【正文】 控制系統(tǒng)的各個部分進行了軟件設(shè)計，給出了相應(yīng)的軟件流程圖。高性能的逆變電源必須滿足：高輸入功率因數(shù)，低輸出阻抗；快速的暫態(tài)響應(yīng)，穩(wěn)態(tài)精度高；穩(wěn)定性高，效率高，可靠性高；完善的網(wǎng)絡(luò)功能；智能化；低的電磁干擾。 數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為信息社會的主流。 逆變器的現(xiàn)狀 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。由于 DSP使得芯片功能得到大大的加強，它特點在于采用并行體系的哈佛結(jié)構(gòu)，增強了數(shù)據(jù)吞吐能力；流水線減少了指令執(zhí)行時間；專用硬件乘法器；特殊 DSP指令；快速的指令執(zhí)行周期，最快的已經(jīng)達到 20ns以下，為通常微處理器芯片數(shù)據(jù)處理速度的十倍以上。由于正三角波或鋸齒波的上下寬度是線性變化的波形，因此它與調(diào)制波相交時，就可以得到一組幅值相等，而寬度正比于調(diào)制波函數(shù)值的矩形脈沖序列來等效調(diào)制波。尤其是最近幾年，微處理器用于實現(xiàn) PWM控制技術(shù)后，使得現(xiàn)代控制理論的控制方法能夠應(yīng)用于逆變器的 PWM控制，大大提高了現(xiàn)代逆變器的性能。但這里必須指出，軟開關(guān)并不是沒有損耗的，它只是把開關(guān)器件本身的一部分開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到了為實現(xiàn)軟開關(guān)而附加的諧振電路中的諧振元件上，總量上可能有所減少。 與數(shù)字化相適應(yīng)，各種各樣的逆變電源離散控制方法紛紛涌現(xiàn)，包括數(shù)字 PID控制 （ 比例 積分 微分 控制器 ） 、無差拍控制、數(shù)字滑變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，有力地推動逆變電源控制技術(shù)的發(fā)展。逆變系統(tǒng)的核心就是逆變開關(guān)電路，或者叫逆變電路，通過電力電子開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，完成逆變的功能。在同一直流電壓輸入情況下，全橋逆變電路輸出電壓是半橋逆變電路輸出電壓的二倍，故文中逆變電源逆變器部分采用全橋逆變電路。負載為阻感負載時，其輸出波形如圖。 圖 電壓型全橋逆變電路輸出波形 對其電壓波形進行定量分析，把幅值為 的矩形波 展開成傅立葉級數(shù)得： ∑ ( ) (式 ) 其中基波的幅值 和基波有效值 分別為 7 (式 ) √ 9 (式 ) 6 于是由逆變原理可知，如果控制 IGBT的開通與關(guān)斷的頻率，那么輸出電壓的頻率和 IGBT的開關(guān)頻率便存在一定的對應(yīng)關(guān)系：控制 IGBT的開通與關(guān)斷的占空比，那么輸出電壓的有效值也和 IGBT的開關(guān)占空比便存在一定的對應(yīng)關(guān)系，因此產(chǎn)生精確控制 IGBT開關(guān)驅(qū)動信號 SPWM便成為了本文研究的重點。沖量即是窄脈沖的面積。上述被稱為面積等效原理，它是7 PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。該圖中輸入直流電壓為 E， R代表逆變器的純電阻性負載。 (a) 單相橋式逆變原理 (b) 單相橋式逆變波形圖 圖 單相橋式逆變電路及其輸出波形 8 單相正弦逆變電源中，逆變器要把市電經(jīng)整流濾波后得到的直流電或者由蓄電池提供的直流電，重新轉(zhuǎn)化為頻率非常穩(wěn)定，穩(wěn)定電壓受負載影響小的，波形畸變因數(shù)滿足負載要求的交流正弦波。 