【正文】 摘 要逆變器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面，數(shù)字控制具有方便實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法、抗干擾性強(qiáng)和產(chǎn)品容易升級(jí)換代等優(yōu)點(diǎn)，已成為未來(lái)逆變器的發(fā)展趨勢(shì)。本文采用TI公司的TMS320LF2407A的控制芯片，設(shè)計(jì)一種基于正弦脈寬調(diào)制的單相逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)。此控制器具有硬件電路簡(jiǎn)單、體積小、重量輕等特點(diǎn), 可滿足小功率應(yīng)用場(chǎng)合的需求。本文首先介紹了逆變電源的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)。分析了正弦脈寬調(diào)制的原理及其幾種主要的調(diào)制方式，并通過(guò)比較說(shuō)明了不同調(diào)制方式的優(yōu)缺點(diǎn)。文中分析了逆變器的數(shù)學(xué)模型及PID數(shù)字控制技術(shù)的原理，結(jié)合單相逆變電源的特點(diǎn)提出了控制方法。利用matlab和simulink仿真軟件建立了逆變器的仿真模型，用以驗(yàn)證控制方案的可行性和有效性。在本文的最后一章，提出了硬件電路的設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)敘述了數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具體包括采樣電路，調(diào)理電路，驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路。關(guān)鍵詞：逆變器；數(shù)字控制；PWM；DSP TMS320LF2407A.AbstractDC/AC inverter has been widely applied in the control has several advantages，it is easy to achieve plex arithmetic，upgrade and maintenance，and it is not susceptive of noise and the consistent manufacture performance is better,so the digital controlled inverters are the trend of the inverter in the future. The paper designs a digital control system of the single phase inverter based on sine width modulate with TI pany TMS320LF2407A control chips . This controller features simple in structure，small in volume，and light in weight,which can meet the needs in small power applications．In the first,the paper presents the current situation and development trends of the inverters analyses the principles of the sine width modulate and several major modulate methods，and through parison illustrates the advantages and disadvantages of different forms of modulate The article analyses the mathematical models of inverter and the principles of the PID digital control,then presents PI control methods based on the speciality of the single phase inverter simulation model is established by the simulation software of matlab and simulink, which is used to validate the feasibility of every control.In the last chapter,we drawed the total designing scheme of the DC/AC converter ,built the model of designed the main circuit and the controller of the inverter. The control system of the inverter included sampling circuit, conditioning circuit , driving circuit and protecting circuit .Keywords：Inverter ；Digital control；PWM；DSP TMS320LF2407A目 錄摘要 IAbstract II1 緒論 1 引言 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì) 2 逆變電源研究的技術(shù)現(xiàn)狀 2 逆變電源技術(shù)研究的發(fā)展趨勢(shì) 3 本文的研究目的及內(nèi)容 4 逆變電源的控制策略 62 SPWM控制原理 10 PWM概述 10 PWM波形的基本原理 11 SPWM的調(diào)制方式 11 12 13 SPWM實(shí)現(xiàn)方式 14 比較器實(shí)現(xiàn)SPWM 14 專用集成電路實(shí)現(xiàn)SPWM 14 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)SPWM 14 DSP實(shí)現(xiàn)SPWM 143 逆變電路建模及主電路參數(shù)計(jì)算 16 單相全橋式逆變電路拓?fù)鋱D及等效電路 16 單相全橋逆變電路的數(shù)學(xué)模型 17 連續(xù)狀態(tài)空間模型 17 單相逆變器主電路設(shè)計(jì) 18 負(fù)載參數(shù)計(jì)算 18 輸出 LC 濾波器的設(shè)計(jì) 19 IGBT 模塊的選擇 194 控制策略及系統(tǒng)仿真 21 PID概述 21 數(shù)字PID控制 21 PID參數(shù)的整定原則 22 雙閉環(huán)控制的原理 235 硬件電路設(shè)計(jì) 27 控制芯片選擇 27 采樣與信號(hào)調(diào)理電路 29 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 31 保護(hù)模塊設(shè)計(jì) 33 其他輔助電路 33 時(shí)鐘電路 33 復(fù)位電路 34 仿真器連接JTAG 35 故障保護(hù)單元 35 SCI接口電路 35 電磁兼容設(shè)計(jì) 35結(jié)束語(yǔ) 38致謝 39參考文獻(xiàn) 40附錄 421 緒 論逆變是對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的一種基本形式，它完成將直流電變換成交流電的功能，現(xiàn)代逆變技術(shù)就是研究現(xiàn)代逆變電路的理論和應(yīng)用設(shè)計(jì)方法的學(xué)科。