【正文】 圖。這樣捕獲到的計(jì)數(shù)器的值，就是電網(wǎng)頻率的周期。這兩種情況浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第二章　三相逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)28可以分別見 圖 216 和 圖 217。在不考慮濾波作用時(shí)，對頻率的一步修正為： ()(1)invT??　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式 26invT表示逆變器參考正弦波的周期， 表示電網(wǎng)電壓的周期?！　　?X為本次采樣輸入值。考慮頻率和相位同時(shí)修正時(shí)，數(shù)字鎖相的計(jì)算公式為：()()TnBn?????　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式 29式中 為相位修正系數(shù)， ?！　　　?為低通濾波器的濾波參數(shù)。在電網(wǎng)正常時(shí)，如果電網(wǎng)頻率滿足精度要求，則同步信號(hào)選電網(wǎng)的過零信號(hào)為同步信號(hào)，否則選浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第二章　三相逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)30自振蕩的基準(zhǔn)頻率信號(hào)為同步信號(hào)。數(shù)字鎖相環(huán)的具體參數(shù)如 表 21 所示。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第二章　三相逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)31t 1電 網(wǎng)電壓逆 變電壓圖 222　t1 時(shí)刻相位未鎖定之前電網(wǎng)電壓與逆變電壓波形t 2電 網(wǎng)電壓逆 變電壓圖 223　t2 時(shí)刻相位鎖定后電網(wǎng)電壓與逆變電壓波形 DSP 與上位機(jī) MCU 的通訊在該數(shù)字控制三相逆變系統(tǒng)中的，人機(jī)界面主要是由上位機(jī) MCU 來完成的。開機(jī)命令中除了開機(jī)命令字外，還包括逆變輸出電壓、旁路電壓與旁路頻率范圍。DSP 上傳的數(shù)據(jù)包括：三相旁路電壓、三相逆變輸出電壓、旁路頻率、逆變輸出頻率、正負(fù)直流母線電壓、三相負(fù)載百分比、三相輸出電流、散熱器溫度、電感溫度、機(jī)內(nèi)空氣溫度、UPS 工作狀態(tài)、逆變器工作狀態(tài)、逆變器失效故障狀態(tài)等。從而可以看出 TI 公司針對電機(jī)控制設(shè)計(jì)的 TMS320LF2022 系列DSP 非常適合于逆變器數(shù)字控制。單相半橋式電路如 圖 31 所示。狀態(tài)空間平均法是基于輸出頻率遠(yuǎn)小于開關(guān)頻率的情況下，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，用變量的平均值代替其瞬時(shí)值，從而得到連續(xù)狀態(tài)空間平均模型 [25]。而 S_iiv的開關(guān)周期平均。當(dāng) S1（或 D1）導(dǎo)通時(shí)，S=1 ；當(dāng) S2（或 D2）導(dǎo)通時(shí)，S=0 ；顯然，由于開關(guān)函數(shù) S 的存在，式 33中 不連續(xù)。在逆變電路控制模型中，輸入的參考正弦波 和三角波比較得到的sin()mVt?脈沖去控制各功率開關(guān)器件。 的單相半橋逆變器組合在一起。參數(shù)設(shè)定命令與開機(jī)命令類似，DSP 收到的數(shù)據(jù)也要經(jīng)上位機(jī)進(jìn)行確認(rèn)。DSP 接收到上位機(jī)的關(guān)機(jī)命令后，直接進(jìn)行關(guān)機(jī)操作。RS485 通訊協(xié)議如下：波特率：2400bps數(shù)據(jù)長度：8 位浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第二章　三相逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)32停止位：1 位奇偶校驗(yàn)：無采用地址位多機(jī)通訊模式，這樣 RS485 串行通訊的幀格式如 圖 225 所示。在相位鎖定后，電網(wǎng)電壓與逆變電壓的過零點(diǎn)在 100181。修正后的頻率再與檢測出來的相位差進(jìn)行相位修正，相位修正后的頻率作為逆變器參考正弦波的發(fā)生頻率。B根據(jù)式 210 可以作出數(shù)字鎖相的狀態(tài)變量圖，如 圖 220 所示。　　　　 ?為頻率修正后的周期。數(shù)字鎖相中，在調(diào)整頻率時(shí)，也必須調(diào)整相位?？