【導(dǎo)讀】現(xiàn)代變頻電源以低功耗、高效率、電路簡潔等顯著優(yōu)點而備受青睞。正弦波，且頻率和幅度在一定范圍內(nèi)可調(diào)。隨著高性能DSP控制器的出現(xiàn)，逆變電。源的全數(shù)字化控制成為現(xiàn)實。數(shù)字控制系統(tǒng)具有集成度高、抗干擾能力強、控制靈?；睢⒖蓪崿F(xiàn)先進的控制算法和便于實時控制等優(yōu)點。采用DSP作為逆變器的控制核。心，可以用軟件很容易地實現(xiàn)靈活、準確的在線控制與全部故障檢測。文章首先對逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和控制。制方式，對重復(fù)控制逆變器的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差進行了分析。詳細論述了其單邊與雙邊SPWM的產(chǎn)生方法以及各自的控制方法。樣調(diào)理、驅(qū)動保護等，給出了各單元電路設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)軟件則重點闡述逆變器數(shù)。字正弦基準，實現(xiàn)逆變器邏輯控制功能，即對逆變器的保護、監(jiān)測進行控制等?？尚行院陀行?。其研究和分析的結(jié)果為逆變器的數(shù)字化控制的研究、完善和應(yīng)用。利用仿真工具軟件對所設(shè)計的電力電子設(shè)備進行仿真，有利于縮短產(chǎn)。品的設(shè)計時間，有于提高產(chǎn)品的可靠性。

　　

【正文】 s o u t D s o u tV V V V? ? ? ? （ 31） 只要電壓傳感器的輸出電壓幅值在 ~ 的范圍以內(nèi)，則輸入到 AD口的電壓在 0~，可滿足要求。 IR2113 的工作原理是：因為橋臂的下管可以直接驅(qū)動，所以當(dāng)下管導(dǎo)通時， vcc對 vb 上的電容 C122 進行充電直到等于 vcc 時二極管 D338 關(guān)斷，這樣當(dāng)上管的驅(qū)動輸入為高電平時時， vb 與 HO 連通，由 vb 和 Vs 的電位差來驅(qū)動上管；當(dāng)下一個時刻下管開通時，通過 D338 繼續(xù)通過二極管對 C122 進行充電，進入下一個開關(guān)周期。如此循環(huán)，就分別實現(xiàn)了上下管的交替驅(qū)動。在圖 36 中： I R 2 1 1 3D 3 3 8C 1 2 3C 1 0 4G N D _ AGND_AC 1 2 1+ 1 5 VC 1 2 2P W M 1P W M 2G N D _ DNPGNPSdow nG downSDDV CCVH I NS DL I NC O MH OL OSSV bsV 圖 36 IR2113 的外圍電路 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 （ 1） PWM PWM GND_D 是數(shù)字控制平臺傳送過來的驅(qū)動信號，也是 IR2113的輸入信號，其輸出信號 Gup、 Sup、 Gdown、 Sdown 分別為橋式電路單橋臂上的上管的門極、源極、下管的門極、源極； （ 2） VDD為信號電源，這里取 VCC/2。這是因為， IR2113 規(guī)定，只要輸入的電平高于 VDD 的 倍，則 IR2113 就認為輸入是高電平從而在相應(yīng)的輸出通道輸出高電平，否則 IR2113 就輸出低電平。因為 DSP板輸出的高電平是 5V，如果把 vDD 與vcc 直接連在一起，因為 5V小于 15V 的一半，這時候就不能準確地輸出高電平，所以通過兩個電阻對 vcc 分壓后連接到 vDD ，這樣只要高電平是高于 3V， IR2113 就認為輸入高電平，從而輸出高電平。根據(jù)以上原理，全橋電路用兩片 IR2113 就可以滿足驅(qū)動要求，簡化了電路。 數(shù)字控制的信號電源中，為了防止信號電源由于故障或者其它不可預(yù)料原因?qū)е螺敵鲞^壓而造成負載損壞，需要設(shè)置過壓保護系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^硬件，也可以通過軟件來實現(xiàn)保護功能，由于過壓對負載造成的損壞往往在一瞬間完成，因此，在過壓時，須能迅速關(guān)斷信號電源中的功率管，而軟件保護有一定的延時，所以一般通過硬件保護方式或者同時采 用兩種保護方式。