這門(mén)學(xué)科綜合了現(xiàn)代電力電子開(kāi)關(guān)器件技術(shù)、現(xiàn)代功率變換技術(shù)、模擬和數(shù)字電子技術(shù)、PWM技術(shù)、開(kāi)關(guān)電源技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)等多種實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)，己被廣泛的用于工業(yè)和民用領(lǐng)域中的各種功率變換系統(tǒng)和裝置中。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各行各業(yè)對(duì)電氣設(shè)備控制性能要求的提高，逆變技術(shù)在許多領(lǐng)域獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。下面列舉的是其幾個(gè)方面的主要應(yīng)用。(1)光伏發(fā)電能源危機(jī)和環(huán)境污染是目前全世界面臨的重大問(wèn)題，開(kāi)發(fā)利用新能源和可再生能源是21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具決定性影響的技術(shù)之一，充分開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能是世界各國(guó)可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策，其中光伏發(fā)電最受矚目。太陽(yáng)能光伏發(fā)電就是將由太陽(yáng)電池陣列產(chǎn)生的直流電，通過(guò)逆變電路變換為交流電供給負(fù)載或并入電網(wǎng)，供用戶使用。(2)不間斷電源系統(tǒng)在通信設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等對(duì)電源持續(xù)供電要求高的設(shè)備中都需要采用不間斷電源UPS。UPS的主要構(gòu)件有充電器和逆變器。在電網(wǎng)有電時(shí)，充電器為蓄電池充電，負(fù)載由電網(wǎng)供電：在電網(wǎng)停電時(shí)，逆變器將蓄電池提供的直流電逆變成交流電供給用電設(shè)備。(3)交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速采用逆變技術(shù)將普通交流電網(wǎng)電壓變化成電壓、頻率都可調(diào)的交流電，供給交流電動(dòng)機(jī)，以便調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。(4)直流輸電由于交流輸電架線復(fù)雜、損耗大、電磁波污染環(huán)境，所以直流輸電是一個(gè)發(fā)展方向。首先把交流電整流成高壓直流電，再進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送，然后再逆變成交流電供給用電設(shè)備。(5)風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)因受風(fēng)力變化的影響，發(fā)出的交流電很不穩(wěn)定，并網(wǎng)或供給用電設(shè)備都不安全?？梢詫⑵湔芍绷鳎缓笤倌孀兂杀容^穩(wěn)定的交流，就能安全的并到交流電網(wǎng)上或直接供給用電設(shè)備。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)隨著逆變器控制技術(shù)的發(fā)展，電壓型逆變電源出現(xiàn)了許多的變壓、變頻控制方法。目前采用較多的是脈寬調(diào)制技術(shù)即PWM控制技術(shù)，即利用控制輸出電壓的脈沖寬度，將直流電壓調(diào)制成等幅寬度可變的系列交流輸出電壓脈沖，來(lái)控制輸出電壓的有效值、控制輸出電壓諧波的分布和抑制諧波。由于PWM技術(shù)可以迅速地控制輸出電壓，及其有效地進(jìn)行諧波抑制，因而它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，在輸出電壓質(zhì)量、效率諸方面有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)形成PWM波原理的不同，大致可以分為以下幾種：矩形波PWM、正弦波PWM(SPWM)、空間相量PWM(SVM)、特定諧波消除PWM、電流滯環(huán)PWM等。這四類PWM波各有優(yōu)缺點(diǎn)，因而適用于不同的場(chǎng)合。本文主要討論正弦波逆變器，因此主要討論SPWM正弦脈寬調(diào)制法。SPWM正弦脈寬調(diào)制法是調(diào)制波為正弦波，載波為三角波或鋸齒波的一種脈寬調(diào)制法，它是1964年由A．Schonung和H．Stemmler把通訊系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到逆變器而產(chǎn)生的，后來(lái)由Bristol大學(xué)的S．R．Bower等于1975年對(duì)該技術(shù)正式進(jìn)行了推廣應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，控制和調(diào)節(jié)性能好，具有消除諧波、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的多種作用，是一種比較好的波形改善法。它的出現(xiàn)為中小型逆變器的發(fā)展起了重要的推動(dòng)作用。目前隨著工業(yè)用的高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的發(fā)展，正弦波逆變器的控制技術(shù)方案也由傳統(tǒng)的模擬控制向現(xiàn)代數(shù)字化控制的方向發(fā)展。采用數(shù)字化控制，不僅可以大大降低控制電路的復(fù)雜程度，提高電源設(shè)計(jì)和制造的靈活性，而且可以采用更先進(jìn)的控制方法，從而提高逆變電源系統(tǒng)輸出波形的質(zhì)量和可靠性。在正弦波逆變電源數(shù)字化控制方法中，目前國(guó)內(nèi)外研究得比較多的主要有數(shù)字PID控制、無(wú)差拍控制、雙環(huán)反饋控制、重復(fù)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。PID控制是一種傳統(tǒng)控制方法，由于其算法簡(jiǎn)單成熟，設(shè)計(jì)過(guò)程中不過(guò)分依賴系統(tǒng)參數(shù)，魯棒性好和可靠性高，在模擬控制的正弦波逆變電源系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，具有較快的動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)特性數(shù)字PID算法獲得應(yīng)用。