紤] 圖 219 的 RC 低通濾波器時(shí)，對圖中的低通濾波器用后向差分法可以寫出其離散化的表達(dá)式（即數(shù)字濾波器表達(dá)式）：RCX ( t ) Y ( t )圖 219　RC 低通濾波器()(1)()YnAAXn?????　　　　　　　　　　　　　　式 27式中　　　 ：濾波參數(shù)， ， 為時(shí)間常數(shù)， 為采樣周期。鑒相器的輸出量經(jīng)濾波后對壓控振蕩器的控制是將頻率與相位一起進(jìn)行調(diào)整的。如果這個(gè)值小于半個(gè)周期，則逆變器電壓相位滯后。捕 獲單元 定 時(shí)器T 3T電網(wǎng)同步 信號(hào)軟件 I N V 輸出過 零檢測T 3 計(jì)時(shí)相位 差信號(hào)電網(wǎng)周期 信號(hào)電網(wǎng)電 壓過 零檢測圖 218　DSP 中電網(wǎng)頻率和相位差的獲得在 DSP 中，電網(wǎng)頻率和相位差的獲得主要是通過其捕獲單元來實(shí)現(xiàn)的，如圖 218 所示。在逆變器輸出相位滯后時(shí)，在第n－1 個(gè)周期檢測到逆變輸出滯后相位為 Td（時(shí)間）時(shí)，則改變第 n 個(gè)周期逆變器輸出的周期，使其由原來的 T 變?yōu)?T－Td，這樣在第 n＋1 個(gè)周期時(shí)，逆變器輸出的相位便趕上了電網(wǎng)的相位，此時(shí)逆變器輸出周期跟蹤電網(wǎng)頻率，這樣就實(shí)現(xiàn)了同步。在 UPS 中同步鎖相控制應(yīng)完成以下功能：在電網(wǎng)頻率滿足要求時(shí)，逆變器輸出電壓的頻率和相位要浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第二章　三相逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)26跟蹤電網(wǎng)電壓的頻率和相位；電網(wǎng)電壓頻率超出精度要求范圍或電網(wǎng)掉電時(shí)，逆變器輸出基準(zhǔn)頻率（一般為 50Hz 或 60Hz） ；在鎖相跟蹤與自同步這兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，要求逆變器輸出電壓的頻率變化要平穩(wěn)，以免造成轉(zhuǎn)換過程中逆變器工作頻率的劇烈抖動(dòng)。在這期間，三個(gè)全比較寄存器的值與計(jì)數(shù)器的值進(jìn)行比較，在第一次相同時(shí)（增計(jì)數(shù)） ，對應(yīng)的 PWM 輸出腳（PWM1,PWM3,PWM5,6）的輸出極性發(fā)生變化；第二次相同時(shí)（減計(jì)數(shù)） ，對應(yīng)的 PWM 輸出腳（PWM1,PWM3,PWM5,6）的輸出極性再次發(fā)生變化，這樣就實(shí)現(xiàn)了PWM 輸出。全比較主要包括硬件比較器、定時(shí)器、全比較寄存器 CMP全比較寄存器 CMP全比較寄存器 CMP3。事件 管理模塊A事件 管理模塊B狀 態(tài)信 號(hào)輸入/ 輸出口與上 位機(jī)通訊接 口并 機(jī)通訊接口捕 獲同步信號(hào)實(shí)現(xiàn) 三相P W M 控制程序復(fù)位暫無信號(hào) A D 采樣程 序變量存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)局域網(wǎng)絡(luò)（C A N ）模塊串 行通訊接口（ S C I ）4 0 個(gè)單 獨(dú)/ 復(fù)用的I / O 口片 內(nèi)F L A S H片內(nèi)R A M1 6 通道1 0 位A D C1 6 位串行外設(shè)接口看門狗W D G圖 211　DSP 片內(nèi)資源在該三相逆變系統(tǒng)中的作用浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第二章　三相逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)24　DSP 中 SPWM 的實(shí)現(xiàn)在模擬電路中，SPWM 的實(shí)現(xiàn)如 圖 212 所示。逆 變 供電旁 路 供電圖 210　“三同” 時(shí) UPS 逆切換輸出電壓波形　三相逆變系統(tǒng)的數(shù)字化在該三相逆變系統(tǒng)中，所有的控制都是由一塊 TMS320LF2407 來完成。否則，封鎖逆變浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第二章　三相逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)21器輸出后，經(jīng)過 的延時(shí)才觸通旁路可控硅。由于輸出接觸器吸合時(shí)，有幾十毫秒的延時(shí)，所以供電有一個(gè)短暫中斷。相位差引起的瞬態(tài)壓差往往比電壓峰值差引起的瞬態(tài)壓差更為致命。這對本身要求高可靠性的 UPS來說是不允許的。