基于DSP的逆變電源控制系統設計及應用

1 前 言

由于電力，通信、航空以及大型信息、數據中心等行業(yè)高端設備對供電電源系統容量和質(zhì)量的要求越來(lái)越高，其中“大容量”、“高可靠性”和“不間斷”供電的特征，集中體現了高端設備對其動(dòng)力系統共同和基本要求。本文探討了基于DSP的逆變電源并聯(lián)控制系統。文章的創(chuàng )新之處是實(shí)現多個(gè)逆變器模塊的并聯(lián)供電電源系統，以滿(mǎn)足不同的負載功率及供電可靠性要求。逆變電源并聯(lián)控制技術(shù)的研究具有深遠的社會(huì )影響和社會(huì )效益。

2 基于DSP 的逆變電源并聯(lián)系統分析和設計

2.1 單逆變電源模塊分析與硬件設計

在并聯(lián)式分布電源系統中，首先必須盡量保證模塊間的一致性：每個(gè)模塊良好的負載特性和穩定；為了滿(mǎn)足這樣的要求，逆變器主電路的結構不斷變化更新，高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)也廣泛地應用到DC/AC逆變電源中。

高頻脈沖直流環(huán)節逆變器是基于諧振直流環(huán)節逆變器的原理提出的一種新的結構。該逆變器既能夠實(shí)現輸入和輸出之間的電氣隔離，又能夠實(shí)現逆變橋功率管的零電壓開(kāi)關(guān)。

圖1 逆變器的主電路圖

（1） 逆變器主電路

逆變器主電路如圖1所示。主電路由3部分組成：交錯并聯(lián)正激變換電路、吸收電路和全橋逆變電路。

（2）保護電路以及輸出濾波器的設計

本系統中，采用了濾波電感作為過(guò)流保護，如圖1所示，濾波電路由Lr1、 Lr2和Cr組成。在直直變換器和吸收電路之間串接濾波電感Lr1和一個(gè)較小的電容Cr，在逆變橋輸出端另外在串接另一個(gè)小電感Lr2。電壓反饋檢測點(diǎn)取至電感Lr1前面，這樣可以起到限流作用。同時(shí)，濾波電感又處在電流滯環(huán)控制中，一方面起漣波作用，另一方面在電流環(huán)中起積分器作用。若Lr1取值過(guò)大，將影響：①電流跟蹤速度、減緩系統動(dòng)態(tài)響應速度；②導致輸出電壓穩態(tài)精度降低；③增加系統的體積、重量和成本。電感電流的變化率須大于給定電流的變化率，才能保證電感電流跟蹤上給定電流，據此推得下式：

Lr1＜（Ubmax－Uomax sin a）／IgmaxWo

式中a——感性負載的功率因數角
Ubmax——脈沖電壓Uab的最大峰值
Uomax——輸出電壓的峰值

如果Lr1取值太小，電感電流的脈動(dòng)量增大，輸出電壓的質(zhì)量會(huì )受影響，因而必須限制電感電流的最大變化量。經(jīng)過(guò)計算和試驗電路參數選擇如下：Lr1＝15mH、Lr2＝3mH，Cr＝220nF。

2.2 控制部分的電路設計和分析

控制部分的電路主要由一片數字信號處理器（TMS320LF2407A）和脈寬調制專(zhuān)用集成芯片UC3524構成。

（1）數字信號處理器（TMS320LF2407A）的介紹

本系統各逆變模塊采用美國TI公司的數字信號處理器MS320F2407A，屬于TI公司的TMS320C2XX系列。從數據傳輸預處理的實(shí)時(shí)性、快速性以及性能價(jià)格比等方面考慮，本系統選用了TMS320F2407A。

（2）SPWM波形的產(chǎn)生

在本設計中仍然采用專(zhuān)用脈寬調制集成芯片UC3524產(chǎn)生SPWM波形。

圖2 逆變模塊控制原理圖

由上圖2可知：DSP通過(guò)高速D／A轉換器向UC3524發(fā)送標準的半正弦調制波（參考信號），限流參考信號以及載波同步控制信號等控制量。以此來(lái)調節SPW調制波形；在圖的左部分，直直變換電路和脈寬調制芯片UC3524通過(guò)電壓、電流反饋構成了一個(gè)雙閉環(huán)系統，這是單個(gè)逆變器SPWM生成和穩壓控制策略的核心。這樣能保證DSP還有大量的系統資源（系統時(shí)間）進(jìn)行各種控制算法以及模塊間數據傳輸，完成并機功能。

2.3 模塊間并聯(lián)控制部分的設計

分散邏輯并聯(lián)控制方式可使各逆變電源模塊不依賴(lài)于集中控制單元或某個(gè)主模塊，能獨立的檢測和控制本模塊在系統中的工作狀態(tài)而實(shí)現模塊間的輸出功率合理分配，并能很好的抑制模塊間的環(huán)流，從而實(shí)現模塊化逆變電源在并聯(lián)電源系統中的獨立運行控制。

