【正文】 位論文　　　　　　　　　　　第二章　三相逆變器系統(tǒng)設(shè)計25全比 較定時器T 1比較 值C M P 2比較 值C M P 1比較 值C M P 3P W M 1P W M 2P W M 3P W M 4P W M 5P W M 6圖 213　DSP 中全比較功能框圖C M P 1 值P W M 1P W M 2P W M 3P W M 4P W M 5P W M 600 . 51P W M x( )00 . 51T 1 x( )C M P x( )C M P 2 值C M P 3 值計數(shù)器值圖 214　DSP 中 SPWM 波形的生成　數(shù)字鎖相的實現(xiàn) [22][23][24]由于在線式 UPS 需要進(jìn)行逆變器供電與電網(wǎng)供電之間的切換，為了避免在切換時出現(xiàn)環(huán)流，要求逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓同步。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，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，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，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。在模擬電路中鎖相環(huán)主要由鑒相器、濾波器、壓控振蕩器及分頻器四個部分組成，如 圖 215。同步信號和經(jīng)分頻器后的反饋信號輸入到鑒相器，鑒相器輸出的相位誤差信號經(jīng)過濾波后作為壓控振蕩器的輸入來改變振蕩器的輸出頻率和相位，從而實現(xiàn)輸入與輸出的同步。鑒相器R C 濾波壓控 振蕩器（V C O ）分頻器T i nT o u t圖 215　模擬電路中的鎖相環(huán)實現(xiàn)在數(shù)字控制的 UPS 中，逆變器輸出相位滯后和超前兩種情況下，數(shù)字鎖相實現(xiàn)的示意圖分別如 圖 21 圖 217 所示。在逆變器輸出相位滯后時，在第n－1 個周期檢測到逆變輸出滯后相位為 Td（時間）時，則改變第 n 個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 個周期時，逆變器輸出的相位便趕上了電網(wǎng)的相位，此時逆變器輸出周期跟蹤電網(wǎng)頻率，這樣就實現(xiàn)了同步。在逆變器輸出相位超前時，檢測到相位超前量 Ta 后，在下個周期改變逆變輸出頻率，使其由原來的 T 變?yōu)?T＋Ta，以實現(xiàn)同步。 T T TT dT T dL i n e _ p h a s eI n v e r t e r _ o u tC a p t u r e 1n 1 n n + 1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27圖 216　逆變器輸出相位滯后時，數(shù)字鎖相實現(xiàn)示意圖。T T TT aTT + T aL i n e _ p h a s eI n v e r t e r _ o u tC a p t u r e 1n 1 n n + 1圖 217　逆變器輸出相位超前時，數(shù)字鎖相實現(xiàn)示意圖。捕 獲單元 定 時器T 3T電網(wǎng)同步 信號軟件 I N V 輸出過 零檢測T 3 計時相位 差信號電網(wǎng)周期 信號電網(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現(xiàn)的，如圖 218 所示。電網(wǎng)電壓經(jīng)過過零檢測電路變成方波信號，DSP 的捕獲單元在電網(wǎng)同步信號的每個上升沿到來時，把定時器的計數(shù)值讀到存貯器中，然后在軟件上把計數(shù)器的值重新歸零，為下一周期計數(shù)做準(zhǔn)備。這樣捕獲到的計數(shù)器的值，就是電網(wǎng)頻率的周期。另外在檢測到逆變器輸出電壓過零時，去讀取定時器的計數(shù)值，這個值就是逆變器與電網(wǎng)之間的電壓相位差。如果這個值小于半個周期，則逆變器電壓相位滯后。反之，則逆變器電壓相位超前。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28可以分別見 圖 216 和 圖 217。在模擬鎖相電路中，鑒相器的輸出代表了相位與頻率兩種誤差，只有在給定輸入與反饋輸入信號頻率相等時，鑒相器輸出的才僅僅是相位誤差。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。與模擬鎖相相似，數(shù)字鎖相（DPLL）也必須對頻率和相位分別加以修正，才能達(dá)到鎖相的目的。