基于DSP的逆變電源數(shù)字控制電路的設(shè)計(jì)

宋冬冬，馬玉泉，田樹耀

（1.河北科技師范學(xué)院 研究生部，河北 秦皇島 066004;2.河北科技師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

作為獨(dú)立風(fēng)電系統(tǒng)中的中小功率正弦波逆變電源，其特點(diǎn)是:輸入類型為蓄電池，輸入電壓多為24 V至48 V，屬于低壓大電流的DC/AC變換器。由于電路處理的功率比較小，電磁兼容性問題不是十分嚴(yán)重，因此主電路選擇了兩級(jí)式結(jié)構(gòu)以獲得低成本和高功率密度的優(yōu)勢(shì);同時(shí)選用隔離型DC/DC變換結(jié)構(gòu)以滿足電氣隔離的要求。

1 逆變電源控制電路設(shè)計(jì)

控制電路包括以TMS320LF2407A為核心，外圍電路包括直流電壓采樣電路、交流電壓采樣電路、交流電流采樣電路和輔助電源。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 基于TMS320LF2407的控制電路設(shè)計(jì)

圖1 基于TMS320LF2407的控制電路結(jié)構(gòu)框圖

TMS320LF2407 為 低 功 耗 系 列 DSP［1］。 為 了 保 證TMS320LF2407內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊的精度和提高其抗干擾能力，在設(shè)計(jì)DSP控制板的時(shí)候必須將模擬地和數(shù)字地分開，采用0 Ω電阻橋接或者磁珠隔離的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)［2］。原理圖如圖2所示。

1.2 采樣電路的設(shè)計(jì)

采樣電路包括:直流輸入電壓采樣、直流輸出電壓采樣，交流輸出電壓采樣，交流輸出電流采樣。

圖2 TMS320LF2407A供電電源設(shè)計(jì)原理圖

（1）直流電壓采樣

直流電壓采樣包括蓄電池直流輸入電壓采樣和推挽正激變換器的輸出直流電壓采樣。此處選用LOC110線性光耦配合運(yùn)放來(lái)完成直流電壓的測(cè)量［3］。為了補(bǔ)償采樣電路產(chǎn)生的相移，在采樣信號(hào)輸入端的運(yùn)算放大器的反相端和輸出端并聯(lián)了一個(gè)100 pF的小電容。直流采樣電路的輸出輸入關(guān)系為:

R7和C2構(gòu)成輸出端的RC濾波電路以濾除采樣電路中的高頻干擾。R7和C2的取值分別為10 K和1 000 pF，其截止頻率為:

（2）交流電壓采樣

為了實(shí)現(xiàn)DSP對(duì)逆變電源輸出交流電壓的采樣，必須先對(duì)交流輸出電壓進(jìn)行降壓處理。設(shè)計(jì)中采用耀華德昌公司的PE2409安全隔離變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)交流降壓，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與采樣信號(hào)之間的電氣隔離［4］。

（3）交流電流采樣

逆變電源輸出交流電流采樣由電流互感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，互感器的型號(hào)選用耀華德昌公司的TA17－03系列［5］。與交流電壓采樣電路相同。

1.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路包括推挽正激電路和全橋逆變電路的功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路。

（1）推挽正激電路中功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在推挽正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于其中一路功率開關(guān)源極浮地，必須采用脈沖隔離變壓器對(duì)源極浮地的開關(guān)器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng);考慮到電路的對(duì)稱性，兩路開關(guān)管都采用了隔離驅(qū)動(dòng)［6］。

根據(jù)MOSFET開通所需要的柵源極電壓，變壓器的變比應(yīng)取為1:3，并在變壓器副邊與MOSFET的柵極之間串聯(lián)一個(gè)22 Ω的電阻R1以減小柵源極間的寄生振蕩。為了加速M(fèi)OSFET的關(guān)斷過(guò)程，在柵源極間并聯(lián)一個(gè)阻值為10 K的電阻R2，以加快柵源極寄生電容的電荷抽取速度。

（2）全橋逆變電路的驅(qū)動(dòng)電路

在全橋逆變電路中，由于橋臂上管MOSFET的源極對(duì)地電位是浮動(dòng)的，因此在對(duì)橋臂上管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的時(shí)候必須采用自舉電路或者驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)期間的通斷。設(shè)計(jì)中采用了IR公司的集成功率電路IR2110。它具有集成度高、功能完善、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，IR2110特點(diǎn)在于其內(nèi)部特殊的自舉電路結(jié)構(gòu)，使所需電源數(shù)目減少到1個(gè)，并且控制的可靠性得到較好改善［7－8］。

1.4 輔助電源的設(shè)計(jì)

在逆變電源的控制電路中，DSP控制器、光耦元件以及采樣電路中的運(yùn)算放大器等電路元件都需要額外的電源對(duì)其進(jìn)行供電;同時(shí)，對(duì)于不同的采樣信號(hào)來(lái)說(shuō)，其信號(hào)采樣調(diào)理電路的供電電源之間需要相互隔離。設(shè)計(jì)中選用了UC3844芯片來(lái)搭建單端反激式輔助電源。

2 軟件設(shè)計(jì)

在逆變電源中必須引入負(fù)反饋控制來(lái)維持系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定。對(duì)于前級(jí)推挽正激DC/DC變換電路來(lái)說(shuō)，采用輸出電壓負(fù)反饋維持其輸出電壓的穩(wěn)定，以消除輸入電壓或負(fù)載變化所造成的輸出電壓不穩(wěn)定的情況?？刂圃韴D如圖3所示。

