DSC控制的SVPWM單相逆變系統(tǒng)研究

王 磊，劉瑞安，梁 斌，路敦強，張咪咪

（天津師范大學 物理與電子信息學院，天津 300387）

DSC控制的SVPWM單相逆變系統(tǒng)研究

王 磊，劉瑞安，梁 斌，路敦強，張咪咪

（天津師范大學 物理與電子信息學院，天津 300387）

由于SVPWM技術具有直流電利用率高、場效應管損耗小且易于數(shù)字控制等優(yōu)點，將其引入到由DSC控制的單相逆變系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)高速動、靜態(tài)響應特性的AC輸出.DSC運用ePWM模塊產生帶死區(qū)控制的SVPWM信號，通過高壓驅動芯片IR2110調制單相H型逆變橋的輸出交流電，控制器通過高速PID進行反饋調節(jié)，利用eCAP進行相位跟蹤調控，使系統(tǒng)達到具有自適應能力的瞬時穩(wěn)態(tài)調節(jié)效果.

空間矢量脈寬調制；數(shù)字信號控制器；單相逆變系統(tǒng)；IR2110

現(xiàn)有中小功率逆變器的輸出電壓波形多為方波或修正正弦波，波形失真嚴重，不能為感性負載、容性負載和精密儀器等供電，容易導致儀器輸出誤差甚至損壞，且不利于逆變器的穩(wěn)定并網(wǎng)輸出.此外，當前逆變技術已進入實時反饋控制階段［1］，該技術是針對模擬控制晶閘管和數(shù)字控制自關斷器件中逆變電源對非線性負載的適應性弱、動態(tài)特性差等缺點提出的.本研究所設計的逆變電源系統(tǒng)針對光伏逆變并網(wǎng)系統(tǒng)的設計要求，將光伏電池產生的低壓直流電轉換為與市用電網(wǎng)同頻同相的單相交流電.

本設計將空間矢量脈寬調制（Space－vector Pulse Width Modulation，SVPWM）技術引入到由數(shù)字信號控制器（Digital Signal Controller，DSC）控制的單相逆變器中，SVPWM技術具有直流電壓利用率高、場效應管損耗小、輸出電壓／電流的諧波含量低和利于數(shù)字控制等優(yōu)點，可以有效提高逆變器的轉換效率和輸出波形效果.通過分離積分PID（Proportion Integration Differentiation，PID）算法和相位檢測技術，本研究實現(xiàn)了系統(tǒng)輸出的瞬時反饋調節(jié)，提高了逆變系統(tǒng)的實時響應能力.

1 單相SVPWM的原理與實現(xiàn)

1.1 單相SVPWM的原理

單相SVPWM技術源于三相電機的空間矢量控制技術，三相SVPWM將A－B－C三維坐標系經(jīng)過CLARKE變換到α－β二維坐標系，得到兩相正交的矢量.以電流的CLARKE變換為例，其轉換過程如下：

式（1）中，i0＝0，經(jīng)過坐標變換后可根據(jù)三相電壓計算出α－β坐標系的參考電壓矢量Uout，且Uout的幅值即是在α－β坐標系下線電壓的有效值.

在三相逆變電源中，SVPWM技術的實質就是通過適當組合基本空間矢量的開關狀態(tài)來近似參考電壓Uout，從而模擬正弦波的輸出.在實際應用中，在一個較小的載波PWM周期T內，由數(shù)字控制器計算出逆變輸出的導通電平持續(xù)時間，并經(jīng)過積分運算求出實際值來擬合成平均值作為平均參考電壓值Uout［2］：

式（2）中，T1和T2分別表示同相功率開關管上橋臂UX和下橋臂UX＋60閉合狀態(tài)的持續(xù)時間.工程應用中，T相對于Uout的變化速度需非常小，且T1＋T2＜T.

