基于DSP的逆变电源数字控制电路的设计

电源技术 Power Supply Techniques 《电气自动化)2013年第35卷 第3期 基于 DS P的逆变电源数字控制电路的设计 宋冬冬 。马玉泉 ，田树耀 (1．河北科技师范学院 研究生部，河北 秦皇岛 066004； 2．河北科技师范学院 机电工程学院，河北 秦皇岛 066004) 摘 要：作为一种电能转换装置，逆变电源的基本工作原理是通过功率开关器件的开通和关断作用，把直流电能转化成交流电能。研 究了基于 DSP的数字控制正弦波逆变电源的电路拓扑结构、以及 TMS320LF2407 DSP的程序设计方法，对系统硬件设计及软 件设计做了深入的分析。针对单极性 SPWM调制法的过零点振荡的问题，对单极性 SPWM调制法进行了改进，并对调制方法 进行了实验验证。研究了逆变电源控制系统硬件电路的参数设计，包括直流／交流电压采样电路的设计 ，交流电压采样电路的 设计，推挽正激电路和全桥逆变电路中功率开关器件的驱动电路设计，逆变电源的输入过压／输出过流保护，以及控制系统中 的辅助电源参数设计。实验表明，设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 成熟可靠 ，具有很高的实际应用价值。 关键词：逆变器；DSP；全桥逆变；SPWM调制法 DOI：10．3969／j·issn．1000—3886．2013．03．011 [中图分类号]TM451 [文献标志码]A [文章编号]1000—3886(2013)03—0029—04 Design of lnverter Power DigitaI ControI Circuit Based on DSP SONG Dong—dong ，MA Yu—quan ，TIAN Shu-yao (1．Department of Pos留raduate，Hebei Normal Unive~ity of Science&Technology，Qinhuangdao Hebei 066004，China； 2．College of Mechanical&Electrical Engineering．Hebei Normal University of Science& Technology，Qinhuangdao Hebei 066004，China) Abstract：As an energy conversion device，the inverter power source in the basic working principle is able to turn DC into AC electrical energy by means of the turning-on／-off function of the power switching device the DC electrical energy into electrical energy．The authors have studied the circuit topology structure based on the DSP digital control sine wave inverter power source and the programming method of TMS320LF2407 DSP，and made in—depth analysis on system hardware and software designs．For the problem of over—zero oscillation in the unipolar SPWM modulation method，they have improved the method，and conducted the experimental verification for its modulation method．Besides。the authors have also studies the parameter designs of the inverter power source control system hardware circuits，including AC／DC voltage sampling circuit design，AC voltage sampling circuit design，push—pull forward circuit and drive circuit design for the power switching device in the full-bridge inverter circuit，power inverter input over—voltage／output over-current protection，and parameters design for the auxiliary power supply in the control system．The Experiments show that this design scheme is mature and reliable，and has very high practical application value． Keywords：inverter；DSP；full—bridge inverter；SPWM modulation 0 引 言 作为独立风电系统中的中小功率正弦波逆变电源，其特点 是：输入类型为蓄电池，输入电压多为24 V至48 V，属于低压大 电流的DC／AC变换器。