【正文】 率必須遠(yuǎn)小于輸出電壓中所含最低次諧波頻率，即開關(guān)頻率，又要遠(yuǎn)大于基波頻率，這樣可以消除逆變器輸出電壓中低于諧振頻率的大多數(shù)低次諧波。由 ，可以算出濾波電感： （） IGBT 模塊的選擇IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(絕緣柵雙極型晶體管)的縮寫，IGBT是MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小和開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點(diǎn)，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。正因?yàn)镮GBT有這許多的優(yōu)點(diǎn)，常常應(yīng)用于大功率逆變器場(chǎng)合。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極—發(fā)射極間施加十幾V的直流電壓，只有在uA級(jí)的漏電流流過，基本上不消耗功率。其相互關(guān)系見下表。同時(shí)，開關(guān)損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用IGBT模塊時(shí)額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。已知額定視在功率為10KVA，額定輸出電壓110V,可計(jì)算得額定輸出電流：Io = 10000/110 =。4 控制策略及系統(tǒng)仿真 PID概述 PID算法蘊(yùn)含了動(dòng)態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在和將來的主要信息。微分(D)在信號(hào)變化時(shí)有超前控制的作用，代表了將來的信息。也即抑制偏差向任意方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。積分(I)代表了過去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。因此設(shè)計(jì)好的PID控制器的關(guān)鍵是找到最優(yōu)的三個(gè)參數(shù)。然而，由于采樣和計(jì)算延遲等因素的影響，數(shù)字PID控制直接應(yīng)用到逆變電源控制系統(tǒng)中，存在穩(wěn)定性差以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)不夠快等缺點(diǎn)。寫成傳遞函數(shù)的形式： （）以和式代替積分，以增量代替微分，將式上式離散化，得到： （）其中，T為采樣周期；令積分系數(shù),微分系數(shù)，有： ()數(shù)字PID控制器的Z傳遞函數(shù)為： ()： 數(shù)字PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于其中包含誤差的累加，所以每次輸出均與原來的位置量有關(guān)，計(jì)算工作量加大，計(jì)算機(jī)的任何故障都會(huì)引起輸出的大幅度變化，對(duì)控制不利。 ()增量式PID算法的優(yōu)點(diǎn)是：由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作影響??；易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)無擾動(dòng)切換；不產(chǎn)生積分失控，所以容易獲得較好的調(diào)節(jié)效果。 PID參數(shù)的整定原則如何確定控制器參數(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)具有滿意的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)重要步驟。即將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到得到反快，超調(diào)小的響應(yīng)曲線。(2)如果在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。在此過程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)與積分時(shí)間，以期得到滿意的控制過程與整定參數(shù)。在整定時(shí)，可先置微分時(shí)間設(shè)為零。該系統(tǒng)主要是以穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性為主，對(duì)快速性的要求不高，所以采用PI調(diào)節(jié)器，去掉了微分環(huán)節(jié)。宜采用P調(diào)節(jié)器或采用微分作用很小的PD調(diào)節(jié)器，不宜采用具有滯后效應(yīng)的積分運(yùn)算。開始時(shí)，把參數(shù)正設(shè)的大一些，然后反復(fù)調(diào)整Kp和Ti?？梢栽偌尤胛⒎终{(diào)節(jié)器。 雙閉環(huán)控制的原理通過對(duì)單相逆變電源系統(tǒng)的研究分析，為使單相逆變電源系統(tǒng)獲得良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，更具有新的優(yōu)良性能，因而將各種控制方案相互取長補(bǔ)短、相互滲透、互濟(jì)優(yōu)勢(shì)，集成為復(fù)合控制器是一種趨勢(shì)所在。針對(duì)所建立的單相逆變器的數(shù)學(xué)模型和仿真模型，論文提出了新型單相逆變電源的雙閉環(huán)PI控制設(shè)計(jì)方案。