用一個基波正弦波與一個三角載波相比較，由兩者的交點確定逆變器開關(guān)模式。 由此可知，自然采樣法得到的數(shù)學(xué)模型并不適合由微處理器實現(xiàn)實時控制。這樣，三角載波與階梯波水平線段的交點 A， B兩點就分別落在正弦調(diào)制波的上下兩邊，從而減少了以階梯波調(diào)制的誤差。 (3)不對稱規(guī)則采樣法是既在三角波的頂點位置，又在底點位置對正弦波進行采樣，由采樣值形成階梯波，階梯波與三角波的交點所確定的脈寬在一個三角波的周期內(nèi)的位置不對稱的采樣方法，其原理如圖 。不對稱規(guī)則采樣法的數(shù)學(xué)模型盡管略微復(fù)雜一些，但由于其階梯波更接近于正弦波，所以諧波分量的幅值更小，在實際中得到更多的使用。而 DSP以其時鐘頻率可達到 40MHz的優(yōu)勢，無疑解決了這個問題。設(shè)負載為阻感負載，工作時 和 的通斷狀態(tài)互補， 和 的通斷狀態(tài)也互補。在負載電流為負的區(qū)間，仍為 和 導(dǎo)通時，因 i0為負，故 i0實際上從 和 流過，仍有 Uo=Ud； 關(guān)斷， 開通后， i0從 和 續(xù)流， Uo=0。即當(dāng)輸出正半周時，輸出脈沖全為正極性脈沖；而當(dāng)輸出負半周時，輸出脈沖全為負極性脈沖。 單極性 SPWM 控制由于采用了單極性三角載波調(diào)制，從而使控制信號的發(fā)生變得較為復(fù)雜，因而很少采用。 當(dāng)正弦調(diào)制波信號瞬時值大于三角載波信號瞬時值時，比較器的輸出極性為正， 、 導(dǎo)通有效，而 、 關(guān)斷有效，即 、 導(dǎo)通或 、 續(xù)流導(dǎo)通；同時， ( )、 ( )關(guān)斷，此時，逆變器輸出為正極性的 SPWM電壓脈沖。另外，對于 m=2的情況，對同樣的調(diào)制深度 M，單極性調(diào)制 SPWM波的諧波幅值明顯比雙極性調(diào)制 SPWM波幅值小。當(dāng)負載為線性時效果還好。 TMS320LF2407A包括兩個事件管理模塊 EVA和 EVB，每個事件管理器模塊包括通用定時（ GP） 、比較單元、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路。 EV模塊是形成 SPWM波形的關(guān)鍵，本文采用的是 EVB產(chǎn)生 SPWM波形信號。它的工作方式有 4種 ： 停止 /保持模式、連續(xù)增計數(shù)模式、定向增 /減計數(shù)模式、連續(xù)增 /減計數(shù)模式。15 只要在每個三角波載波周期根據(jù)在線計算改寫比較寄存器 CMPRx的值，就可實時地改變脈沖的占空比，得到完整周期的 SPWM脈沖。定時器是事件管理器的核心模塊。在計數(shù)器計數(shù)的過程中，計數(shù)器的值都與比較寄存器 CMPRx(x=4， 5， 6)的值作比較，當(dāng)計數(shù)器的值與其相對應(yīng)的比較寄存器的值相等發(fā) 生匹配，則對應(yīng)的該相方波輸出發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)。 每個事件管理模塊有兩個通用可編程定時器（ GP）。 時間管理器（ EVA）模塊中有 3 個全比較單元（比較單元 1， 2 和 3），每個模塊的比較單元包括： 3 個 16 位的比較寄存器，他們各帶一個可讀 /寫的影子寄存器；一個可讀 /寫的比較控制寄存器；一個 16 位的比較方式控制寄存器； 6個比較 PWM（三態(tài)）輸出引腳；控制和中斷邏輯。 ACTRA 寄存器中的位可以分別確定在比較匹配是每個輸出為高有效觸發(fā)（如果沒有強制高與低）。