根據以上的分散邏輯控制理論分析，本設計中采用的分散控制的并聯(lián)冗余逆變器控制系統。在該系統設計中，模塊之間的CAN總線(xiàn)作為均流互聯(lián)線(xiàn)，同時(shí)從工程實(shí)際應用的角度考慮，在系統的中有引入了一組同步母線(xiàn)，由于同步母線(xiàn)和相應的同步控制策略大幅簡(jiǎn)化了分散邏輯控制并聯(lián)冗余控制方案的實(shí)現。

（1）并機部分硬件結構

單機控制部分由DSP控制UC3524輸出產(chǎn)生PWM波形，從而控制單個(gè)逆變模塊輸出220Y，50HZ的交流電。檢測部分由DSP和各檢測電路組成，DSP實(shí)時(shí)檢測逆變器的輸出電壓、輸出電流、直流輸入電壓以及模塊溫度等各項參數，根據模塊當前的工作狀態(tài)控制模塊功率輸出。并機部分由DSP及并機接口電路組成，并機接口電路采用抗干擾能力強的CAN總線(xiàn)進(jìn)行各逆變模塊之間的數據通信，DSP通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送本模塊的電壓、電流和功率等信息給其他逆變器模塊或者接收其它模塊傳送過(guò)來(lái)的電壓、電流和功率等信息，并將這些信息按均流控制算法，使各逆變模塊之間均衡負載。

（2）并機線(xiàn)的設計

圖3 并機控制部分的硬件結構圖

由上圖3可知，在本系統中，逆變模塊間的并機線(xiàn)主要包括CAN總線(xiàn)和同步母線(xiàn)兩部分：

1）并機通信線(xiàn)

在本系統中，每個(gè)模塊采集各自逆變橋輸出端的電壓和電流，經(jīng)過(guò)一定的計算后，通過(guò)CAN總線(xiàn)主動(dòng)向其他的模塊傳送自己的電壓，電流和功率，由于CAN總線(xiàn)的傳輸速度高達1Mbps，幾乎是在每個(gè)模塊在其他模塊信息的同時(shí)，也獲取了其他模塊的信息。

假設逆變器并聯(lián)系統共16個(gè)模塊并聯(lián)，CAN總線(xiàn)的通信波特率為1Mbps，采用廣播的通信方式。由于CAN總線(xiàn)傳送一個(gè)數據幀共有10個(gè)字節，因此單個(gè)逆變器模塊將本模塊的數據傳送到其它逆變器模塊的時(shí)間為：信方式。由于CAN總線(xiàn)傳送一個(gè)數據幀共有10個(gè)字節，因此單個(gè)逆變器模塊將本模塊的數據傳送到其它逆變器模塊的時(shí)間為：t1＝10*8b／1Mbps＝80us。

在系統8個(gè)逆變器模塊并聯(lián)的情況下，所有模塊相互之間數據傳送完成共需要時(shí)間為：t＝8*80us＝0.64ms。

逆變器輸出一個(gè)50HZ的正弦波周期為20ms，模塊之間相互傳送信息一次需要的時(shí)間僅為0.64ms。這使得各個(gè)逆變電源模塊根據可以達到實(shí)時(shí)調節。根據無(wú)功電流（無(wú)功功率）的差異調整輸出電壓、電流的給定值和改變SPWM的調制波，調節模塊間因輸出電壓差異造成的無(wú)功電流差異，從而解決了無(wú)功功率的均衡問(wèn)題。

2）同步母線(xiàn)

本系統中運用少許模擬器件設計了一種高效的同步母線(xiàn)，下圖是兩臺逆變器為例說(shuō)明同步母線(xiàn)的連接圖。

圖4 同步母線(xiàn)連接圖

兩個(gè)逆變模塊間只需一根模擬線(xiàn)相接，圖中每個(gè)模塊中的DSP控制器都有兩個(gè)通用I/O、分別用于對同步母線(xiàn)進(jìn)行檢測和控制。每個(gè)模塊在對同步的電平信號進(jìn)行檢測，與此同時(shí)通過(guò)端口OUT詳同步母線(xiàn)上發(fā)送本模塊的同步脈沖，實(shí)質(zhì)上是，通過(guò)同步母線(xiàn)，各模塊之間的同步信號相互影響、相互跟蹤，從而達到同步。

3 結 論

本文設計了一套基于DSP控制的逆變電源并聯(lián)控制系統，并進(jìn)行了各種性能實(shí)驗研究，實(shí)驗表明了本設計的可行性和有效性，可以實(shí)現多臺逆變模塊非聯(lián)電源系統可靠的運行以及功率均分。

文章的創(chuàng )新之處是實(shí)現多個(gè)逆變器模塊的并聯(lián)供電電源系統，以滿(mǎn)足不同的負載功率及供電可靠性要求。