圖3 逆變電源負(fù)反饋控制原理圖

2.1 單極性SPWM算法的改進(jìn)

雙極性SPWM調(diào)制法在每個(gè)三角載波周期之內(nèi)均有兩個(gè)功率開關(guān)器件完成通斷的狀態(tài)切換。在單極性SPWM調(diào)制法的基礎(chǔ)上，可對(duì)生成的PWM脈沖做進(jìn)一步處理:假設(shè)調(diào)制過(guò)程中采用規(guī)則采樣法，以一個(gè)三角載波周期為例，如圖4所示。

根據(jù)面積等效理論，矩形脈沖可以等效為一正一負(fù)的兩個(gè)矩形脈沖之和，如圖5（左）所示，圖中陰影部分面積相等。進(jìn)一步細(xì)分便可得到下圖（右）所示的脈沖波形，如圖5（右）所示，在一個(gè)三角載波周期之內(nèi)有一個(gè)正脈沖d1和兩個(gè)負(fù)脈沖d2、d3，它們滿足以下關(guān)系式:

圖4 規(guī)則采樣法下單極性SPWM調(diào)制法單開關(guān)周期的脈沖波形

圖5 單極性SPWM調(diào)制法的等效調(diào)制算法

2.2 數(shù)字PI算法

PID算法的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果用以輸出控制。PI算法的離散形式為:

式中T為信號(hào)采樣周期，采樣周期必須盡可能小以保證系統(tǒng)的精確度;E（k）為第k次采樣時(shí)的系統(tǒng)誤差;E（k－1）為第k－1次采樣時(shí)的系統(tǒng)誤差;KP、KI分別為比例系數(shù)、積分系數(shù);P（k）為第k次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出;

根據(jù)遞推原理，可以得到第k－1次的PID輸出表達(dá)式:

該等式稱為PI位置型控制算法。根據(jù)上式，要計(jì)算第k次輸出值P（k），只需要知道P（k－1）、E（k）、E（k－1）即可。進(jìn)而，有:

該式稱為PI增量型控制算法。在控制系統(tǒng)中，為了安全起見，常常需要對(duì)調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)行限幅［9］。

2.3 數(shù)字濾波算法

數(shù)字低通濾波算法將RC濾波器的微分方程用差分方程來(lái)表示，用軟件算法來(lái)模擬硬件濾波的功能。低通濾波算法如下:

其中X（k）為本次采樣值;Y（k－1）為上次的濾波輸出值;a為濾波系數(shù)，其值通常遠(yuǎn)小于1;Y（k）為本次濾波輸出值。該算法模擬了具有較大慣性的低通濾波功能，效果很好;但無(wú)法濾除頻率高于1/2采樣頻率的干擾信號(hào)。

2.4 調(diào)制信號(hào)中的A/D采樣方法

TMS320LF2407A內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊由兩個(gè)10位精度的A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，每個(gè)轉(zhuǎn)換器具有8個(gè)模擬輸入通道。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用定時(shí)器周期中斷啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的方法效果更好一些。如圖6所示，在定時(shí)器的周期中斷，也就是虛擬三角載波的頂點(diǎn)進(jìn)行采樣，在時(shí)間上能盡量避開電路中開關(guān)器件開通和關(guān)斷的動(dòng)作時(shí)間點(diǎn)，從而盡量減小了功率開關(guān)動(dòng)作給模擬量采樣帶來(lái)的影響，提高采樣精度。

圖6 DSP調(diào)制信號(hào)的采樣方法

2.5 程序流程圖

程序的總體設(shè)計(jì)主要由主程序和定時(shí)器中斷服務(wù)程序構(gòu)成。程序流程圖如圖7所示。

圖7 TMS320LF2407 DSP控制程序主程序流程圖（左）和中斷服務(wù)程序流程圖（右）

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

為了考察SPWM調(diào)制法的效果，實(shí)驗(yàn)記錄了在開環(huán)控制下電路的輸出電壓波形，其結(jié)果如圖8所示。

從輸出電壓波形可以看出，在開環(huán)控制的情況下，采用該SPWM調(diào)制法下所得到輸出電壓具有很好的正弦度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方法能夠避免了單極性SPWM調(diào)制法中電壓過(guò)零點(diǎn)振蕩的問題，同時(shí)保留了單極性SPWM算法的優(yōu)點(diǎn)，輸出電壓中的諧波分量小;且易于在DSP中實(shí)現(xiàn)，證明了該SPWM調(diào)制方法具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖8 開環(huán)控制下改進(jìn)型單極性SPWM調(diào)制法的實(shí)驗(yàn)波形（左）閉環(huán)控制下逆變電源帶電阻性負(fù)載的輸出電壓波形（右）

4 結(jié)束語(yǔ)

基于DSP的數(shù)字控制正弦波逆變電源的電路的設(shè)計(jì)，以TMS320LF2407 DSP芯片為核心，針對(duì)逆變電源控制系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)推挽正激電路和全橋逆變電路的工作原理和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了深入的分析研究，并討論了基于TMS320LF2407的SPWM調(diào)制方法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)。在理論研究的基礎(chǔ)上，搭建了正弦波逆變器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)來(lái)驗(yàn)證理論和設(shè)計(jì)方法的科學(xué)性和合理性。實(shí)驗(yàn)表明，此設(shè)計(jì)方案成熟可靠，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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