由于电路处理的功率比较小，电磁兼容 性问题不是十分严重，因此主电路选择了两级式结构以获得低成 本和高功率密度的优势；同时选用隔离型 DC／DC变换结构以满 足电气隔离的要求。 1 逆变电源控制电路设计 控制电路包括以 TMS320LF2407A为核心，外围电路包括直 流电压采样电路、交流电压采样电路、交流电流采样电路和辅助 电源。其结构图如图1所示。 1．1 基于TMs32OL O7的控制电路设计 收稿日期：2012一o6一o4 基金项 目：低功耗 智能交流稳压器的研制；河北省教 育厅 (编号 2010224) 图 1 基于 TMs320L 407的控制电路结构框图 TMS320LF2407 为 低 功 耗 系 列 DSP J。为 了 保 证 TMS320LF2407内部的 A／D转换模块的精度和提高其抗干扰能 力，在设计 DSP控制板的时候必须将模拟地和数字地分开，采用 0 Q电阻桥接或者磁珠隔离的方式来实现 。原理图如图2所示。 1．2 采样电路的设计 采样电路包括 ：直流输入电压采样、直流输出电压采样 ，交流 ElectricaI Automation 29 《电气自动化)2013年第35卷第3期 电源技术 Power Supply Techniaues C4 3 V／22U GND U GND U 图2 TMS320LF2407A供电电源设计原理图 输出电压采样，交流输出电流采样。 (1)直流电压采样 直流电压采样包括蓄电池直流输入电压采样和推挽正激变 换器的输出直流电压采样。此处选用LOC110线性光耦配合运 放来完成直流电压的测量 。为了补偿采样电路产生的相移，在 采样信号输入端的运算放大器的反相端和输出端并联了一个 100 pF的小电容。直流采样电路的输出输入关系为： R3 R6 Rl+R2+R3 也 一 。 (1) R 和c 构成输出端的RC滤波电路以滤除采样电路中的高 频干扰。R 和C2的取值分别为10 K和 1 000 pF，其截止频率为： 1 16 kH： (2) (2)交流电压采样 为了实现 DSP对逆变电源输出交流 电压的采样，必须先对 交流输 出电压进行降压处理。设 计 中采用耀华德 昌公司 的 PE2409安全隔离变压器来实现交流降压，同时实现与采样信号 之间的电气隔离 J。 (3)交流电流采样 逆变电源输出交流电流采样由电流互感器来实现 ，互感器的 型号选用耀华德 昌公司的 TA17—03系列 。与交流电压采样 电路相同。 1．3 驱动电路设计 驱动电路包括推挽正激电路和全桥逆变电路的功率开关的 驱动电路。 (1)推挽正激电路中功率开关的驱动电路设计 在推挽正激拓扑结构中，由于其中一路功率开关源极浮地， 必须采用脉冲隔离变压器对源极浮地的开关器件进行驱动；考虑 到电路的对称性，两路开关管都采用了隔离驱动 J。 根据 MOSFET开通所需要的栅源极电压，变压器的变比应取 为 1：3，并在变压器副边与 MOSFET的栅极之间串联一个 22 Q 的电阻R1以减小栅源极间的寄生振荡。为了加速 MOSFET的关 断过程，在栅源极间并联一个阻值为10 K的电阻 ，以加快栅 源极寄生电容的电荷抽取速度。 (2)全桥逆变电路的驱动电路 在全桥逆变电路中，由于桥臂上管 MOSFET的源极对地电位 是浮动的，因此在对桥臂上管进行驱动的时候必须采用自举电路 或者驱动脉冲变压器实现功率开关期间的通断。设计中采用了IR 公司的集成功率电路 IR2110。它具有集成度高、功能完善、性能稳 定的优点，IR2110特点在于其内部特殊的自举电路结构，使所需电 源数目减少到1个，并且控制的可靠性得到较好改善 。 30 Electrical Automation 1．4 辅助电源的设计 在逆变电源的控制电路中，DSP控制器、光耦元件以及采样 电路中的运算放大器等电路元件都需要额外的电源对其进行供 电；同时，对于不同的采样信号来说，其信号采样调理电路的供电 电源之间需要相互隔离。设计中选用了 UC3844芯片来搭建单 端反激式辅助电源。 2 软件设计 在逆变电源中必须引入负反馈控制来维持系统输出的稳定。 对于前级推挽正激DC／DC变换电路来说，采用输出电压负反馈 维持其输出电压的稳定，以消除输入电压或负载变化所造成的输 出电压不稳定的情况。控制原理图如图3所示。 图 3 逆变电源负反馈控制原理图 2．1 单极性 SPWM算法的改进 双极性 SPWM调制法在每个三 角载波周期之内均有两个功率开关 器件完成通断的状态切换。在单极性 SPWM调制法的基础上 ，可对生成的 PWM脉冲做进一步处理：假设调制过 程中采用规则采样法，以一个三角载 波周期为例，如图4所示。 根据面积等效理论，矩形脉冲可 以等效为一正一负的两个矩形脉冲 之和，如图5(左)所示，图中阴影部分 图4 规则采样法下单极 面积相等。进一步细分便可得到下图 性SPWM调制法单开 (右)所示的脉冲波形 ，如图 5(右)所 关周期的脉冲波形 示，在一个三角载波周期之内有一个正脉冲d。和两个负脉冲d：、 d，，它们满足以下关系式： rd1+d2+也 =1 { =d (3) d(t)=dl—d2一d3=d1—2d2 』 _二[ 1 图5 单极性 SPWM调制法的等效调制算法 介圆 电源技术 Power Supply Technique 2．2 数字 PI算法 PID算法的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分 的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。