早期逆變電源的控制，多為PID控制，單純采用輸出電壓進(jìn)行反饋，采用PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)控制系統(tǒng)的性能下降。為進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能，把輸出電感電流引入控制系統(tǒng)，和輸出電容電壓一起形成雙閉環(huán)控制。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)由于存在內(nèi)環(huán)回路，具有很多的特點(diǎn)。在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，外環(huán)回路是定值控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng)，外環(huán)調(diào)節(jié)器可以按照負(fù)荷變化相應(yīng)地調(diào)整內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的給定值，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍然具有較好的品質(zhì)，所以雙環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，可使逆變電源的輸出性能得到較大的改進(jìn)。因此以前開環(huán)控制只適用于對(duì)電能質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合，而對(duì)于用戶電能要求較高的場(chǎng)合，必須采用閉環(huán)控制策略來克服開環(huán)控制的局限性。 5 硬件電路設(shè)計(jì) 控制芯片選擇DSP(digital signal processor)是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來處理大量信息的器件。再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。輸出電壓和電流經(jīng)過采樣調(diào)理后送給DSP處理，DSP對(duì)采樣信號(hào)經(jīng)控制算法處理后輸出修正后的SPWM控制信號(hào)，使輸出電壓穩(wěn)定在所設(shè)定的期望值上。其中TEXASINSTRUMENTS(TI)公司的TMS320LF2407A數(shù)字信號(hào)處理器是一種為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的微控制器，它適用于電機(jī)控制、變頻調(diào)速及不間斷電源的控制。下列特性使其成為很多信號(hào)處理及控制應(yīng)用的理想選擇：(1)采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，減小了控制器的功耗；40MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮小到25ns，提高了實(shí)時(shí)控制能力。(3)兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)包括兩個(gè)16位通用定時(shí)器，8個(gè)16位的脈寬調(diào)制(PWM)通道。事件管理模塊適用于進(jìn)行電機(jī)控制和逆變器等功率場(chǎng)合控制。(5)十位A/D轉(zhuǎn)換器的最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns，可選擇兩個(gè)事件管理器來觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。(7)高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用I/0引腳和5個(gè)外部中斷。EVA和EVB是兩個(gè)相互獨(dú)立的事件管理器模塊，結(jié)構(gòu)功能完全相同，每個(gè)都有兩個(gè)通用定時(shí)器，三個(gè)比較單元，三個(gè)捕獲單元，兩路正交編碼脈沖電路QEP及記數(shù)方向和外部時(shí)鐘輸入。該系統(tǒng)從功能上可分為信號(hào)檢測(cè)及電平轉(zhuǎn)換部分, PWM波形輸出部分, 逆變電源保護(hù)控制電路部分, 液晶顯示及鍵盤陣列部分，JTAG通信接口部分, 實(shí)時(shí)時(shí)鐘等, 數(shù)據(jù)采集部分用來對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換, 輸出的波控制逆變器從而產(chǎn)生了輸出正弦波；液晶顯示和鍵盤陣列為人機(jī)信息交換硬件接口, 采用CPLD進(jìn)行鍵盤掃描，從而降低了主控制單元的任務(wù)處理量；增強(qiáng)了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性， 同時(shí)還完成了保護(hù)、故障信號(hào)的控制譯碼邏輯功能； 時(shí)鐘除可記錄系統(tǒng)時(shí)間外， 還可利用其片內(nèi)的用戶RAM來記錄、存儲(chǔ)故障信息及系統(tǒng)重要參數(shù)如運(yùn)行模式， 通信波特率， 本機(jī)通信地址等等。在TMS320LF2407A中, 和JTAG同時(shí)工作的還有一個(gè)分析模塊。通過結(jié)合TI的集成開發(fā)環(huán)境與接口給系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試提供了很大方便。 