俗呼出邏輯、死區(qū)單元和空間矢量 PWM單元可改變比較單元在比較模式下的輸出。 同 步 / 異 步波 形 發(fā) 生 器S V P W M 狀 態(tài) 機M U X死 區(qū)單 元D B T C O NA 死 區(qū) 定 時器 控 制 寄存 器A C T R A 全 比較 有 效 控 制寄 存 器輸 出邏 輯C O M C O N A [ 1 1 1 3 ] 比 較匹 配G P T 1 標 志A C T R A [ 1 2 1 5 ] C O M C O N A [ 1 2 ]P H x = 1 , 2 , 3C O M C O N A [ 9 ]P W M 1P W M 2D T P H xD T P H x _ 圖 PWM電路結(jié)構(gòu)框圖 18 DSP中斷及中斷向量 TMS320LF240x 系列 DSP 有豐富的中斷資源，其內(nèi)核提供一個不可屏蔽的中斷 NMI 和 6 個按優(yōu)先級獲得服務(wù)的可屏蔽中斷 INT1 至 INT6，采用集中化的中斷擴展設(shè)計來滿足大量的外設(shè)中斷需求 ， 即這 6個中斷級的每一個都可被很多外設(shè)中斷請求共享。在外設(shè)配置寄存器中，對每一個產(chǎn)生外設(shè)中斷請求的事件都有中斷使能位和中斷標志位。在 CPU 內(nèi)核，這些中斷標志在 CPU響應(yīng)中斷時自動清0。一個裝載周期內(nèi)，一次就必須裝載此采樣點各相對應(yīng)的正弦 值 ： CMPR CMPR CMPR6。由于相位差 120176。預(yù)先算出制成表格，存放于 ROM中，以便查找。因此，這種控制方法在一定程度上可認為是實時控制。為了獲得強的帶不平衡負載的能力，兩個串聯(lián)的電解電容必須足夠大，從而使逆變器體積和重量增加。 基于以上的比較分析，從經(jīng)濟角度出發(fā)，本系統(tǒng)的主電路拓撲采用全橋電路。 濾波電路采用電容濾波，將整流輸出的脈動電壓轉(zhuǎn)化為平直的直流電壓，同時直流母線中串有一個帶延時繼電器的大電阻，防止電路啟動瞬間充電電流過大 。 電源電路主要是由 TPS7333 構(gòu)成為 DSP 提供 +。隨著負載的加重 Ud在 ～ 之間。 9 54 57?? (式 ) 電流定額： ??p n ??i ?? 5 57 3 86A (式 ) 電壓耐量： r ???? 5 54 8 ?? (式 ) 其中 ???? ， ???? 分別為電流、電壓安全余量系數(shù)。整流后電壓脈動頻率為 f(三相全橋整流 f=300Hz)， 周期 T=1/f，則濾波電解電容的電容量為 ： C=(3～ 5)T/R。設(shè)計的濾波器如圖 所示 ， 圖中感抗 fLLX L ?? 2?? ， 其隨頻率的升高而增大 ； 容抗 )2/(1)/(1 fCCX c ?? ?? ， 其隨頻率的升高而減小。一般取濾波器的截止頻率 0)5~3( ffc ? ， 為了避免對某次諧波過度放大 ， 取 4 5 4 5 4 8 (式 ) 對電感 L和電容 C的取值按以下方法 ： 根據(jù)逆變器的輸出功率和輸出電壓求得負載阻 抗 ???? ， 濾波器的 標稱特 性阻抗R=(～ )RL， 取 ????? LRR ， 則 247。3 86 （ 式 ) 實際電路中 ， 取 L=， FC ?? 。 25 門 極 控 制門 極 驅(qū) 動欠 壓 保 護過 流 ,短 路 保 護過 熱 保 護I P M 智 能 模 塊+ 1 5 V 電 源控 制 信 號地+ 5 V 電 源F 0電 流 檢 測溫 度 檢 測 圖 IPM功能框圖 IPM 模塊的選擇 IPM 的特點是集功率變換、驅(qū)動與保護電路于一體，但是在實際的使用過程中，僅僅依靠其內(nèi)部集成的驅(qū)動裝置是不夠的，輸入控制信號與驅(qū)動輸出之間必須有良好的電氣隔離，驅(qū)動輸出直接連接 IPM 模塊，與強電相連。 