PI算法的离 散形式为： k p( )=kpE( )+ ， ∑E(，) (4) 式中 为信号采样周期，采样周期必须尽可能小以保证系统的精 确度；E(k)为第 k次采样时的系统误差；E(k一1)为第 k一1次采 样时的系统误差； 、 分别为比例系数、积分系数；P(后)为第 次采样时调节器的输出； 根据递推原理，可以得到第 k—1次的PID输出表达式： 一 1 p(k一1)=kpE(k一1)+ ∑E( ) (5) P(k)=P(k一1)+k [E(k)一E(k—1)]+ ， E(k) (6) 该等式称为 PI位置型控制算法。根据上式，要计算第 k次输出 值P(k)，只需要知道P( 一1)、E(k)、E(k一1)即可。进而，有： 卸 =P(k)一P(k—t)= kp[E(k)一E(k一1)]+klT E(k) (7) 该式称为 PI增量型控制算法。在控制系统中，为了安全起见 ，常 常需要对调节器的输出进行限幅 。 2．3 数字滤波算法 数字低通滤波算法将 RC滤波器的微分方程用差分方程来 表示，用软件算法来模拟硬件滤波的功能。低通滤波算法如下： (， 开始 、) 、L ／ ● 系统时钟初始化， 关闭看门狗电路 ‘ I10 I定时器初始 IDS 叫 上 l开启定时器l I l和定时器0 l l l l l I 1等待 I 《电气自动化)2013年第 35卷 第3期 Y(k)=aX(k)+(1一a)Y(k一1) (8) 其中X(k)为本次采样值；Y(k一1)为上次的滤波输出值；a为滤 波系数，其值通常远小于 1；Y(k)为本次滤波输出值。该算法模 拟了具有较大惯性的低通滤波功能，效果很好；但无法滤除频率 高于1／2采样频率的干扰信号。 2．4 调制信号中的A／D采样方法 TMS320LF2407A内部A／D转换模块由两个 10位精度的A／ D转换器构成 ，每个转换器具有 8个模拟输入通道。实验结果表 明，采用定时器周期中断启动 A／D转换的方法效果更好一些。 如图6所示，在定时器的周期中断，也就是虚拟三角载波的顶点 进行采样，在时间上能尽量避开电路中开关器件开通和关断的动 作时间点，从而尽量减小了功率开关动作给模拟量采样带来的影 响，提高采样精度。 图6 DSP调制信号的采样方法 2．5 程序流程图 程序的总体设计主要由主程序和定时器中断服务程序构成。 程序流程图如图7所示。 图7 TMS320LF2407 DSP控制程序主程序流程图(左)和中断服务程序流程图(右) ElectricaI Automation 31 《电气自动化}2013年第35卷第3期 电源技术 Power Supply Techniques 3 实验结果分析与结论 为了考察 SPWM调制法的效果，实验记录了在开环控制下 电路的输出电压波形，其结果如图8所示。 从输出电压波形可以看出，在开环控制的情况下，采用该 sP— WM调制法下所得到输出电压具有很好的正弦度。实验结果表 明，此方法能够避免了单极性SPWM调制法中电压过零点振荡 的问题，同时保留了单极性SPWM算法的优点，输出电压中的谐 波分量小 ；且易于在 DSP中实现，证明了该 SPWM调制方法具有 一 定的实际应用价值。 ￡1 图8 开环控制下改进型单极性 SPWM 调制法的实验波形(左 ) 闭环控制下逆变电源带电阻性负载的输出电压波形(右) 4 结束语 基于DSP的数字控制正弦波逆变电源的电路的设计，以 TMS320LF2407 DSP芯片为核心，针对逆变电源控制系统硬件电路 进行了参数设计，对推挽正激电路和全桥逆变电路的工作原理和 (上接第 5页) 图4 单输入 一双输出系统模型 图5 单输入 一双输03仿真波形 由图5可以看出，第一组输出可以跟踪上，但是第二组输出 只可以跟踪幅值，却总是相差一个相位。其原因是这样的，即使 是纯线性系统，当输入个数小于输出个数时，也无法完全跟踪控 制，举例来说，两系统如下： Y≥ 这样，无论如何，都无法实现跟踪。也就是说，只有参考模型 和被控对象满足一定比例关系的系统，才能够实现跟踪控制。或 32 ElectricaI Automation 数学模型进行了深入的分析研究，并讨论了基于TMS320Lg2407的 SPWM调制方法的数字实现。在理论研究的基础上 ，搭建了正弦 波逆变器实验样机来验证理论和设计方法的科学性和合理性。实 验表明，此设计方案成熟可靠，具有很高的实际应用价值。 参考文献： [1]熊俊峰．单相两级式光伏并网发电系统的设计[D]．广州：中山大学 硕士学位论文，2010：62—72． [2]侯玉宝，欧阳宁，王景芳．基于DSP嵌入式技术的无刷直流电动机智 能控制系统的研究[J]．微计算机信息，2012，29(2)：69—71． [3]李树靖，林凌，李刚．线性光耦合器 LOC110的原理与应用[J]．世界 电子之器件，2002，18(12)：44—46． [4]TA17／TA17L中文手册[S]．北京耀华德昌电子有限公司． [5]侯典立等．基于推挽正激拓扑的车载电源转换器[J]．廊坊师范学院 学报(自然科学版)，2008，8(5)：10—12． [6]王剑等．集成功率驱动电路 IR2110应用探讨[J]．机床与液压，2008， 36(7)：398—399． [7]何海华．电动汽车用光伏充电控制系统研制[D]．广州：中山大学硕 士学位论文，2011：46—51． [8]张蓉．数字控制 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