數字化中頻SPWM逆變電源控制系統

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

敘詞：逆變電源 數字控制 數字信號處理器 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，是廣泛應用于飛機、艦船、雷達、通信、導彈、車(chē)輛的標準供電系統，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)化設計外,采用數字控制技術(shù)也被證明為有效的措施。新一代數字信號處理器TMS320LF240X系列既有高速的運算能力,高可靠性等一般DSP芯片的特點(diǎn),還在片內集成了如A/D變換器,PWM發(fā)生器,脈沖死區發(fā)生器等外設電路,使其不僅可廣泛應用于電機控制,還可應用于高頻開(kāi)關(guān)電源的控制。目前,數字控制已經(jīng)在功率變換電路中得到了廣泛的應用。, 本文將介紹采用TMS320F2407芯片的中頻逆變電源數字控制系統，并給出了實(shí)驗結果。

2 系統構成及控制原理

圖1系統構成簡(jiǎn)化原理圖

2.1系統構成

該系統由主電路和控制電路兩部分組成, 圖1為系統構成簡(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, 采用全橋電路結構，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頻率的光滑的正弦波?？刂萍夹g(shù)采用了控制逆變電源的主流方法：正弦脈寬調制(SPWM)法。輸出電壓和電感電流通過(guò)采樣網(wǎng)絡(luò )，將輸入信號轉換為T(mén)MS320LF2407所需要的電平,接至TMS320LF2407的A/D轉換口。逆變器的保護電路可分為過(guò)壓和欠壓、過(guò)流(過(guò)載)等幾個(gè)部分,一旦出現故障，保護電路直接或經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后封鎖驅動(dòng)脈沖控制信號，直到故障解除后，才可恢復正常工作。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與其使用標準格式的異步外設之間的數字通訊。通過(guò)串行通信接口SCI模塊，可以實(shí)現中頻電源和微機/計算機網(wǎng)絡(luò )之間的雙向通訊調控功能。DSP控制單元輸出的PWM信號必須經(jīng)過(guò)驅動(dòng)單元后才能送到IGBT。驅動(dòng)電路可以實(shí)現主電路和控制電路之間的信號連接，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)采用比例積分調節, 電流內環(huán)采用比例調節。輸出電壓的瞬時(shí)信號經(jīng)調理采樣生成

后直接反饋,與參考正弦電壓

比較,使輸出電壓穩定在設定值上,并抑制輸出電壓的畸變。電感電流瞬時(shí)信號的調理采樣值

等于負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,所以電流內環(huán)反饋相當于在電壓反饋中加了一個(gè)比例微分超前校正網(wǎng)絡(luò ),可使系統更加穩定。電壓誤差信號，經(jīng)電壓調節器綜合,作為電流內環(huán)的給定信號。其與電感電流反饋值比較得到的誤差送到電流調節器中,作為調制波與三角載波進(jìn)行交截產(chǎn)生SPWM開(kāi)關(guān)信號,控制各橋臂IGBT管的導通與關(guān)斷。

3 控制策略

下面介紹本系統的主要控制策略:

3.1 開(kāi)機軟起動(dòng)：

一般地，逆變電源在開(kāi)機后，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，以避免對負載和變壓器的沖擊。軟啟動(dòng)是通過(guò)在數字PI調節中將直流給定量分幾次疊加至設定值來(lái)實(shí)現。這樣可有效防止輸出交流電壓出現較大的超調。

3.2系統中心值的整定：

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

(1)

反饋電壓信號

的中心值為512，基準正弦信號

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 )不統一。為了便于軟件的實(shí)現，將兩者的中心值均定為512。因為有：

(2)

即電壓誤差

是中心值為零的正弦信號。也就是，進(jìn)入電壓調節器的是中心值為零的正弦信號。

由于反饋電流

的中心值為512，故電壓調節器的輸出需加上數字量512，得到中心值為512的

。有：

(3)

電流誤差信號

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 控制的信號的中心值必須是一樣的。因此，電流誤差信號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)際應用中，考慮到一些具體情況，還需對PI調節加以一定的限制，針對不同的情況采取最佳控制方法。

系統中設置偏差閾值

，當

,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：當被控量與設定值的偏差較大時(shí)，取消積分作用，以免積分作用使系統的穩定性減弱，超調量加大;當被控量接近設定值時(shí)，加入積分作用，以便消除靜差，提高控制精度。