電源系統(tǒng)是現(xiàn)代電子設(shè)備不可或缺的重要組成部分。1969年誕生的逆變電源可靠性高、穩(wěn)定性好、調(diào)節(jié)特性優(yōu)良、而且體積小、重量輕、功耗低，在電子和電氣領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各行各業(yè)對(duì)電氣設(shè)備控制性能要求的提高，逆變技術(shù)在許多領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，對(duì)電源性能的要求越來(lái)越高。許多行業(yè)的用電設(shè)備都不是直接使用電網(wǎng)提供的交流電作為電源，而是通過(guò)各種形式對(duì)電網(wǎng)交流電進(jìn)行交換，從而得到各自所需要的電能形式。在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，逆變電源技術(shù)均處于核心地位。近年來(lái)，現(xiàn)代逆變電源技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)出以下幾種趨勢(shì)：(1)高頻化。理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：電器產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20KHZ，提高400倍的話，用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計(jì)的5～10％，其主要材料可以節(jié)約90％甚至更高，還可以節(jié)電30％甚至更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來(lái)采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化，原材料消耗顯著降低、電源裝置小型化、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)加快，更可以深刻體現(xiàn)技術(shù)含量的價(jià)值。(2)模塊化。模塊化有兩方面的含義，其一是功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。我們常見(jiàn)的器件模塊，含有一單元，兩單元，六單元直至七單元，包括開(kāi)關(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管，實(shí)質(zhì)上都屬于“標(biāo)準(zhǔn)”功率模塊(SPM)。近年，有些公司把開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路也集成到功率模塊中去，構(gòu)成了“智能化”功率模塊(IPM)，不但縮小了整機(jī)的體積，更方便了整機(jī)的設(shè)計(jì)制造。有些制造商開(kāi)發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM)，它把一臺(tái)整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低，提高了系統(tǒng)的可靠性。另外，大功率的開(kāi)關(guān)電源，由于器件容量的限制和增加冗余、提高可靠性方面的考慮，一般采用多個(gè)獨(dú)立的模塊電源并聯(lián)工作，采用均流技術(shù)，所有模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流，一旦其中某個(gè)模塊失效，其他模塊再平均分擔(dān)負(fù)載電力。這樣，不但提高了功率容量，在器件容量有限的情況下滿足了大電流輸出的要求，而且通過(guò)增加相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)功率很小的冗余電源模塊，極大的提高系統(tǒng)可靠性，即使萬(wàn)一出現(xiàn)單模塊故障，也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，而且為電源修復(fù)提供充分的時(shí)間。(3)數(shù)字化?，F(xiàn)在數(shù)字式信號(hào)，數(shù)字電路越來(lái)越重要，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟，顯示出越來(lái)越多的優(yōu)點(diǎn)：便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、提高系統(tǒng)抗干擾能力、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測(cè)遙調(diào)、也便于自診斷，容錯(cuò)等技術(shù)的植入，同時(shí)也為電源的并聯(lián)技術(shù)發(fā)展提供了方便。(4)綠色化。隨著各種政策法規(guī)的出臺(tái)，對(duì)無(wú)污染的綠色電源的呼聲越來(lái)越高。綠色電源的含義有兩層：首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因。為了使電源系統(tǒng)綠色化，電源應(yīng)加裝高效濾波器，還應(yīng)在電網(wǎng)輸入端采用功率因數(shù)校正技術(shù)和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。提高輸入功率因數(shù)具有重要意義，不僅可以減少對(duì)電網(wǎng)的污染，降低市電的無(wú)功損耗，起到環(huán)保和節(jié)能的效果，而且還能減少相應(yīng)的投資，提高運(yùn)行可靠性。提高功率因數(shù)的傳統(tǒng)方法是采用無(wú)源功率因數(shù)校正技術(shù)，目前較先進(jìn)的方法是：?jiǎn)蜗噍斎氲牟捎糜性垂β室驍?shù)校正技術(shù)，三相輸入的采用SPWM高頻整流提高功率因數(shù)。隨著電子電源的集成化、模塊化、智能化的發(fā)展和電力電子器件的高性能化、拓?fù)潆娐防碚摰膭?chuàng)新、現(xiàn)代控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用及其實(shí)現(xiàn)的手段的先進(jìn)性，現(xiàn)代電源的設(shè)計(jì)及分析工具得以進(jìn)一步完善。今后電源技術(shù)將朝著高效率、高功率因數(shù)和高可靠性方向發(fā)展，并不斷實(shí)現(xiàn)低諧波污染、低環(huán)境污染、低電磁干擾和小型化、輕量化。從而為今后的綠色電源產(chǎn)品和設(shè)備的發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)保證，這也將是現(xiàn)代電源發(fā)展的必然結(jié)果。 本文的研究目的及內(nèi)容隨著數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)的成熟和普遍，新一代的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)采用哈佛結(jié)構(gòu)、流