在不考慮濾波作用時，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。式 26 表示用上一周期電網(wǎng)電壓的頻率（周期）來作該周期逆變器參考正弦波的頻率（周期） 。考慮 圖 219 的 RC 低通濾波器時，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)， ， 為時間常數(shù)， 為采樣周期。)ST???RC???ST　　　 ()Yn、 1)?為本次和前次濾波值?！　　?X為本次采樣輸入值。在數(shù)字鎖相中，將 0()T作為濾波器的輸入， ()Tn?作為濾波器的輸出，按式 27 可得：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290()(1)()TnAATn???????　　　　　　　　　　　　　　式 28在數(shù)字鎖相的算式中，僅考慮對頻率修正是不夠的，因為一旦同步信號的頻率發(fā)生變化，必然會產(chǎn)生相位誤差。數(shù)字鎖相中，在調(diào)整頻率時，也必須調(diào)整相位。如果一開始就不修正相位，而僅僅按式 28 修正頻率，將 ()Tn?作為逆變器參考正弦波的周期，則無法調(diào)整相位差，這也屬于相位沒有鎖定?？紤]頻率和相位同時修正時，數(shù)字鎖相的計算公式為：()()TnBn?????　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式 29式中 為相位修正系數(shù)， 。01B?根據(jù)式 28 和式 29 即可得數(shù)字鎖相的計算公式：　　 　　　　　　　 　　式 2100()(1)()()nAATn???????式中　　 0T為捕獲單元捕獲到的電網(wǎng)電壓周期?！　　　??為頻率修正后的周期?！　　　?為頻率修正、相位修正后的周期（數(shù)字鎖相環(huán)的輸出頻率，也就是逆變器參考正　　　　弦波的周期）　　　　 ?為逆變器與電網(wǎng)電壓之間的相位差?！　　　?為低通濾波器的濾波參數(shù)。A　　　　 為相位修正系數(shù)。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。1 A++Z 1AB()z?()Tz?0()Tz ()Tz圖 220　數(shù)字鎖相的狀態(tài)變量圖由此可以畫出數(shù)字同步鎖相控制框圖，如 圖 221 所示。在電網(wǎng)正常時，如果電網(wǎng)頻率滿足精度要求，則同步信號選電網(wǎng)的過零信號為同步信號，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30自振蕩的基準(zhǔn)頻率信號為同步信號。同步信號與逆變器輸出的過零信號，一方面進(jìn)行頻率修正，另一方面檢測出兩個信號的相位差。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。電網(wǎng)電壓過零檢 測基準(zhǔn)頻 率（ 5 0 / 6 0 H z )同步信號選擇逆變輸出電壓過零檢 測頻率修正（式2 4 )檢測相位差相位修正（式2 5 )逆變 器基準(zhǔn)正弦 波發(fā)生V n e tV i n vT n e tT s t aT i n vT 0 ?T?T圖 221　數(shù)字同步鎖相控制框圖在本課題中，RC 濾波的時間常數(shù)取為同步信號周期（電網(wǎng)周期）的 7 倍，相位補償系數(shù)取為 。數(shù)字鎖相環(huán)的具體參數(shù)如 表 21 所示。表 21　數(shù)字鎖相環(huán)的參數(shù)離散方程 程序定標(biāo)后（Q15）A 1－A B A 1－A B 28672 4095 8191圖 222 和 圖 223 給出的是在相位鎖定前與相位鎖定后電網(wǎng)電壓與逆變電壓實驗波形。在相位鎖定后，電網(wǎng)電壓與逆變電壓的過零點在 100181。S 之內(nèi)。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31t 1電 網(wǎng)電壓逆 變電壓圖 222　t1 時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。DSP 與上位機(jī)之間通過 RS485 進(jìn)行通訊，系統(tǒng)的框圖如 圖 224 所示。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32停止位：1 位奇偶校驗：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。