数字化中频SPWM逆变电源控制系统

摘要：研究了一种基于DSP的中频逆变电源系统,介绍了系统的工作原理与结构、控制算法和软件编制。实验表明,该系统具有良好的稳压性能和很小的波形失真。

叙词：逆变电源 数字控制 数字信号处理器 中频

Abstract：This paper introduces a digital control system for medium frequency inverter based on DSP. The configuration, the principle of operation, the control algorithm and the scheme of software are discussed. The experimental results show that the system has good static performances and very minor wave distortion.

Keyword：inverter digital control DSP medium frequency

1 引言

中频逆变电源，是广泛应用于飞机、舰船、雷达、通信、导弹、车辆的标准供电系统，为了进一步提高了中频逆变电源的可靠性和静、动态性能,除在主电路上进行优化设计外,采用数字控制技术也被证明为有效的措施。新一代数字信号处理器TMS320LF240X系列既有高速的运算能力,高可靠性等一般DSP芯片的特点,还在片内集成了如A/D变换器,PWM发生器,脉冲死区发生器等外设电路,使其不仅可广泛应用于电机控制,还可应用于高频开关电源的控制。目前,数字控制已经在功率变换电路中得到了广泛的应用。, 本文将介绍采用TMS320F2407芯片的中频逆变电源数字控制系统，并给出了实验结果。

2 系统构成及控制原理

图1系统构成简化原理图

2.1系统构成

该系统由主电路和控制电路两部分组成, 图1为系统构成简化原理图。该中频逆变电源主电路采用以IGBT为开关器件的单相逆变电路, 采用全桥电路结构，经过LC低通滤波器，滤去高频成分，在滤波电容两端获得相应频率的光滑的正弦波。控制技术采用了控制逆变电源的主流方法：正弦脉宽调制(SPWM)法。输出电压和电感电流通过采样网络，将输入信号转换为TMS320LF2407所需要的电平,接至TMS320LF2407的A/D转换口。逆变器的保护电路可分为过压和欠压、过流(过载)等几个部分,一旦出现故障，保护电路直接或经过一段延时后封锁驱动脉冲控制信号，直到故障解除后，才可恢复正常工作。串行通信接口SCI模块是一个可编程的全双工串行通讯接口,支持CPU与其使用标准格式的异步外设之间的数字通讯。通过串行通信接口SCI模块，可以实现中频电源和微机/计算机网络之间的双向通讯调控功能。DSP控制单元输出的PWM信号必须经过驱动单元后才能送到IGBT。驱动电路可以实现主电路和控制电路之间的信号连接，并且满足主电路和控制电路之间的电气隔离。

2.2　控制原理

系统采用了输出电压和电感电流瞬时值反馈的电流SPWM控制方案。其中，电压外环采用比例积分调节, 电流内环采用比例调节。输出电压的瞬时信号经调理采样生成

后直接反馈,与参考正弦电压

比较,使输出电压稳定在设定值上,并抑制输出电压的畸变。电感电流瞬时信号的调理采样值

等于负载电流加滤波器电容电流,而滤波器电容电流为输出电压的微分,所以电流内环反馈相当于在电压反馈中加了一个比例微分超前校正网络,可使系统更加稳定。电压误差信号，经电压调节器综合,作为电流内环的给定信号。其与电感电流反馈值比较得到的误差送到电流调节器中,作为调制波与三角载波进行交截产生SPWM开关信号,控制各桥臂IGBT管的导通与关断。

3 控制策略

下面介绍本系统的主要控制策略:

3.1 开机软起动：

一般地，逆变电源在开机后，需要经过一段软起动过程，让输出电压升至额定电压，以避免对负载和变压器的冲击。软启动是通过在数字PI调节中将直流给定量分几次叠加至设定值来实现。这样可有效防止输出交流电压出现较大的超调。

3.2系统中心值的整定：

在用数字实现的过程中，我们要注意使得进行比较的相应的电压、电流、三角载波的中心值要一致。否则，会导致输出电压波形畸变。逆变器的输出电压,经过调理电路,送到DSP的A/D模块的模拟输入通道的正弦信号为中心值为1.65,幅值不超过1.65的单极性交流信号。逆变器输出电压的采样正弦信号,进入DSP的A/D模块进行转换后, 采样正弦信号数字量为:

(1)

反馈电压信号

的中心值为512，基准正弦信号

的中心值和输出电压的周期有关，两者的中心值经常会不统一。为了便于软件的实现，将两者的中心值均定为512。因为有：

(2)

即电压误差

是中心值为零的正弦信号。也就是，进入电压调节器的是中心值为零的正弦信号。

由于反馈电流

的中心值为512，故电压调节器的输出需加上数字量512，得到中心值为512的

。有：

(3)

电流误差信号

的中心值为0，由于三角载波的中心值为也是输出电压的周期有关，即与三角载波进行SPWM 控制的信号的中心值必须是一样的。因此，电流误差信号必须加上三角载波的中心值，才能与三角载波进行SPWM 控制。

3.3 使用改进的PI算法：

在实际应用中，考虑到一些具体情况，还需对PI调节加以一定的限制，针对不同的情况采取最佳控制方法。

系统中设置偏差阈值

，当

,PI控制取消积分作用，用P控制;

，引入积分作用。该方法的实质是：当被控量与设定值的偏差较大时，取消积分作用，以免积分作用使系统的稳定性减弱，超调量加大;当被控量接近设定值时，加入积分作用，以便消除静差，提高控制精度。