實際系統(tǒng)中，單相逆變橋比三相逆變橋少一對功率開關管.vAB表示H橋輸出端A點到B點的單相交流電電壓，νBA則為反方向測量結果，a與b表示H橋上兩個上臂開關的控制信號，則矩陣形式表示如下：

式（3）中，Udc為輸出母線直流電壓.電壓矢量v＝（vAB，vBA）T在單軸空間構成4個離散電壓矢量，其中2個電壓矢量的有效值始終為0.類似于三相SVPWM的過程，單相SVPWM可通過調制2對開關管的PWM占空比來決定余下2個離散電壓矢量的有效值，以獲得對應的脈沖電壓，再經(jīng)過積分濾波得到實際的正弦波電壓.

式（4）中，N為逆變器中高頻變壓器的升壓比，n為半個交流電周期內PWM的脈沖個數(shù)，Tia和Tib為每個PWM周期內2對開關管導通的時間.

1.2 單相SVPWM算法的實現(xiàn)與改進

DSC中的定時器可以使用遞增或遞減的計數(shù)模式，a點和b點同步輸出雙邊對稱波形.在PWM周期T固定的前提下，通過修改定時器比較寄存器Ta和Tb來決定T0和T1，如圖1（a）所示，最終修改輸出波形vAB的脈沖占空比以決定電壓矢量的有效值.

圖1 單相SVPWM波形分析Figure 1 Analysis of single－phase SVPWM signal

在相同載波頻率下，經(jīng)過開關模式優(yōu)化后的單相SVPWM波從波形角度分析較類似于同頻的SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）波形.因為SVPWM算法是一種在利用規(guī)則采樣法得到的SPWM的相調制模式中加入零序分量后得到的結果，所以二者在諧波的大致方向上是類似的.而從頻譜角度分析，單相SVPWM的諧波特性要優(yōu)于同頻的SPWM波形.

2 系統(tǒng)硬件結構設計

2.1 系統(tǒng)硬件框圖

本系統(tǒng)的硬件結構框圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)硬件結構框圖Figure 2 Hardware structure of system

2.2 DSC控制模塊

本系統(tǒng)采用德州儀器公司（Texas Instruments）的TMS320F2806型數(shù)字信號控制器（DSC）作為數(shù)字控制的核心，該芯片具有豐富的硬件資源，運行速度最高達100MIPS，與數(shù)字信號處理器（DSP）相比具有成本低、外圍器件少和功能模塊專用等優(yōu)點.

DSC內置有增強捕捉單元（Enhanced Capture Module，eCAP）模塊，系統(tǒng)使用由其集成的邊沿檢測單元來檢測輸出交流電的相位與頻率.其工作流程如下：由高頻升壓變壓器的副次級線圈產生的高頻弱交流信號經(jīng)LC電路濾波后，再分壓采樣得到弱交流信號，由比較器對該信號和零電位進行電壓比較，比較器產生的脈沖信號送至DSC的ECAP1管腳進行相位和頻率檢測.捕捉定時器（CAP1／CAP2）依據(jù)時鐘分頻信號運行，當捕捉到信號上升沿電平CEVT1（或下降沿電平CEVT2）時，將捕捉定時器值鎖存到捕捉周期寄存器（MOD4_CTR）中，以獲取2個時間標簽并計算出時間差，即為輸出交流電壓的半周期，再由CPU讀取周期信號并作相應的相位反饋調整.運用相位實時監(jiān)控跟蹤，可自適應調節(jié)輸出交流電相位［4］，有利于逆變器進一步并網(wǎng)輸出.

2.3 逆變電路結構

系統(tǒng)的逆變電路結構如圖3所示.

圖3 逆變橋驅動電路圖Figure 3 Drive circuit of inverter

在H橋電路中，由于上橋臂驅動電壓的參考點電壓通常較高，高電位端的常規(guī)晶體管電路驅動通常不穩(wěn)定.為了提高工作穩(wěn)定性，系統(tǒng)使用IR2110芯片來間接驅動開關管.IR2110是高速、高壓、功率型開關管專用驅動芯片，擁有2個互相獨立的高低電平驅動信道，最高驅動電壓可達600V，對于大范圍跳變的源極電壓具有良好的適應性.芯片利用由外部電容和快恢復二極管構成的高端懸浮自舉電源電路充電蓄能，觸發(fā)控制信號后，在高電位端釋放懸浮態(tài)高電壓，并以尖脈沖的形式向場效應管的柵極饋送電荷，最終驅動上橋臂場效應管的導通與關斷.

