【正文】 )/(1 CL ?? ? 所對應(yīng)的頻率為截止頻率 cf ， )2/(1 LCfc ?? 。 IPM 所需的 +15V電源由三菱公司專門配置的 M57120L 和 M5714001 配合產(chǎn)生。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 22 DSP 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與研究 三相逆變電源主電路結(jié)構(gòu)的比較分析 隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展和各個行業(yè)對電氣設(shè)備控制性能要求的提高，逆變技術(shù)在許多領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，作為逆變的一種重要形式，三相逆變器廣泛應(yīng)用于用電量大或三相四線制供電負載場合，其電路拓撲主要有三相全橋式、三相半橋式、三相四橋臀式和組合式等結(jié)構(gòu)。的相位差。因此， DSP 的中斷請求 /應(yīng)答硬件邏輯和中斷服務(wù)程序軟件都是一個兩級的層次。 T z C N T G P T z 計 數(shù) 器比 較 邏 輯C M P R x 全 比 較寄 存 器P W M 電 路A C T R 全 比 較 有 效控 制 寄 存 器輸 出 邏 輯 圖 212 比較單元結(jié)構(gòu)框圖 比較輸入包括：控制寄存器的控制信號、通用定時器 1 和 3及他們的下溢和周期匹配信號、復(fù)位信號。 表 21事件管理模塊 EVA/EVB及其信號名稱 事件管理模塊 EVA模塊 信號 EVB模塊 信號 GP定時器 Timer1 Timer2 TlPWM/TlCMP T2PWM/T2CMP Timer 3 Timer 4 T3PWM/T3CMP T4PWM/T4CMP 比較單元 Compare 1 Compare 2 Compare 3 PWM1/2 PWM3/4 PWM5/6 Compare 4 Compare 5 Compare 6 PWM7/8 PWM9/l0 PWM11/12 捕獲單元 Capture 1 Capture 2 Capture 3 CAP 1 CAP 2 CAP 3 Capture 4 Capture 5 Capture 6 CAP 4 CAP 5 CAP 6 正交編碼 脈沖電路 (Q EP) OEP 1 QEP 2 QEP 1 QEP 2 QEP 3 QEP 4 QEP 3 QEP 4 外部輸入 計數(shù)方向 外部時鐘 TDIRA TCLKINA 計數(shù)方向 外部時鐘 TDIRB. TCLKINB 資料來源： 汪安民，張松燦，常春藤 [M].北京： 人民郵電出版社， (DSP技術(shù)實用叢書 ) 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。 ω ω Uo Ud Ud O O ???? ???? 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 15 圖 211 雙極性 SPWM 控制方式波形 單極性和雙極性調(diào)制比較 單極性調(diào)制 SPWM與雙極性調(diào)制 SPWM相比，載波為全三角波的單極性調(diào)制SPWM波形的優(yōu)點是開關(guān)頻率是載波頻率的兩倍似極性則相等，即有倍頻的作用，易于濾波，并且每次開關(guān)管開通或關(guān)斷時，電壓跳動幅度減小為雙極性調(diào)制SPWM的一半。即當輸出正半周時，輸出脈沖全為正極性脈沖；而當輸出負半周時，輸出脈沖全為負極性脈沖。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。 自然采樣法原理如圖 26 所示，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。沖量即是窄脈沖的面積。如變頻器、能量回饋等都是非隔離的，逆變焊接電源、通信基礎(chǔ)開關(guān)電源、 UPS、加熱電源等都是隔離式逆變電路。對于開環(huán)控制的逆變系統(tǒng)，輸出量不用反饋到控制電路，而對于閉環(huán)控制逆變系統(tǒng)，輸出量還要反饋到控制電路。 數(shù) 字控制 變換器在實際使用中還存在許多待解決的問題，例如：變換器開關(guān)動作對采樣的嚴重干擾；檢測的量化誤差導(dǎo)致控制精度顯著下降；高速運行下數(shù)字化脈寬調(diào)制時間分辨率的下降；開關(guān)功率變換器數(shù)字化的數(shù)學(xué)模型研究不夠深入等。 1985年， Gokhale在 PESC年會上提出將無差拍控制應(yīng)用于逆變器控制 。用開關(guān)量取代模擬量，并通過對逆變器開關(guān)管的通斷控制，把直流電變成交流電。但是由于微處理器的速度問題，逆變電源的控制仍然采用模擬電路進行。 