經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器綜合,作為電流內(nèi)環(huán)的給定信號(hào)。其與電感電流反饋值比較得到的誤差送到電流調(diào)節(jié)器中,作為調(diào)制波與三角載波進(jìn)行交截產(chǎn)生SPWM開(kāi)關(guān)信號(hào),控制各橋臂IGBT管的導(dǎo)通與關(guān)斷。

3 控制策略

下面介紹本系統(tǒng)的主要控制策略:

3.1 開(kāi)機(jī)軟起動(dòng)：

一般地，逆變電源在開(kāi)機(jī)后，需要經(jīng)過(guò)一段軟起動(dòng)過(guò)程，讓輸出電壓升至額定電壓，以避免對(duì)負(fù)載和變壓器的沖擊。軟啟動(dòng)是通過(guò)在數(shù)字PI調(diào)節(jié)中將直流給定量分幾次疊加至設(shè)定值來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣可有效防止輸出交流電壓出現(xiàn)較大的超調(diào)。

3.2系統(tǒng)中心值的整定：

在用數(shù)字實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，我們要注意使得進(jìn)行比較的相應(yīng)的電壓、電流、三角載波的中心值要一致。否則，會(huì)導(dǎo)致輸出電壓波形畸變。逆變器的輸出電壓,經(jīng)過(guò)調(diào)理電路,送到DSP的A/D模塊的模擬輸入通道的正弦信號(hào)為中心值為1.65,幅值不超過(guò)1.65的單極性交流信號(hào)。逆變器輸出電壓的采樣正弦信號(hào),進(jìn)入DSP的A/D模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換后, 采樣正弦信號(hào)數(shù)字量為:

(1)

反饋電壓信號(hào)

的中心值為512，基準(zhǔn)正弦信號(hào)

的中心值和輸出電壓的周期有關(guān)，兩者的中心值經(jīng)常會(huì)不統(tǒng)一。為了便于軟件的實(shí)現(xiàn)，將兩者的中心值均定為512。因?yàn)橛校?/p>

(2)

即電壓誤差

是中心值為零的正弦信號(hào)。也就是，進(jìn)入電壓調(diào)節(jié)器的是中心值為零的正弦信號(hào)。

由于反饋電流

的中心值為512，故電壓調(diào)節(jié)器的輸出需加上數(shù)字量512，得到中心值為512的

。有：

(3)

電流誤差信號(hào)

的中心值為0，由于三角載波的中心值為也是輸出電壓的周期有關(guān)，即與三角載波進(jìn)行SPWM 控制的信號(hào)的中心值必須是一樣的。因此，電流誤差信號(hào)必須加上三角載波的中心值，才能與三角載波進(jìn)行SPWM 控制。

3.3 使用改進(jìn)的PI算法：

在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到一些具體情況，還需對(duì)PI調(diào)節(jié)加以一定的限制，針對(duì)不同的情況采取最佳控制方法。

系統(tǒng)中設(shè)置偏差閾值

，當(dāng)

,PI控制取消積分作用，用P控制;

，引入積分作用。該方法的實(shí)質(zhì)是：當(dāng)被控量與設(shè)定值的偏差較大時(shí)，取消積分作用，以免積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性減弱，超調(diào)量加大;當(dāng)被控量接近設(shè)定值時(shí)，加入積分作用，以便消除靜差，提高控制精度。