如果中斷時(shí)間為負(fù)載所容許，則問題不大，如果中斷時(shí)間過長，就失去了不間斷供電的意義。逆切換時(shí)，要檢測旁路電源與逆變輸出是否“三同” ，即同頻，同相，同壓。若在選擇容量時(shí)使逆變器具有承受上述電流的能力，這無論在經(jīng)濟(jì)上是不妥當(dāng)?shù)?。UPS 中設(shè)置旁路切換電路的目的主要是：（1）提高應(yīng)急能力。的單相半橋逆變器組合在一起。同樣S2 和 Ds2 控制反向電壓相對應(yīng)的電感電流。由于AC/DC 部分不是本課題研究的重點(diǎn)，在這里只對三相雙開關(guān)三電平 PFC 電路做一個(gè)簡單的介紹。雙向可控硅組成的旁路切換開關(guān)使 UPS 可以由旁路供電切換到逆變輸出供電或由逆變輸出供電切換到旁路供電。三相逆變器采用三相半橋拓?fù)?。第四章介紹一些硬件電路的實(shí)現(xiàn)與 DSP 軟件編程，并給出逆變器的實(shí)驗(yàn)波形。2186。177。%（非同步）波形 正弦波 頻率同步窗口177。5% 失真（非線性負(fù)載） ≤5%額定容量 10KVA 電壓穩(wěn)定度（靜態(tài)） 177。另外還要實(shí)現(xiàn) UPS 的各種復(fù)雜的邏輯關(guān)系?！蟆?6 位的串行外設(shè)接口模塊（SPI） ?！蟆?0 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為 500nS?！蟆∑瑑?nèi)有 32K 字的 FLASH 程序存儲(chǔ)器和 字的數(shù)據(jù)/ 程序 RAM，544字雙口 RAM（DASRAM ）和 2K 字的單口 RAM（SARAM ） 。5. 片內(nèi)集成了 RAM，ROM，F(xiàn)LASH 及雙口 RAM 等存儲(chǔ)空間，并通過不同的片內(nèi)總線訪問這些空間，因此不存在總線競爭和速度匹配問題，大大提高了數(shù)據(jù)讀/寫文章的速度。2. 高度的操作“ 并行性” ，在一個(gè)指令周期內(nèi)可以完成多重操作，一般能夠完成一次乘法和一次加法。特別是信號(hào)處理器（DSP　Digital Signal Processor）的誕生與快速發(fā)展，使各種數(shù)字信號(hào)處理算法得以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，為數(shù)字信號(hào)處理的研究和應(yīng)用打開了新局面。另外，由于被控對象模型的不確定性（如負(fù)載變化等） ，使這些控制方法在系統(tǒng)穩(wěn)定性與負(fù)載適應(yīng)性等方面存在一些問題。這將在后面具體分析。另外，在數(shù)據(jù)處理及計(jì)算中，不可避免地存在需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行截尾等處理，這也會(huì)影響最后的控制精度。PWM 信號(hào)頻率與功率開關(guān)的性能、開關(guān)損耗、微處理器的運(yùn)算能力等息息相關(guān)。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第一章　緒論　　　　　　　　　　　　　10AD 轉(zhuǎn)換器不可避免存在量化誤差，而這種量化誤差對系統(tǒng)來說是一個(gè)不利影響。3. 通用性強(qiáng)，可以在幾乎不改變硬件的情況下，通過修改軟件來實(shí)現(xiàn)不同的控制算法或提高系統(tǒng)的性能，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)品生產(chǎn)。除存在以上所述模擬控制的缺點(diǎn)外，專用芯片的控制不夠靈活，要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、先進(jìn)的控制算法很困難。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第一章　緒論　　　　　　　　　　　　　9　逆變器數(shù)字控制技術(shù)傳統(tǒng)的電源都是采用模擬控制系統(tǒng)，模擬控制經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)非常成熟。逆變系統(tǒng)中通過采樣輸出電感電流（如圖 1－10 所示，C u(s)、C i(s)分別為外環(huán)和內(nèi)環(huán)控制器）或電容電流和輸出電容電壓，將外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為內(nèi)環(huán)電流環(huán)的給定，通過調(diào)節(jié)電流使得輸出電壓跟蹤參考電壓值，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。