【正文】 所對(duì)應(yīng)的頻率為截止頻率 ， 。 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。 ?????? ?? NkMTt sUon ?s in12?????? ?? NkMTt sonU ?s in12?????? ?? NkMTt sUof f ?s in12oft ontNfTS 21?)sin( Nk ??安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 DSP 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)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(gè)行業(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)域應(yīng)用越來(lái)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(fù)載場(chǎng)合，其電路拓?fù)渲饕腥嗳珮蚴健⑷喟霕蚴?、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(qǐng)求 /應(yīng)答硬件邏輯和中斷服務(wù)程序軟件都是一個(gè)兩級(jí)的層次。 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(hào)、通用定時(shí)器 1和 3及他們的下溢和周期匹配信號(hào)、復(fù)位信號(hào)。 表 21事件管理模塊 EVA/EVB及其信號(hào)名稱 事件管理模塊 EVA模塊 信號(hào) EVB模塊 信號(hào) GP定時(shí)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(jì)數(shù)方向 外部時(shí)鐘 TDIRA TCLKINA 計(jì)數(shù)方向 外部時(shí)鐘 TDIRB. TCLKINB 資料來(lái)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(shí)用叢書(shū) ) 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(hào)。 Uo U U ?? ?? 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(diǎn)是開(kāi)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(kāi)關(guān)管開(kāi)通或關(guān)斷時(shí)，電壓跳動(dòng)幅度減小為雙極性調(diào)制SPWM的一半。即當(dāng)輸出正半周時(shí)，輸出脈沖全為正極性脈沖；而當(dāng)輸出負(fù)半周時(shí)，輸出脈沖全為負(fù)極性脈沖。不對(duì)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(shí)際中得到更多的使用。 自然采樣法原理如圖 26 所示，用一個(gè)基波正弦波與一個(gè)三角載波相比較，由兩者的交點(diǎn)確定逆變器開(kāi)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(kāi)關(guān)電源、 UPS、加熱電源等都是隔離式逆變電路。對(duì)于開(kāi)環(huán)控制的逆變系統(tǒng)，輸出量不用反饋到控制電路，而對(duì)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(shí)際使用中還存在許多待解決的問(wèn)題，例如：變換器開(kāi)關(guān)動(dòng)作對(duì)采樣的嚴(yán)重干擾；檢測(cè)的量化誤差導(dǎo)致控制精度顯著下降；高速運(yùn)行下數(shù)字化脈寬調(diào)制時(shí)間分辨率的下降；開(kāi)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(huì)上提出將無(wú)差拍控制應(yīng)用于逆變器控制 。用開(kāi)關(guān)量取代模擬量，并通過(guò)對(duì)逆變器開(kāi)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(wèn)題，逆變電源的控制仍然采用模擬電路進(jìn)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(jì)新型的逆變電源提供了更方便、更靈活、功能更強(qiáng)大的技術(shù)平臺(tái)。 數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為信息社會(huì)的主流。因?yàn)楫?dāng)調(diào)制波為正弦波時(shí)，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(zhǔn)確，系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)振蕩，空載時(shí)振蕩尤其嚴(yán)重。因此，逆變器的數(shù)字控制技術(shù)仍處于不斷改進(jìn)完善的過(guò)程中，仍然是逆變電源領(lǐng)域中的關(guān)鍵研究?jī)?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(lái)控制逆變開(kāi)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(shuō)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(jì) 10 圖 26中， 為三角波的周期， 為三角波的幅值，正弦波為 ,稱為采樣周期， , 及 為正弦波與三角波兩個(gè)相鄰交點(diǎn)的時(shí)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(diǎn)。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(duì)于 m=2的情況，對(duì)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(duì)本系統(tǒng)，就 EV中幾個(gè)重要組成部分進(jìn)行說(shuō)明。比較操作模式有比較寄存器（ COMCONx）決定，通用定時(shí)器 1的計(jì)數(shù)器不斷與比較寄存器的值進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)生匹配時(shí)，比較單元的兩個(gè)輸出將根據(jù)方式控制寄存器（ ACTRA）中的位進(jìn)行跳變。 在底層中斷，從幾個(gè)外設(shè)來(lái)的外設(shè)中斷請(qǐng)求（ PIRQ）在中斷控制器處相或產(chǎn)生一個(gè)到 CPU的中斷請(qǐng)求。由于相位差 120176。 