【正文】 個周期系統(tǒng)近似處于開環(huán)狀態(tài)，因此重復(fù)控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)較差，故重復(fù)控制一般和其他控制方式相結(jié)合，用來改善輸出電壓波形。其控制思想是假定前一周期出現(xiàn)的輸出電壓波形畸變將在下一周期的同一時刻再次出現(xiàn)，控制器根據(jù)參考信號和輸出電壓反饋信號的誤差來確定所需的校正信號，然后，在下一個基波周期將此校正信號疊加在原控制信號上，這樣就可以消除輸出電壓的周期性畸變。無差拍控制有極高的動態(tài)性能，輸出能夠很好地跟蹤給定值，但是其系統(tǒng)魯棒性不強(qiáng)，瞬態(tài)超調(diào)量較大，當(dāng)負(fù)載變化，非線性負(fù)載或者溫度、運(yùn)行條件等原因出現(xiàn)參數(shù)波動，都容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定或者輸出性能惡化。它根據(jù)逆變電源系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出反饋信號來計(jì)算逆變器的下一個采樣周期的脈沖寬度。隨著高性能處理器的出現(xiàn)和無差拍理論研究的深入，針對逆變電源的無差拍控制已經(jīng)廣泛開展起來。但是，數(shù)字PID控制算法應(yīng)用到逆變電源的控制中，不可避免的產(chǎn)生了一些局限性：一方面，系統(tǒng)的采樣量化誤差降低了算法的分辨率，使得PID調(diào)節(jié)器的精度變差；另一方面，采樣和計(jì)算延時使得被控系統(tǒng)成為一個具有純時間滯后系統(tǒng)，造成PID控制器的設(shè)計(jì)困難，穩(wěn)定性減小。逆變器采用模擬PID控制時，如果只是輸出電壓的瞬時值反饋，其動態(tài)性能和帶非線性負(fù)載時的性能不會令人滿意；如果是輸出濾波電感或輸出濾波電容的電流瞬時值引入反饋，其性能將得到較大改進(jìn)?？刂破盍坑山o定值與實(shí)際輸出量構(gòu)成。 逆變電源的控制策略PID控制PID控制以其結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、參數(shù)易于整定等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中。即使這時系統(tǒng)發(fā)生了變化，也只能在下一個開關(guān)周期對脈沖寬度做出調(diào)整。(2)逆變電源的輸出濾波器對系統(tǒng)的模型影響很大，輸入電壓的波動幅度和負(fù)載的性質(zhì)、大小的變化范圍往往比較大，這些都增加了控制對象的復(fù)雜性，使得控制對象模型的高階性、不確定性、非線性顯著增加。在閉環(huán)控制下，給定信號與反饋信號的時間差就體現(xiàn)為明顯的相位差。目前的困難主要來自于：(1)逆變電源的輸出要跟蹤的是一個按正弦規(guī)律變化的給定信號。 可見，數(shù)字化是逆變電源發(fā)展的主要方向，然而，也存在著挑戰(zhàn)。本課題的主要研究目的是設(shè)計(jì)一種全數(shù)字化的正弦逆變電源，使其具有通用性、可編程、可組合及智能化等特點(diǎn)。系統(tǒng)采用電壓電流雙閉環(huán)PI控制，對整個逆變系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能都有很好的改善。正是由于其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和超強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，使得DSP能用軟件實(shí)現(xiàn)以前需用硬件才能實(shí)現(xiàn)的功能，也同樣使數(shù)字信號處理中的一些理論和算法可以實(shí)時實(shí)現(xiàn)。 本文的研究目的及內(nèi)容隨著數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)的成熟和普遍，新一代的數(shù)字信號處理器(DSP)采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作，即程序、數(shù)據(jù)存儲器彼此相互獨(dú)立，在每一時鐘周期中能完成取指、譯碼、讀數(shù)據(jù)以及執(zhí)行指令等多個操作從而大大減少指令執(zhí)行周期。今后電源技術(shù)將朝著高效率、高功率因數(shù)和高可靠性方向發(fā)展，并不斷實(shí)現(xiàn)低諧波污染、低環(huán)境污染、低電磁干擾和小型化、輕量化。提高功率因數(shù)的傳統(tǒng)方法是采用無源功率因數(shù)校正技術(shù)，目前較先進(jìn)的方法是：單相輸入的采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)，三相輸入的采用SPWM高頻整流提高功率因數(shù)。為了使電源系統(tǒng)綠色化，電源應(yīng)加裝高效濾波器，還應(yīng)在電網(wǎng)輸入端采用功率因數(shù)校正技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)。隨著各種政策法規(guī)的出臺，對無污染的綠色電源的呼聲越來越高?，F(xiàn)在數(shù)字式信號，數(shù)字電路越來越重要，數(shù)字信號處理技術(shù)日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn)：便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號的畸變失真、提高系統(tǒng)抗干擾能力、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào)、也便于自診斷，容錯等技術(shù)的植入，同時也為電源的并聯(lián)技術(shù)發(fā)展提供了方便。這樣，不但提高了功率容量，在器件容量有限的情況下滿足了大電流輸出的要求，而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊，極大的提高系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的正常工作，而且為電源修復(fù)提供充分的時間。有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM)，它把一臺整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低，提高了系統(tǒng)的可靠性。我們常見的器件模塊，含有一單元，兩單元，六單元直至七單元，包括開關(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管，實(shí)質(zhì)上都屬于“標(biāo)準(zhǔn)”功率模塊(SPM)。