圖 IPM外圍驅(qū)動電路 本文選擇了一種可以獲得高質(zhì)量 15V 電源。 F++ +1 1 3 4 0 0 V ( D C )26 司專門為其 IPM 配置的電壓轉(zhuǎn)換模塊?？刂菩盘栆话阌蓡纹瑱C或 DSP 輸出，為了避免強電對其干擾，兩者之間必須進行電氣隔離。但是， CPU與 IPM之間不能有直接的電氣連接，推薦使用高速光耦 HCPL4504作為輸入信號的隔離器件，對于故障輸出可用一般的光耦，如PC817或 TPL521。 DSP 控制電路的設(shè)計 DSP 芯片的特點與選取 DSP(數(shù)字信號處理 )利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對信號進行采集、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合入們需要的信號形式。 以 TMS320LF2407A 為核心的控制電路設(shè)計 (1)TMS320LF2407A 芯片介紹 DSP(數(shù)字信號處理器 )是 70 年代末， 80 年代初發(fā)展起來的以數(shù)字信號來處理大量信息的器件，是一種特別適合于實 現(xiàn)各種數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應(yīng)用特點是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。 (2)TMS320LF2407A的最小系統(tǒng)的設(shè)計 28 一般情況下，與單片機系統(tǒng)設(shè)計類似， TMS32OLF2407A 有其最小系統(tǒng)，它的最小系統(tǒng)的設(shè)計框圖，如圖 。為了提高 DSP 芯片構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及保障 DSP芯片構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)的可靠復(fù)位，本文采用 MAX708 芯片進行復(fù)位。 ：在 MR 端接一個按鍵，接鍵另一端接地，則接鍵按下時，會產(chǎn)生一個低電平脈沖送到復(fù)位發(fā)生器中，從而產(chǎn)生 200ms 復(fù)位脈沖輸出。電源電路的選擇是系統(tǒng)設(shè)計的一個重要的部分，設(shè)計好壞對系統(tǒng)的影響最大。其主要參數(shù)如表 。 7333 輸出后的 10uF 和 的電容不輸入電壓 /V 輸出電壓 /V 輸出電流 /A 工作溫度 /℃ 5 max typ min 500 40~+125 30 能省略，否則得不到穩(wěn)定的 。因此必須對硬件電路采用如下抗干擾措施： (1)通過對控制電路的優(yōu)化設(shè)計，控制輸出電壓的紋波，使其盡量?。? (2)在設(shè)計 PCB板時，力求整體布局合理，同時使得生電路接線盡量的短，盡量降低地線阻抗； (3)數(shù)字電路和模擬電路分開，數(shù)字地和模擬地分別采用單點接地，盡量降低地線阻抗； (4)采樣電路與控制器的距離盡可能短，減少信號傳送過程中產(chǎn)生的干擾，同時，在 DSP芯片的 A/D轉(zhuǎn)換腳加上適當(dāng)?shù)臑V波電容，消除傳送過程干擾，并在 A/D轉(zhuǎn)換腳的入口與芯片工作電源和地之間接一穩(wěn)壓二極管，起鉗位、保護作用； (5)采用主電路濾波電感的電流作反饋電流，由于此電流直接反映了功率管上的電流，因此用其作反饋具有快速限流保護的功能，大大的提高了系統(tǒng)的可靠性 。使用 TMS320LF2407A外接 D/A轉(zhuǎn)換器可以輸出頻率較高的正弦波，