本文的硬件保護電路如圖 37所示。 1 uF1 uF1 uF1 uF1 0K1 0KOR3276514832765148V C CV C CL M 3 11 L M 3 11V S O U TU1 U2V O U T O W E RV O U T O W E R 1 V O U T O W E R 2V O U T O W E R 1V O U T O W E R 2 圖 37 過壓保護電路 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 由于輸出電壓為交流電，過壓有正過壓和負過壓兩種，需要分別保護，使用兩個比較器，將輸出電壓和一正的過壓限定值和一負的過壓限定值都進行比較，當(dāng)輸出電壓大于正的過壓限定值或者輸出電壓小于負的過壓限定值時均封鎖 PWM信號。兩個比較器輸出信號經(jīng)過或門后連接到 DSP 的事件管理器的驅(qū)動保護引腳 PDPINT。封鎖 PWM 信號是通過 DSP 來實現(xiàn)的，該引腳可以由 DSP 內(nèi)部的硬件實現(xiàn)保護，無需借助相應(yīng)的中斷子程序。該 引 腳是低電平驅(qū)動的，在引腳未 屏蔽的狀態(tài)下，當(dāng)引腳上出現(xiàn)低電平時，硬件會立即將事件管理器的輸出置為高阻態(tài)，如果該低電平信號持續(xù)時間 ? 4個 CPU 時鐘周期，則即使沒有設(shè)置專門的保護子程序， DSP也會一直保持事件管理器輸出引腳的高阻態(tài)，從而實現(xiàn)保護。而同時，還會產(chǎn)生一中斷信息，對應(yīng)于 DSP 內(nèi)核的 INT2 級中斷，用戶可以再設(shè)置相應(yīng)的保護子程序，進行 2級保護。 干 擾設(shè)計 高頻 PWM所產(chǎn)生的電磁干擾非常嚴重，檢測和控制電路容易受到 干 擾而產(chǎn)生誤判斷和誤動作。在本系統(tǒng)中，以 DSP 為核心的數(shù)字電路容易受到主功率電路的強電磁干擾，這些干擾主要表現(xiàn)在地線上的共模干擾，容易導(dǎo)致程序跑飛和系統(tǒng)自動復(fù)位。本系統(tǒng)采取了以下主要抗干擾措施，取得較好效果。 (1)對系統(tǒng)控制電源精心設(shè)計，使得輸出控制電壓紋波盡可能小 ； (2)在所有芯片的電源上都并接 的旁路電容 ； (3)在控制電路制板設(shè)計上力求布局合理，并采取敷設(shè)網(wǎng)格屏蔽地線的方式，以減小共模干擾 ； (4)數(shù)字地與模擬地采取一點接地的方式，降低接地線路的公共阻抗，避數(shù)字地線上的突變電流對模擬地的干擾 ； (5)在 DSP芯片的功率保護引腳 PDPINT 上并接 10uF的電容，防止因受干擾使得保護誤動作而封閉 PWM 輸出 ； (6)主電路接線盡量短，減小環(huán)路面積，減小線路漏感的作用。特別是直流輸入母線，要保證平波電容的工作效果 。 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 本章小結(jié) 本章首先就逆變電源整體結(jié)構(gòu)和工作原理作簡要說明，在此基礎(chǔ)上給出了主電路設(shè)計，并分析其工作原理 ； 詳細設(shè)計了逆變器控制系統(tǒng)硬件平臺，包括 主控模塊、采樣模塊、 驅(qū)動模塊、系統(tǒng)保護模塊等各單元電路的設(shè)計，并給出了硬件設(shè)計的抗干 擾性方法，重點分析了信號采樣及線性調(diào)理電路的原理及實現(xiàn)方法。 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 第 4 章 系統(tǒng)軟件實現(xiàn) DSP 系統(tǒng)軟件設(shè)計 控制算法的軟件化為逆變系統(tǒng)的控制策略的選擇與復(fù)用提供了方便。本章首先介紹系統(tǒng)軟件的任務(wù)并給出了有關(guān)程序模塊的實現(xiàn)原理與流程圖，以及系統(tǒng)軟件的任務(wù)結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為兩部分，一是上位機部分，二是 DSP 控制軟件部分。