TMS320LF2407A的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊是一個(gè)帶內(nèi)置采樣保持的10位ADC模塊,具有多達(dá)個(gè)的模擬輸入通道, 且一次可同時(shí)執(zhí)行所有通道的自動(dòng)轉(zhuǎn)換, 也可通過編程選擇所使用通道, 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)存放在可單獨(dú)訪問的結(jié)果寄存器中, 該模塊靈活的中斷控制允許在每一個(gè)或每隔一個(gè)序列的結(jié)束時(shí)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求, 轉(zhuǎn)換器參考電壓為3V, 可接受單極性信號(hào)。因?yàn)槟孀兤髌鬏敵鲭娏骱懈叽沃C波成分因此檢測(cè)電路對(duì)互感器的性能有較高的要求。TMS320LF2407ADSP 片內(nèi)A/D 采樣的輸入電平范圍為0～，因此我們需要通過模擬采樣調(diào)理模塊，將采集量經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q，得到DSP 可以處理的0～ 以內(nèi)的信號(hào)。 系統(tǒng)電壓經(jīng)過相應(yīng)的傳感器后，統(tǒng)一變換為適當(dāng)幅值的電壓信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。第一部分是由LF353的運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器，以提高電路的輸入阻抗，R131和C101是為了抑制干擾，保證電路穩(wěn)定工作。第三部分是電壓跟隨器進(jìn)行跟隨。 設(shè)電壓傳感器的輸出電壓，調(diào)理電路的輸出電壓為，由上圖有： ()～+，則輸入到AD口的電壓在0～+，可滿足要求。 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)IGBT的驅(qū)動(dòng)條件與其特性密切相關(guān)。對(duì)驅(qū)動(dòng)電路總的要求包括以下方面：(1)IGBT是電壓驅(qū)動(dòng), , 有一個(gè)容性輸入阻抗。DSP芯片輸出的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力相當(dāng)弱, 必須先將此信號(hào)送入到驅(qū)動(dòng)電路,經(jīng)電氣隔離及放大后再去驅(qū)動(dòng)功率器件IGBT。這些驅(qū)動(dòng)電路各有特點(diǎn)，均可實(shí)現(xiàn)IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)，本文采用IR2130來進(jìn)行PWM波的驅(qū)動(dòng)。這些器件集成了特有的負(fù)電壓免疫電路，提高了系統(tǒng)耐用性和可靠性，有些器件不僅有過流、過溫檢測(cè)輸入等功能，還具有欠壓鎖定保護(hù)、集成死區(qū)時(shí)間保護(hù)、擊穿保護(hù)、關(guān)斷輸入、錯(cuò)誤診斷輸出等功能。開通緩沖電路用于限制開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的電流上升率di/dt,關(guān)斷緩沖電路用于限制開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的端電壓上升率du/dt,同時(shí)也限制導(dǎo)通時(shí)所引起的處在同一橋臂上的另一只開關(guān)管端電壓上升率du/dt, 而吸收電路上要抑制開關(guān)管兩端的電壓尖峰, 與關(guān)斷緩沖電路的形式有些相似。在逆變電源的工作過程中, 一旦發(fā)生輸出負(fù)載或輸出負(fù)載線路短路現(xiàn)象, 逆變電源應(yīng)立即進(jìn)行保護(hù)控制, 封鎖PWM脈沖, 關(guān)閉逆變器。電源過壓過流對(duì)開關(guān)電源造成的危害，主要表現(xiàn)在器件因承受的電壓超出正常使用范圍，電氣性能指標(biāo)被破壞而不能滿足要求。因此對(duì)輸入電源的上限和下限要有所限制。過流保護(hù)與過欠壓保護(hù)電路略有不同，IGBT在短時(shí)間內(nèi)有很強(qiáng)的過流能力，只有在IGBT出現(xiàn)長時(shí)間過流時(shí)，才要求保護(hù)電路動(dòng)作，但是還是因?yàn)镮R2130的保護(hù)功能才實(shí)現(xiàn)的。 其他輔助電路TMS320LF2407提供了兩個(gè)時(shí)鐘引腳XTAL1/CLKIN和XTAL2。 芯片內(nèi)部提供的片內(nèi)振蕩器，當(dāng)多個(gè)DSP要以同步時(shí)鐘工作時(shí)，只能采用該方式。圖中所畫的晶體振蕩器為頂視圖，2腳接GND，1腳懸空，3腳就是所需要的時(shí)鐘。 采用外部振蕩器的時(shí)鐘電路。當(dāng)系統(tǒng)剛接通電源時(shí)，復(fù)位電路應(yīng)處于低電平以使系統(tǒng)從一個(gè)初始狀態(tài)開始工作，這段低電平時(shí)間應(yīng)該大于系統(tǒng)的晶體振蕩器起振時(shí)間，以便避開振蕩器起振時(shí)的非線性特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。工作中復(fù)位則要求復(fù)位的低電平至少保持6個(gè)時(shí)鐘周期，以使芯片的初始化能夠正確的完成。能夠及其方便地提供硬件系統(tǒng)的在線仿真和測(cè)試。此端口由仿真器直接訪問，并提供仿真功能，為了與仿真器通信，用戶必須有14引腳的管座。為了保證功率主電路安全可靠工作，控制器必須能夠在檢測(cè)到短路或過電壓等現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)立即發(fā)出指令切斷電路。