(2)模塊化。所以當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20KHZ，提高400倍的話，用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計(jì)的5～10％，其主要材料可以節(jié)約90％甚至更高，還可以節(jié)電30％甚至更多。近年來，現(xiàn)代逆變電源技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)出以下幾種趨勢：(1)高頻化。許多行業(yè)的用電設(shè)備都不是直接使用電網(wǎng)提供的交流電作為電源，而是通過各種形式對電網(wǎng)交流電進(jìn)行交換，從而得到各自所需要的電能形式。1969年誕生的逆變電源可靠性高、穩(wěn)定性好、調(diào)節(jié)特性優(yōu)良、而且體積小、重量輕、功耗低，在電子和電氣領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用。隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，具有較快的動、靜態(tài)響應(yīng)特性數(shù)字PID算法獲得應(yīng)用。在正弦波逆變電源數(shù)字化控制方法中，目前國內(nèi)外研究得比較多的主要有數(shù)字PID控制、無差拍控制、雙環(huán)反饋控制、重復(fù)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。目前隨著工業(yè)用的高速數(shù)字信號處理器(DSP)的發(fā)展，正弦波逆變器的控制技術(shù)方案也由傳統(tǒng)的模擬控制向現(xiàn)代數(shù)字化控制的方向發(fā)展。這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是原理簡單，通用性強(qiáng)，控制和調(diào)節(jié)性能好，具有消除諧波、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的多種作用，是一種比較好的波形改善法。本文主要討論正弦波逆變器，因此主要討論SPWM正弦脈寬調(diào)制法。根據(jù)形成PWM波原理的不同，大致可以分為以下幾種：矩形波PWM、正弦波PWM(SPWM)、空間相量PWM(SVM)、特定諧波消除PWM、電流滯環(huán)PWM等。目前采用較多的是脈寬調(diào)制技術(shù)即PWM控制技術(shù)，即利用控制輸出電壓的脈沖寬度，將直流電壓調(diào)制成等幅寬度可變的系列交流輸出電壓脈沖，來控制輸出電壓的有效值、控制輸出電壓諧波的分布和抑制諧波?？梢詫⑵湔芍绷?，然后再逆變成比較穩(wěn)定的交流，就能安全的并到交流電網(wǎng)上或直接供給用電設(shè)備。首先把交流電整流成高壓直流電，再進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送，然后再逆變成交流電供給用電設(shè)備。(3)交流電動機(jī)變頻調(diào)速采用逆變技術(shù)將普通交流電網(wǎng)電壓變化成電壓、頻率都可調(diào)的交流電，供給交流電動機(jī)，以便調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。UPS的主要構(gòu)件有充電器和逆變器。太陽能光伏發(fā)電就是將由太陽電池陣列產(chǎn)生的直流電，通過逆變電路變換為交流電供給負(fù)載或并入電網(wǎng)，供用戶使用。下面列舉的是其幾個方面的主要應(yīng)用。這門學(xué)科綜合了現(xiàn)代電力電子開關(guān)器件技術(shù)、現(xiàn)代功率變換技術(shù)、模擬和數(shù)字電子技術(shù)、PWM技術(shù)、開關(guān)電源技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)等多種實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)，己被廣泛的用于工業(yè)和民用領(lǐng)域中的各種功率變換系統(tǒng)和裝置中。重點(diǎn)敘述了數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具體包括采樣電路，調(diào)理電路，驅(qū)動電路及保護(hù)電路。利用matlab和simulink仿真軟件建立了逆變器的仿真模型，用以驗(yàn)證控制方案的可行性和有效性。分析了正弦脈寬調(diào)制的原理及其幾種主要的調(diào)制方式，并通過比較說明了不同調(diào)制方式的優(yōu)缺點(diǎn)。此控制器具有硬件電路簡單、體積小、重量輕等特點(diǎn), 可滿足小功率應(yīng)用場合的需求。摘 要逆變器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個方面，數(shù)字控制具有方便實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法、抗干擾性強(qiáng)和產(chǎn)品容易升級換代等優(yōu)點(diǎn)，已成為未來逆變器的發(fā)展趨勢。本文采用TI公司的TMS320LF2407A的控制芯片，設(shè)計(jì)一種基于正弦脈寬調(diào)制的單相逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)。本文首先介紹了逆變電源的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。文中分析了逆變器的數(shù)學(xué)模型及PID數(shù)字控制技術(shù)的原理，結(jié)合單相逆變電源的特點(diǎn)提出了控制方法。在本文的最后一章，提出了硬件電路的設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞：逆變器；數(shù)字控制；PWM；DSP TMS320LF2407A.AbstractDC/AC inverter has been widely applied in the control has several advantages，it is easy to achieve plex arithmetic，upgrade and maintenance，and it is not susceptive of noise and the consistent manufacture performance is better,so the digital controlled inverters are the trend of the inverter in the future. The paper designs a digital control system of the single phase inverter based on sine width modulate with TI pany TMS320LF2407A control chips . This controller features simple in structure，small in volume，and light in weight,which can meet the needs in small power applications．