三相全橋逆變器具有電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用功率器件少，功率開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn)，但為了 提高帶不平衡負(fù)載的能力，必須在其輸出端增加中點(diǎn)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(jì) 圖 32 整流濾波電路 (1)整流電路 本逆變電源設(shè)計(jì)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 ,最低次諧波頻率為 ，則 ,所以當(dāng) 時(shí) ,電感對(duì)基波信號(hào)2 /LdR U P???LCfLLX L ?? 2??)2/(1)/(1 fCCX c ?? ?? )/(1 CL ?? ?cf )2/(1 LCfc ?? 0fkf kc fff ???0 CL ?? /1??安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 的阻抗很小 ,電容對(duì)基波的分流很小 ,即濾波器允許基波信號(hào)通過(guò) ,而時(shí) ,電感對(duì)諧波信號(hào)阻抗很大 ,電容對(duì)諧波信號(hào)的分流很大 ,即濾波器不允許諧波信號(hào)通過(guò)負(fù)載。設(shè)計(jì)的濾波器如圖 33所示 ,圖中感抗 ,其隨頻率的升高而增大 ； 容抗 ,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 +。同時(shí)，通過(guò) M的改變，可在中斷服務(wù)中完成 CMPR值的在線計(jì)算和改寫(xiě)。 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(duì)稱，因此在一個(gè)裝載周期里面要裝載的值必須要有 120176。 DSP 通過(guò)中斷請(qǐng)求系統(tǒng)中的一個(gè)兩級(jí)中斷來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)可響應(yīng)的中斷個(gè)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(hào)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 : （ 211） 將（ 210）代入（ 29）得 （ 212） 將（ 211）代入（ 28）得 （ 213） 由于載波頻率 是恒定的，通過(guò)改變 N的值就可以改變輸出 SPWM波的頻率。下面對(duì)這幾種方法律簡(jiǎn)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(gè)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(shí)，其效果基本相同。 (5)逆變主電路 逆變主電路就是由逆變開(kāi)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(lái)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(diǎn)： (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(wèn)題存在導(dǎo)致逆變電源輸出性能下降，甚至導(dǎo)致輸出失敗； (4)產(chǎn)品升級(jí)換代困難，每一個(gè)新型逆變電源都要求重新設(shè)計(jì)、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(chǎng)。因此，對(duì)逆變電源的控制和逆變器進(jìn)行深入研究具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。 本文 采用美國(guó)德州儀器公司(TI)新近推出的一種 TMS320LF2407A 數(shù)字信號(hào)處理器，作為逆變電源中的核心控制部分進(jìn)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(shí)。 隨著大功率高頻全控開(kāi)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(tái)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(diǎn)是設(shè)計(jì)一個(gè)基于 DSP 控制的低成本、多功能、易維護(hù)、升級(jí)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 （ 24） 式 (24)中， 為調(diào)制度 ， (即為正弦波幅值與三角波幅值之比 ) 0 1, 的值越大 ,則輸出電壓越高； ω為正弦波角頻率，ω變化時(shí)， PWM脈沖序列基波頻率也隨之改變。三條正弦波相位差 ，即 : （ 214） 采用不對(duì)稱規(guī)則采樣法，則頂點(diǎn)采樣時(shí)有： （ 215） 不對(duì)稱規(guī)則采樣法由于在一個(gè)載波周期里采樣兩次正弦波數(shù)值，該采樣值能更加真實(shí)的反映實(shí)際的正弦波數(shù)值，其輸出電壓也高于對(duì)稱規(guī)則采樣法。 單極性 SPWM 控制方式指在 ur和 ??的交點(diǎn)時(shí)刻控制開(kāi)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(shí)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是每個(gè)輸出為高有效觸發(fā)（如果沒(méi)有強(qiáng)制高與低）。在外設(shè)配置寄存器中，對(duì)每一個(gè)產(chǎn)生外設(shè)中斷請(qǐng)求的事件都有中斷使能位和中斷標(biāo)志位。相當(dāng)于一周的 1/3，因此必須取載波比 N為 3的整數(shù)倍。 三相半橋逆變器雖然也有上述優(yōu)點(diǎn)，但其輸入直流電源電 壓 利用率較低， 而且相同輸出電 壓時(shí)功率開(kāi)關(guān)的電壓應(yīng)力較大。 輸入為頻率 50Hz、相電壓為 220V 的三相交流電，其輸出的直流電壓最大值為 ?? √6 45 ?? 539??。該濾波器可以滿足濾波要求。 輸出濾波電路的設(shè)計(jì) 圖 33 LC 濾波電路 采用 SPWM控制的逆變電路 ,輸出的 SPWM波中含有大量的高頻諧波 ,加上防止上下橋臂直通而設(shè)置的死區(qū)、晶體管開(kāi)關(guān)時(shí)間和功率器件參數(shù)差異等因素 ,輸出電壓中也含有一定的低次諧波 ,為了保證輸出波形諧波滿足要求 ,必須采用輸出濾波器。 控制電路由 DSP 構(gòu)成，產(chǎn)生 SPWM 信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)，同時(shí)接收逆變器的因?yàn)楣收袭a(chǎn)生的輸入信號(hào)，使 DSP 產(chǎn)生中斷，可靠的停止逆變器的工作 。 最后，根據(jù)頻率指令值 f，查表得相應(yīng)采樣周期 Ts和調(diào)制比 M值，并把 Ts值存入寄存器 T3PR，作為中斷定時(shí)周期。通過(guò)這些值，可計(jì)算出