上位機可以實現(xiàn)下位機狀態(tài)的顯示和簡單的遠程控制，同時可以方便程序的調(diào)試。以 DSPTMS32OLF2407 為核心組成了逆變系統(tǒng)的控制電路， DSP 對控制電路各環(huán)節(jié)的工作進行管理協(xié)調(diào)合監(jiān)督，并參與大量的運算和處 理工作，這就決定了該系統(tǒng)的任務(wù)是很繁重的，它包括 : (1)系統(tǒng)初始化 ， 設(shè)定堆棧指針，變量初始化，事件管理器的初始化，通信模塊的初始化，顯示模塊的初始化，給重復(fù)控制器設(shè)定起始運行參數(shù)，各誤差項的清零，對存放電壓反饋值，采樣電流值，中間轉(zhuǎn)存單元的初始化，設(shè)置正 弦函數(shù)表的步長，正弦指針的初始位置，給可逆計數(shù)器送入起始控制字，設(shè)置軟件定時中斷。 (2)接受上位機的指令，并根據(jù)指令來對各個參數(shù)進行適當(dāng)?shù)母?。同時向上位機發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)。 (3)實時采樣輸出的電壓值，并獲得相應(yīng)的正弦給定，通過適當(dāng)?shù)倪\算以獲實 時的誤差， 并實時的更新誤差向量。 (4)根據(jù)實時的電流電壓等值，實時更新液晶顯示部分。 (5)在線計算 90360 的正弦函數(shù)值。 (6)根據(jù)重復(fù)控制算法得到的控制量，得到相應(yīng)的控制 PWM 脈寬輸出。 (7)如果有故障發(fā)生， DSP 立即啟動系統(tǒng)的軟件保護。 上面說明了系統(tǒng)軟件需要完成的任務(wù)，如此多的任務(wù)要由 DSP通過執(zhí)行相應(yīng)的程序來完成，其工作量無疑是很大的。逆變系統(tǒng)的控制屬于快速性要求極高的控制范疇。系統(tǒng)受控的狀態(tài)量的變化是很快的，這就要求系統(tǒng)的采樣周期應(yīng)該盡可能短，以便對被控制量進行及時的控制。也就是說，逆變系統(tǒng)的控制 具有很高的實時性要求。因此在設(shè)計和編制系統(tǒng)軟件時，應(yīng)該巧妙安排各種模塊的結(jié)構(gòu)和相互間的時序配合，以及中斷的優(yōu)先級設(shè)置，以滿足系統(tǒng)的實時性要求。 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖 下位機 DSP控制軟件是整個控制系統(tǒng)中的核心部分。在下位機程序設(shè)計中，考慮到重復(fù)控制器以及濾波器的相關(guān)參數(shù)的不精確性，設(shè)計通過上位機來修改重復(fù)控制器的各個運行參數(shù) 。 DSP接受來自上位機的命令，并向上位機反饋相關(guān)的運行狀態(tài)和參數(shù)。逆變控制系統(tǒng)的性能來自于重復(fù)控制器的各個參數(shù)的合理配置，可采用上下位機 的通訊來進行系統(tǒng)參數(shù)的修正，這種互動式的設(shè)計方 便調(diào)試和軟件修改，但這也增加了軟件的復(fù)雜性。 為了適應(yīng)多種逆變電源的控制，在軟件的設(shè)計上考慮到了軟件的復(fù)用性，整個軟件采用了模塊化的設(shè)計。由于硬件標準化的發(fā)展，軟件工作在一個控制系統(tǒng)中的所占有的比重越來越大，僅僅基于模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)仍難以適應(yīng)工業(yè)控制系統(tǒng)中軟件的巨大需求和迅猛發(fā)展。因此在軟件設(shè)計中充分體現(xiàn)所設(shè)計軟件的靈活性，重構(gòu)性，開發(fā)性。追求一種透明的軟件復(fù)用方式。下面對 DSP 的 控制軟件部分進行闡述。 初始化模塊 復(fù)位 禁止看門狗 設(shè)置時鐘模塊 設(shè)置事件管理 設(shè)置通訊模塊 握手成功？ 設(shè)置 AD 模塊 設(shè)置 I / O 模塊 初始化變量 中斷寄存器設(shè)置 開中斷 子程序循環(huán) NY 圖 41 系統(tǒng)初始化 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 初始化模塊的工作主要是對變量和 TMS32OLFF2407內(nèi)的片內(nèi)外設(shè)控制寄存器進行初始化，還有各個變量的初始化，同時和上位機進行 RS232 握手通訊以確保通訊線及上下位機的工作正常，初始化模塊的流程如圖 41 所示。 