系統(tǒng)中使用CSA－1V（可編程霍爾電流傳感器芯片）進行非接觸電流檢測.該芯片利用傳統(tǒng)CMOS工藝制作，其硅基片內有一層鐵磁體工藝層用于電磁感應信號檢測，外部電流感生出的磁通量變化經(jīng)運算增益放大后以差分電壓的形式輸出.在PCB布線時，逆變橋的2個下橋臂MOSFET（Q2和Q4）的源極管腳接地線（覆銅箔）以2.5mm的線寬從CSA－1V底部布過，如圖4所示.其輸出的電壓信號經(jīng)CA3140組成的差分運放電路放大后接入DSC的ADCINB0管腳進行A／D轉換以測出直流電流，隨后根據(jù)升壓比換算成交流端電流.該方法利用霍爾效應檢測地線流過的大電流，無需光耦等隔離措施，有利于減小成本和體積.采用該方法輸出端電流的采樣實際檢測精度穩(wěn)定在5mA以內.

圖4 在PCB中電流檢測的布線方法Figure 4 Writing method of current detection in printed circuit board

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 單相SVPWM在DSC上的調制輸出

圖5 單相SVPWM信號波形Figure 5 Waveform of single－phase SVPWM signalvAB

以上半周期為例對ePWM主要寄存器進行設置，如式（5）：

式（5）中，M（≤1）為脈寬調制度，T1可通過查詢燒錄在F2806程序存儲空間中的正弦數(shù)據(jù)表獲取.

為了防止同側上下橋臂的開關管同時導通，系統(tǒng)中使用了ePWM模塊自帶的可編程死區(qū)控制單元.在DSC中使能DBCTL［OUT－MODE］控制位，配置為輸出模式，確定對輸出PWM信號進行邊沿延時處理［5］.通過死區(qū)控制可以避免因開關管同時導通而導致的短路現(xiàn)象，提高了逆變器的穩(wěn)定性.

3.2 PID調節(jié)算法的引入

逆變器通過PID算法實現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)字閉環(huán)調節(jié)［6］，運用DSC高速運算特性實現(xiàn)了逆變電源的實時反饋調節(jié)，有效提高了逆變器的瞬時帶載能力.

由變壓器副次級線圈感生出的高頻交流電信號經(jīng)LC電路濾波后成為與負載端同相位的50Hz弱低頻交流電信號，在接入ADCINA0管腳經(jīng)DSC內部采樣保持電路穩(wěn)定后，由可編程的模／數(shù)轉換單元將模擬電壓量轉換成數(shù)字量.高頻交流電信號作為系統(tǒng)變壓器主次級線圈輸出交流電壓的瞬時反饋值，并通過進一步的PID調節(jié)獲到最優(yōu)化的輸出正弦電壓波形.

在逆變器開機啟動瞬間或負載功率突變時，輸出功率的不確定易導致電壓的不穩(wěn)定，為此，DSC

式（6）中，Kp為比例系數(shù)；Ke表示積分分離的閥值；Ki為積分時間常數(shù)；Kd為微分時間常數(shù)；T代表采樣周期；e（k）和e（jT）為輸入?yún)?shù)；u（k）為輸出參數(shù)，用作SVPWM中脈寬調制度的參考值.

F2806運用PID調節(jié)可有效減少因負載非線性變化所導致的輸出電壓波形畸變情況的發(fā)生，當負載突變時，逆變器的輸出電壓具有調整時間短和動態(tài)特性良好等優(yōu)點.