它在芯片內(nèi)部集成了保護(hù)電路，當(dāng)逆變器出現(xiàn)過壓或過流時(shí)，通過將該引腳電平拉低，產(chǎn)生不可屏蔽中斷，立即將所有PWM輸出口切斷，從而切斷電路，達(dá)到保護(hù)器件的目的。TMS320LF2407內(nèi)部包含了串行通信接口SCI模塊。SCI模塊的SCI接收器和發(fā)生器是雙緩沖的，每一個(gè)都有它自己?jiǎn)为?dú)的使能和中斷標(biāo)志。SCI模塊有兩個(gè)外部引腳SCIRXD、SCITXD分別用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。另外還有一個(gè)波特率發(fā)生器和SCI控制寄存器用于控制串行通訊的方式。這種干擾主要表現(xiàn)在地線上的共模干擾，他容易導(dǎo)致程序的跑飛和復(fù)位。模擬電路和數(shù)字電路的抗干擾能力是不同的。而數(shù)字電路的信號(hào)表示為高低電平的組合，高低電平都有一定的閥值，并且有一定回差，數(shù)字電平受到干擾而使其代表的數(shù)字邏輯發(fā)生翻轉(zhuǎn)所需的干擾要超過其閥值電壓。所以說數(shù)字電路的抗干擾能力比模擬電路強(qiáng)，但是數(shù)字電路一旦受到強(qiáng)干擾，后果是致命的。因此具有更高的可靠性和抗干擾能力。該機(jī)存在的大干擾，可能會(huì)導(dǎo)致DSP復(fù)位。(2)采樣電路與控制器的距離盡可能短，減少信號(hào)傳送產(chǎn)生的干擾，同時(shí)在DSP芯片的A/D轉(zhuǎn)換引腳加一個(gè)很小的濾波電容，消去傳送過程產(chǎn)生的干擾。(4)數(shù)字地與模擬地的連接為單點(diǎn)連接，避免數(shù)字電路地線上的突變電流給模擬地帶來干擾。(5)主電路的接線盡可能短，盡可能將幾根線絞起來，減少環(huán)路面積，這都能起到減少線路漏感的作用。(7)對(duì)于電源回路而言，尖峰電流將在電源內(nèi)阻上產(chǎn)生壓降，在公共傳輸線阻抗上產(chǎn)生壓降，使供電電壓跳動(dòng)，形成干擾源，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成低頻振蕩。(8)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中設(shè)置軟件陷阱和軟復(fù)位指令。對(duì)于程序中沒有用到的中斷，在其中斷入口設(shè)置假中斷，即一旦發(fā)生了不該發(fā)生的中斷，程序?qū)⑻良僦袛喑绦?，在假中斷放一條跳轉(zhuǎn)指令，程序跳轉(zhuǎn)到相當(dāng)于復(fù)位的地方繼續(xù)執(zhí)行?！翱撮T狗”是根據(jù)程序在運(yùn)行指定時(shí)間間隔內(nèi)未進(jìn)行相應(yīng)的操作，即未按時(shí)復(fù)位看門狗定時(shí)器，來判斷程序運(yùn)行出錯(cuò)的。這樣WATCHDOG就提供了一種使系統(tǒng)瞬時(shí)故障中自動(dòng)恢復(fù)的能力。結(jié)束語采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)技術(shù)的數(shù)字控制，可以充分發(fā)揮數(shù)字控制硬件電路簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制策略和系統(tǒng)監(jiān)控與在線升級(jí)。介紹了幾種逆變器的數(shù)字控制策略，并比較了幾種控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)。比較了幾種PWM波的生成方法，指出了他們各自的異同點(diǎn)。進(jìn)行了主電路的參數(shù)設(shè)計(jì)，以及開關(guān)器件IGBT的參數(shù)計(jì)算。得到了相應(yīng)的仿真波形，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)分析。首先是DSP芯片的選擇，本文采用的是TI公司的TMS320 LF2407ADSP芯片。最后簡(jiǎn)要介紹了其它輔助模塊的相關(guān)內(nèi)容。有些控制方案僅僅作了淺顯的研究。實(shí)際上完整的逆變器設(shè)計(jì)還包括控制算法的研究、以及程序軟件的設(shè)計(jì)。作為一個(gè)應(yīng)屆畢業(yè)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，在這里衷心感謝指導(dǎo)老師的督促指導(dǎo)，以及一起學(xué)習(xí)的同學(xué)們的支持，讓我按時(shí)完成了這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。在此我要感謝我的指導(dǎo)老師趙陽老師給我悉心的幫助和對(duì)我耐心而細(xì)致的指導(dǎo)。除了敬佩老師的專業(yè)水平以外，她的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作，我才得以解決畢業(yè)設(shè)計(jì)中遇到的種種問題。還有謝謝我周圍的同窗朋友，他們給了我無數(shù)的關(guān)心和鼓勵(lì)，也讓我的大學(xué)生活充滿了溫暖和歡樂。他們?cè)谖以O(shè)計(jì)中給了我許多寶貴的意見和建議。畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束了，通過設(shè)計(jì)，我深刻領(lǐng)會(huì)到基礎(chǔ)的重要性，畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅僅能幫助自己檢驗(yàn)大學(xué)四年的學(xué)習(xí)成果，更多的是畢業(yè)設(shè)計(jì)可以幫助我們更加清楚的認(rèn)識(shí)自我，磨練自我的意志與耐性，這會(huì)為學(xué)生日后的工作和生活帶來很