In the first,the paper presents the current situation and development trends of the inverters analyses the principles of the sine width modulate and several major modulate methods，and through parison illustrates the advantages and disadvantages of different forms of modulate The article analyses the mathematical models of inverter and the principles of the PID digital control,then presents PI control methods based on the speciality of the single phase inverter simulation model is established by the simulation software of matlab and simulink, which is used to validate the feasibility of every control.In the last chapter,we drawed the total designing scheme of the DC/AC converter ,built the model of designed the main circuit and the controller of the inverter. The control system of the inverter included sampling circuit, conditioning circuit , driving circuit and protecting circuit .Keywords：Inverter ；Digital control；PWM；DSP TMS320LF2407A目 錄摘要 IAbstract II1 緒論 1 引言 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢 2 逆變電源研究的技術(shù)現(xiàn)狀 2 逆變電源技術(shù)研究的發(fā)展趨勢 3 本文的研究目的及內(nèi)容 4 逆變電源的控制策略 62 SPWM控制原理 10 PWM概述 10 PWM波形的基本原理 11 SPWM的調(diào)制方式 11 12 13 SPWM實(shí)現(xiàn)方式 14 比較器實(shí)現(xiàn)SPWM 14 專用集成電路實(shí)現(xiàn)SPWM 14 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)SPWM 14 DSP實(shí)現(xiàn)SPWM 143 逆變電路建模及主電路參數(shù)計(jì)算 16 單相全橋式逆變電路拓?fù)鋱D及等效電路 16 單相全橋逆變電路的數(shù)學(xué)模型 17 連續(xù)狀態(tài)空間模型 17 單相逆變器主電路設(shè)計(jì) 18 負(fù)載參數(shù)計(jì)算 18 輸出 LC 濾波器的設(shè)計(jì) 19 IGBT 模塊的選擇 194 控制策略及系統(tǒng)仿真 21 PID概述 21 數(shù)字PID控制 21 PID參數(shù)的整定原則 22 雙閉環(huán)控制的原理 235 硬件電路設(shè)計(jì) 27 控制芯片選擇 27 采樣與信號調(diào)理電路 29 IGBT驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 31 保護(hù)模塊設(shè)計(jì) 33 其他輔助電路 33 時鐘電路 33 復(fù)位電路 34 仿真器連接JTAG 35 故障保護(hù)單元 35 SCI接口電路 35 電磁兼容設(shè)計(jì) 35結(jié)束語 38致謝 39參考文獻(xiàn) 40附錄 421 緒 論逆變是對電能進(jìn)行變換和控制的一種基本形式，它完成將直流電變換成交流電的功能，現(xiàn)代逆變技術(shù)就是研究現(xiàn)代逆變電路的理論和應(yīng)用設(shè)計(jì)方法的學(xué)科。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各行各業(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)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。(1)光伏發(fā)電能源危機(jī)和環(huán)境污染是目前全世界面臨的重大問題，開發(fā)利用新能源和可再生能源是21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具決定性影響的技術(shù)之一，充分開發(fā)利用太陽能是世界各國可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策，其中光伏發(fā)電最受矚目。(2)不間斷電源系統(tǒng)在通信設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等對電源持續(xù)供電要求高的設(shè)備中都需要采用不間斷電源UPS。在電網(wǎng)有電時，充電器為蓄電池充電，負(fù)載由電網(wǎng)供電：在電網(wǎng)停電時，逆變器將蓄電池提供的直流電逆變成交流電供給用電設(shè)備。(4)直流輸電由于交流輸電架線復(fù)雜、損耗大、電磁波污染環(huán)境，所以直流輸電是一個發(fā)展方向。(5)風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)動機(jī)因受風(fēng)力變化的影響，發(fā)出的交流電很不穩(wěn)定，并網(wǎng)或供給用電設(shè)備都不安全。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢隨著逆變器控制技術(shù)的發(fā)展，電壓型逆變電源出現(xiàn)了許多的變壓、變頻控制方法。由于PWM技術(shù)可以迅速地