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展， 逆變技術(shù)目前已朝著全數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。而作為專用的 DSP 的出現(xiàn)，更是為研究和設(shè)計新型的逆變電源提供了更方便、更靈活、功能更強大的技術(shù)平臺。 數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為信息社會的主流。因為當調(diào)制波為正弦波時，輸出矩形脈沖序列的脈沖寬度按正弦函數(shù)規(guī)律變化，因此，這種調(diào)制技術(shù)通常又稱為正弦脈寬調(diào)制 (SPWM)技術(shù) 。 此控制方法一旦系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化或系統(tǒng)模型建立不準確，系統(tǒng)將會出現(xiàn)振蕩，空載時振蕩尤其嚴重。因此，逆變器的數(shù)字控制技術(shù)仍處于不斷改進完善的過程中，仍然是逆變電源領(lǐng)域中的關(guān)鍵研究內(nèi)容。 (3)控制電路 控制電路的功能是按要求產(chǎn)生和調(diào)節(jié)一系列的控 制脈沖來控制逆變開關(guān)管的一導(dǎo)通和關(guān)斷，從而配合逆變電路完成逆變功能。隔離式逆變主電路還應(yīng)包括逆變變壓器。這里所說的效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。 圖 26 自然采樣法 （ a） （ b） 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 10 圖 26中， tT 為三角波的周期， rU 為三角波的幅值，正弦波為 tUc ?sin ,sT稱為采樣周期， 2/ts TT ? ,1t 及 2t 為正弦波與三角波兩個相鄰交點的時刻。 以上是單相 SPWM 波生成的數(shù)學(xué)模型，而這里我們要生成三相 SPWM 波，就必須使用三條 正弦波和同一條三角波求交點。因此，必須采用使三角載波極性與正弦調(diào)制波極性相同的所謂單極性三角載波調(diào)制。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。針對本系統(tǒng)，就 EV中幾個重要組成部分進行說明。比較操作模式有比較寄存器（ COMCONx）決定，通用定時器 1的計數(shù)器不斷與比較寄存器的值進行比較，當發(fā)生匹配時，比較單元的兩個輸出將根據(jù)方式控制寄存器（ ACTRA）中的位進行跳變。 在底層中斷，從幾個外設(shè)來的外設(shè)中斷請求（ PIRQ）在中斷控制器處相或產(chǎn)生一 個到 CPU 的中斷請求。由于相位差 120176。 三相全橋逆變器具有電路拓撲結(jié)構(gòu)簡單，所用功率器件少，功率開關(guān)電壓應(yīng)力低等優(yōu)點，但為了 提高帶不平衡負載的能力，必須在其輸出端增加中點形成變壓器，從而在一定程度上增加了逆變器的體積和重量。 整流、濾波電路的設(shè)計 圖 32 整流濾波電路 (1)整流電路 本逆變電源設(shè)計中的整流部分采用三相不可控整流電路，如圖 32 所示。設(shè)逆變器輸出電壓的基波頻率為 0f ,最低次諧波頻率為 kf ，則 kc fff ???0 ,所以當 CL ?? /1?? 時 ,電感對基波信號安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 25 的阻抗很小 ,電容對基波的分流很小 ,即濾波器允許基波信號通過 ,而CL ?? /1?? 時 ,電感對諧波信號阻抗很大 ,電容對諧波信號的分流很大 ,即濾波器不允許諧波信號通過負載。設(shè)計的濾波器如圖 33 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。 電源電路主要是由 TPS7333 構(gòu)成為 DSP 提供 + 電源。同時，通過 M的改變，可在中斷服務(wù)中完成 CMPR值的在線計算和改寫。 圖 214三相 SPWM控制波裝載示意圖 由于三相逆變器中要求三相輸出電壓對稱，因此在一個裝載周期里面要裝載的值必須要有 120176。 DSP 通過中斷請求系統(tǒng)中的一個兩級中斷來擴展系統(tǒng)可響應(yīng)的中斷個數(shù)。 其結(jié)構(gòu)如圖 212所示。如表 21所示，為事件管理模塊 EVA/EVB及其信號名稱。雙極性 SPWM 控制的調(diào)制及逆變器的輸出波形如圖 211所示。 單極性 SPWM 控制方式 所謂單極性 SPWM 控制是指逆變器的輸出脈沖具有單極性特征。 由三角波頻率 f1與正弦波頻率 f之比為載波 比 N，則有 :fTffN t11 ?? （ 211） 將（ 210）代入（ 29）得 NkkTfftt t ???? ??? 