3.3 軟件設計流程圖

系統(tǒng)的軟件設計流程如圖6所示.采用分離積分的PID控制算法來解決系統(tǒng)啟動和負載功率突變引起的大范圍電壓振蕩，如式（6）所示.進行分離積分PID運算時，由于比例、微分調節(jié)因素權重增大，系統(tǒng)可快速接近功率調節(jié)平衡點.當系統(tǒng)輸出達到穩(wěn)定后，再引入積分作用，既可以消減穩(wěn)態(tài)偏差，亦能避免較大的退飽和超頻，改善系統(tǒng)響應和控制質量.積分分離PID控制算法可表示為：

圖6 程序流程圖Figure 6 Flow chart of pragram

4 實驗結果

為驗證系統(tǒng)的瞬時穩(wěn)態(tài)調節(jié)能力，在由MOSFET構建的逆變橋實驗電路中，系統(tǒng)參數(shù)設置為：濾波電感L＝1.8mH，濾波電容C＝22μF，輸入直流電壓Udc＝24V，脈寬調制度M＝0.9.最終實驗結果為：系統(tǒng)最大輸出功率Pmax＝500W，交流電壓UAC＝220（1±2.5%）V，最大諧波含量UH≤10%，輸出交流電頻率f＝（50±0.2）Hz，轉換效率在90%左右.實驗中所得輸出交流電波形如圖7所示.

圖7 輸出交流電波形圖（負載電壓衰減100倍后）Figure 7 Waveform of AC output（100times the load voltage is attenuated）

5 結論

單相SVPWM波的調制生成和PID的反饋調節(jié)是單相逆變器設計的關鍵.本研究通過DSC的高速運算特性實現(xiàn)了由PID算法調節(jié)的死循環(huán)控制，使系統(tǒng)達到了瞬時穩(wěn)態(tài)調節(jié)的目的，提高了逆變器的動態(tài)特性.利用eCAP模塊實現(xiàn)了相位跟蹤，使逆變器具有自適應并網(wǎng)能力，提高了系統(tǒng)的智能化，有利于逆變器的并網(wǎng)輸出.經(jīng)過實驗對比，開關模式優(yōu)化后的SVPWM逆變器與傳統(tǒng)逆變器相比具有直流電壓利用率高和開關器件損耗小等優(yōu)點，明顯提升了逆變器的轉換效率.

［1］ 魏偉.正弦波逆變電源的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.電氣技術，2008（11）：5－7.

［2］ 蘇奎峰，蔡昭權，呂強，等.TMS320X281xDSP應用系統(tǒng)設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008：216－225.

［3］ 易龍強，戴瑜興.基于DSP的單相SVPWM技術與零序號分析［J］.電子學報，2007，35（12）：2289－2293.

［4］ 蔡昆，李耀華，勝曉松，等.高性能單相電壓源逆變器的輸出控制［J］.電工技術學報，2005，20（1）：104－107.

［5］ 彭力，張宇，康勇，等.高性能逆變器仿真控制器設計方法［J］.中國電機工程學報，2006，26（6）：89－94.

［6］ Kaku B，Miyashita I，Sone，S，et al.Switching loss minimised space vector PWM method for IGBT three－level inverter［J］.Electric Power Applications，1997，144（3）：182－190.

Study on DSC controlled SVPWM single－phase inverter system

WANGLei，LIURuian，LIANGBin，LUDunqiang，ZHANGMimi
（College of Physics and Electronic Information Science，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

Because of having the virtues of higher utilization rate of DC voltage，small loss of FET，and easy－to－realize through digital control，space－vector PWM technique is applied to the single－phase inverter system controlled by DSC to output AC with high speed and static response character.With the utilization of ePWM module，the DSC generates SVPWM signals with dead－time control，which modulates AC output from the single－phase H－bridge inverter with the high－voltage driver chip IR2110.By carrying out high－speed PID feedback regulation，tracking and regulating the AC’s phase with the eCAP，DSC makes the system basically achieve the purpose of the instantaneous steady－state regulation with the ability of self－adapting.

space－vector PWM；digital signal controller；single－phase inverter system；IR2110

TM464

A

1671－1114（2011）02－0023－05

2010－08－15

天津市自然科學基金資助項目（09JCYBJC00100）；濱海新區(qū)科技特派員科技專項資助項目（SB20080079）；天津師范大學博士基金資助項目（52LX32）

王 磊（1987—），男，碩士研究生.

劉瑞安（1966—），男，教授，主要從事檢測技術和信號處理方面的研究.

（責任編校 紀翠榮）