D S PR S 接口R S 4 8 5 接口電路R S 4 8 5 接口電路aabbM C UR S 接口L C D 顯 示 電 路鍵盤操作電路圖 224　DSP 與上位機(jī)之間通訊框圖開 始 L S B 2 3 4 5 6 7 M S B地址/數(shù) 據(jù) 位停止圖 225　串行通訊數(shù)據(jù)幀格式上位機(jī) MCU 的命令字有以下四種：開機(jī)命令、關(guān)機(jī)命令、傳送數(shù)據(jù)及狀態(tài)命令、參數(shù)設(shè)定命令。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 接到開機(jī)命令后，把收到的數(shù)據(jù)（逆變輸出電壓、旁路電壓及旁路頻率范圍）發(fā)回給上位機(jī)確認(rèn)，上位機(jī)核對無誤后才發(fā)確認(rèn)信號給DSP，DSP 接到上位機(jī)的確認(rèn)后才進(jìn)行開機(jī)啟動操作。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。在 UPS 工作過程中，上位機(jī)不斷要求 DSP 傳送數(shù)據(jù)及狀態(tài)字，以進(jìn)行顯示等。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。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33參數(shù)設(shè)定主要包括：逆變器輸出電壓、旁路電壓及旁路頻率范圍。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)?！”菊滦〗Y(jié)本章，介紹三相逆變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，與 UPS 相關(guān)的同步及切換邏輯，并探討如何用 DSP 實現(xiàn)逆變器的 SPWM 控制、逆變器與旁路的數(shù)字鎖相及 DSP 與上位機(jī)的通訊。從而可以看出 TI 公司針對電機(jī)控制設(shè)計的 TMS320LF2022 系列DSP 非常適合于逆變器數(shù)字控制。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第三章　控制器設(shè)計34第三章 控制器設(shè)計　被控對象模型在第二章 節(jié)所介紹的三相半橋式逆變系統(tǒng)中，由于三相半橋電路的每一相都是獨立的，相互之間不存在耦合關(guān)系，因而可以把三相逆變器看成是三個輸出電壓相位互差 120186。 的單相半橋逆變器組合在一起。所以在分析被控對象模型時，可以以單相半橋式電路來分析。單相半橋式電路如 圖 31 所示。圖中EE2 表示正負(fù)直流母線電壓；SS2 為半導(dǎo)體開關(guān)器件；L 為輸出 LC 濾波器的濾波電感，r 為其等效串聯(lián)電阻，C 為 LC 濾波器的濾波電容； R 為負(fù)載。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。由于開關(guān)是不連續(xù)狀態(tài)，分析時我們采用狀態(tài)空間平均法建立連續(xù)的狀態(tài)平均模型來分析。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，在一個開關(guān)周期內(nèi)，用變量的平均值代替其瞬時值，從而得到連續(xù)狀態(tài)空間平均模型 [25]。E 1E 2baLrCRS 1S 2 +Vi( s )V o ( s )圖 31　單相半橋式電路將電感 L 用 代替，電容 C 用 代替，可以推出輸出電壓 和 a，bss()Us兩點電壓 之間的頻域傳遞函數(shù) 為：()iV()G浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第三章　控制器設(shè)計35 式 3121() 1()oi CsVsRGLrLrsrCsR?????當(dāng)忽略濾波電感的等效串聯(lián)電阻 時，式 31 可以簡化為：r 　 式 3221()GsLCsR??雙極性 SPWM 調(diào)制時， 可以表示為：iv 　 式 33(21)ivES??其中，S 為開關(guān)函數(shù)。當(dāng) S1（或 D1）導(dǎo)通時，S=1 ；當(dāng) S2（或 D2）導(dǎo)通時，S=0 ；顯然，由于開關(guān)函數(shù) S 的存在，式 33中 不連續(xù)。對式 33 求開關(guān)周期平均，iv得到：　　　　　式 3 4_(21)ivES???這里 表示 的開關(guān)周期平均值。而 S_iiv的開關(guān)周期