222 11 ? ?22,4,2,0 ?? Nk ? NkkTfftt t ???? ??? 222 22 ? ?12,5,3,1 ?? Nk ? （ 212） 將（ 211）代入（ 28）得 ?????? ?? NkMTt ton ?s in12 ? ?22,4,2,0 ?? Nk ? ?????? ??? NkMTt ton ?s in12 ? ?12,5,3,1 ?? N? （ 213） 由于載波頻率 tf 是恒定的，通過改變 N的值就可以改變輸出 SPWM波的頻率。下面對這幾種方法律簡要的分析： （ 1） 自然采樣法。 圖 23 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 （ 2）面積等效原理 在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論： 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。 (5)逆變主電路 逆變主電路就是由逆變開關(guān)器件等組成的變換電路，分為非隔離式和隔離式兩大類。對隔離式逆變器，在輸出電路的前面還有逆變變壓器。但是由于學(xué)習(xí)清況比較復(fù)雜，該方法目前僅限于實驗室階段。 1959年是由 Kalmal首先提出的。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。傳統(tǒng)的逆變電源采用模擬電路控制，但模擬控制存在許多固有的缺點： (1)因采用大量分散元件和電路板導(dǎo)致硬件 成本偏高，系統(tǒng)可靠性下降； (2)由于人工調(diào)試器件的存在，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低及控制系統(tǒng)一致性差； (3)器件老化及熱漂移問題存在導(dǎo)致逆變電源輸出性能下降，甚至導(dǎo)致輸出失?。? (4)產(chǎn)品升級換代困難，每一個新型逆變電源都要求重新設(shè)計、制造控制系統(tǒng)； (5)模擬控制的逆變電源監(jiān)控功能有限，一旦出現(xiàn)故障，要想恢復(fù)正常，技術(shù)人員必須親赴現(xiàn)場。因此，對逆變電源的控制和逆變器進行深入研究具有很大的現(xiàn)實意義。 本文 采用美國德州儀器公司(TI)新近推出的一種 TMS320LF2407A 數(shù)字信號處理器，作為逆變電源中的核心控制部分進行研究。隨著高性能的 DSP控制器的出現(xiàn)，逆變電源的全數(shù)字控制成為現(xiàn)實。 隨著大功率高頻全控開關(guān)器件大量出現(xiàn)，逆變器的 PWM控制技術(shù)受到了人們的高度重視并且得到了飛速的發(fā)展。 ③ 狀態(tài)反饋控制是由臺灣鄒應(yīng)嶼等人于 1944年提出的。 主要內(nèi)容和章節(jié)安排 本文的重點是設(shè)計一個基于 DSP 控制的低成本、多功能、易維護、升級方便的三相逆變電源系統(tǒng)。在逆變系統(tǒng)中，控制電路和逆變主電路同樣重要。非隔離式電壓變換電路形式有多種，是組成逆變 主電路的基本形式，用它們也可以組成各種隔離式逆交主電路。 如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。由圖25可知 ? ?1s in12 tMTt soff ??? ? ?1s in12 tMTt son ??? ? ?2s in12 tMTt son ???? ? ?2s in12 tMTstoff ???? （ 24） 式 (24)中， M 為調(diào)制度 ， rc UUM /? (即為正弦波幅值與三角波幅值之比 ) 0M 1,M 的值越大 ,則輸出電壓越高； ω為正弦波角頻率，ω變化時， PWM脈沖序列基波頻率也隨之改變。三條正弦波相位差 ?120 ，即 : ??????? NkuC ?sin ?????? ?? 32s in ??Nku B ?????? ?? 34s in ??Nku A （ 214） 采用不對稱規(guī)則采樣法，則頂點采樣時有： ?????? ???????? NkMTt tCon ?s in12 ?????? ?????? ??? 32s in12 ??NkMTt tBon ? ?22,4,2,0 ?? Nk ? ?????? ?????? ??? 34s in12 ??NkMTt tAon ? ?22,4,2,0 ?? Nk ? （ 215） 不對稱規(guī)則采樣法由于在一個載波周期里采樣兩次正弦波數(shù)值，該采樣值能更加真實的反映實際的正弦波數(shù)值，其輸出電壓也高于對稱規(guī)則采樣法。 單極性 SPWM 控制方式指在 ur和 的交點時刻控制開關(guān)器件的通斷。因此，單極性調(diào)制 SPWM波能更好的消除諧波。定時器是事件管理器的核心模塊。 ACTRA 寄存器中的位可以分別確定在比較匹配