定時器中斷服務(wù)模塊 電流采樣，電壓采樣是在定時器 1的中斷中處理。定時器的中斷服務(wù)模塊的主要工作是通過片內(nèi) AD 轉(zhuǎn)換器采樣輸出電壓信號，作為系統(tǒng)實現(xiàn)重復(fù)控制的電壓反饋信號，還要處理與上位機的通信，以更新和修正重復(fù)控制器運行參數(shù)，通過重復(fù)控制算法，得到相應(yīng)的控制量，以控制 PWM 脈寬的調(diào)制。通 過 PWM模塊的計算獲得各個開關(guān)管的開關(guān)量與作用時間，發(fā)出 4路 PWM信號到驅(qū)動模塊作為系統(tǒng)對 IPM的控制信號。流程控制如圖 42 所示 ： 中斷 現(xiàn)場保護 設(shè)置 AD 寄存器 電壓采樣 調(diào)用電流采樣子程序 讀取正弦參考量誤差值 調(diào)用重復(fù)控制算法求重復(fù)控制器產(chǎn)生的控制量 疊加前饋正弦參考 指令控制器 調(diào)用二階數(shù)字濾波程序 查表獲得正弦值計 算S P W M 的控制量 調(diào)用脈寬限幅子程序 正弦表指針處理 恢復(fù)現(xiàn)場中斷返回 42 Tl 定時器中斷服務(wù)子程序 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 SPWM 信號的產(chǎn)生 事件管理模塊 利用芯片中的事件管理模塊 EV 可以實現(xiàn)三角波生成，基準正弦波發(fā) 及正弦脈寬調(diào)制波 SPWM產(chǎn)生等。先對事件管理模塊作一介紹。每個 240x 器件都包括兩個事件管理模塊 EVA 和 EVB，每個事件管理模塊包括通用定時器 (GP),比較單元、捕獲單元以 及正交編碼脈沖電路。 EVA和 EVB的定時器、比較單元以及捕獲單元的功能都相同，只是定時器和單元的名稱不同。 三角波載波的生成 利用事件管理模塊中的通用定時器 GP 產(chǎn)生三角波的步驟為 : (a)定時器計數(shù)器賦初值 ； (b)定時器周期寄存器賦值 。 這個值決定三角波的周期，即設(shè)三角波周期為 Ta。 DSP器件指令周期為 TS則有 Ta=2NTs，其中 N是 定時器周期寄存器的值。若三角波周期為 20kHz，即 Ta=50us， 而 TMS320LF2407 芯片的指令周期 Ts=25ns 則 N=Ta/2Ts=50us/2*25ns=1000，定時器周期寄存器值為 1000； 若三角波周期為 lOkHz，即 Ta=100us，則 N=Ta/2Ts=100us/2 *25ns=2020 定時器周期寄存器里的值為 2020； 由事件管理模塊產(chǎn)生 SPWM的原理可知，比較單元的比較寄存器里的值不能大于定時器周期寄存器的值，即若三角波周期為 20kHz，則比較寄存器裝載的值 ? 1000； 若三角波周期為 10kHz，則比較寄存器裝載的值 ? 2020。而 后面會提到，要生成 SPWM 波形，比較寄存器所要裝載的值應(yīng)是從基準正弦表中查到的值，由此，正弦表中值也不能大于定時器周期寄存器中的值。由后面基準正弦表的制作可知，為了提高正弦表中相鄰值之間的分辨率，宜將正弦表的最大值設(shè)置的盡量大，因此，用 DSP方法實現(xiàn)逆變的控制時，載波三角波的頻率選為 ，此做法可以使逆變電源得到良好的輸出正弦電壓波形。 基準正弦信號生成 在本系統(tǒng)中正弦基準信號是通過一個正弦數(shù)據(jù)表格實現(xiàn)的，即在 0 360oo? 的正黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 弦值中采樣 K個 點，將該 K個值存放在存儲器中以供調(diào)用。數(shù)據(jù)表格中數(shù)據(jù)的點數(shù)K是需要事先確定的。確定數(shù)據(jù)點數(shù)的依據(jù)主要是開關(guān)頻率，本系統(tǒng)中功率開關(guān)管的開關(guān)頻率為 25kHz，由于信號電源輸出頻率最低值為 25Hz，那么，正弦數(shù)據(jù)表格中數(shù)據(jù)點數(shù) K至少必須是 :K=25000/25=100