C ( s ) G ( s )V r m sdV0Kf正弦信號(hào)圖 1－8 滯環(huán)控制框圖瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)反饋雙環(huán)控制框圖如圖 1－9 所示，內(nèi)環(huán)為瞬時(shí)值環(huán)，用來控制輸出電壓波形的正弦度，從而減小輸出電壓波形的畸變率。輸出電壓和參考正弦波電壓比較，誤差信號(hào)經(jīng)過控制器 C(s)，其輸出與滯環(huán)寬度相比較，輸出信號(hào)絕對值大于滯環(huán)寬度時(shí)，改變門極信號(hào)，這樣就可以使得輸出和參考給定在一定的誤差范圍內(nèi)。減小積分作用有利于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小超調(diào)量，但系統(tǒng)靜態(tài)誤差的消除會(huì)隨之變慢。逆變器的 PID 控制框圖如圖1－7 所示?；谒矔r(shí)控制是根據(jù)當(dāng)前誤差對輸出波形進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)控制，可以分為單閉環(huán) PID 控制 [8]，單閉環(huán)滯環(huán)控制 [9]，瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)控制，電壓電流雙閉環(huán)控制 [10][11][12]，無差拍控制 [13][14][15]，滑模控制 [16]等等。在重復(fù)控制中，補(bǔ)償量是記憶的，所以它不像傳統(tǒng) PID 控制是依靠當(dāng)前誤差狀態(tài)進(jìn)行控制，只要每個(gè)周期的擾動(dòng)出現(xiàn)在固定位置，重復(fù)控制就可以通過幾個(gè)周期的調(diào)整算出合適的補(bǔ)償量，能夠?qū)_動(dòng)量完全消除。P IV r m sr e fV0整流 濾波正弦信號(hào)逆變橋G ( s )Kf圖 1－5　有效值反饋控制框圖在數(shù)字控制系統(tǒng)中一種典型的基于周期控制方法就是重復(fù)控制 [4][5][6][7]。這種方法通過輸出電壓有效值與給定的電壓有效值的參考值比較，誤差信號(hào)經(jīng) PI 調(diào)節(jié)后與固定的正弦信號(hào)相乘的結(jié)果作為 SPWM 的調(diào)制信號(hào)。逆變電源的控制技術(shù)從總體上可以分為兩大類：基于周期的控制、基于瞬時(shí)的控制。逆變器控制技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了四個(gè)階段 [3]：1. 早期逆變橋采用階梯波形式輸出，主要通過功率電路的設(shè)計(jì)改善輸出電壓波形，如通過輸出變壓器的特殊設(shè)計(jì)提高輸出電壓波形的正弦度?！∧孀兤骺刂撇呗阅孀兤鞯目刂颇繕?biāo)是提高逆變器輸出電壓的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。在線互動(dòng)式 UPS 結(jié)構(gòu)如圖 1－4 所示。從主電路的結(jié)構(gòu)上可以把在線式 UPS 分為高頻鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)（高頻機(jī)）和帶工頻變壓器的工頻機(jī)。 濾 波 器逆 變 器充 電 器市 電 輸 入圖 1－2 后備式 UPS 結(jié)構(gòu)　在線式 UPS在線式 UPS 在市電正常時(shí)，通過整流器、逆變器向負(fù)載供電，同時(shí)向電池充電；在市電超出整流器允許范圍，或市電掉電時(shí)，由電池向逆變器供電。UPS 按其運(yùn)行方式，可以分成以下三種類型：后備式（Offline ）UPS、在線式（Online）UPS、在線互動(dòng)式（Lineinteractive）UPS。圖 1－1 為 UPS 的系統(tǒng)框圖，主要由三個(gè)部分組成：整流器（AC/DC） 、逆變器（ DC/AC） 、充電器（DC/DC ） 。但可控硅是一種沒有自關(guān)斷能力的器件，而逆變器是以直流電源為輸入能源，因此就必須給每只可控硅設(shè)計(jì)一套由電容和電感等元件組成的換向單元電路，這使得整個(gè)不間斷供電系統(tǒng)很龐大而且笨重。為了滿足有些部門，如：銀行結(jié)算中心和證券交易系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，電信和移動(dòng)電話通信系統(tǒng)，航空管理系統(tǒng)，大規(guī)模集成電路生產(chǎn)線及各種自動(dòng)生產(chǎn)流水線，醫(yī)用臨床系統(tǒng)，公路和鐵道調(diào)度和售票系統(tǒng)等對高質(zhì)量，高可靠電源系統(tǒng)的需求，近年發(fā)展起來的 UPS (Uninterruptible Power System) 不間斷電源系統(tǒng)正越來越廣泛地被選用。 DSP。最后給出了實(shí)驗(yàn)波形。電壓瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)保證輸出電壓波