组合式三相正弦逆变器控制软件设计图文精.docx

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组合式三相正弦逆变器控制软件设计图文精

组合式三相正弦逆变器控制软件设计‘

陈永利霍艳军

军械工程学院电气工程系。

河北石家庄,050003

摘要介绍了组合式三相逆变器工作原理,阐述了产生三相SPWM波和宾瑰Pl控制的算法,井馨出以DSP实现控制的软件流彝.通过实验.表明利用软件完成对三相逆变嚣控制是可行的.

关键词控卅逆变嚣SPWMDSP

目前,正弦逆变器的控制通常采用硬件方法和软件方法.但由于硬件固有缺点和不能实施先进的控制策略,致使逆变器的性能不能极大地提高.随着高速微处理器的问世,特别是高速运算、处理和控制能力的DSP出现.使得对逆变器采用新的控制方法成为可能.本文结台三相中频大功率静变电源开发的过程,将重点介绍用DsP实现对组合式三相正弦逆变器的控制方法.

一、组合式三相正弦逆变器?

组合式三相电路结构示意图如图1所示.组合式三相逆变器由三个单相逆变器组合而成,每耜逆变器采用结构上相互独立面统一控镧的电压型全桥逆变电路.只要控制三相基准正弦波互差120‘,将三台输出的地连在一起作为中线就可以实现三相四线铜的输出,提高对不平衡负载的适应能力.电压型单相全桥逆变原理电路如图2（a所示（图中控制电路及负载只为说明闭环控制原理而画.结合图1.图2可看出,Dc/AC部分由H桥和滤波电路组成,滤去谐波,获得交流电。

DSP控制电路完成对H轿中开关管的控制,并使输出交流电（电压、频率和波形稳定.

图l组台式三相电路结构示意图

¨呻

圈2电压蕾单相全桥逆变原理电路及波形

-奉文为军槭工程学院z006年度科研基金资助.

・69・

由于采用正弦波调制渡（U|sim啦与三角波载波（幅值为U的正

三角渡、频率为珊f相交（如图3而获得的SPwM波具有基波频率为

调制渡的频率,基波幅值与调制比M（M=UI/仉成正比关系t谐波含

量步等优点‘”.正弦逆变器多采用SPwM控制,利用调制波控翻输出

波形频率,调整M来控制输出电压幅值.

工作时,DsP控制电路输出12路单极性的SPwM渡实现对各相

的独立控制,并使得各相问SPWM渡互差120。

以实现三相SPWM控

制渡.就每一相而言.每周期输出图2（b波形.这样,对三路相位互

差120’的图2（b波形进行滤波,即可以获得频宰为虮.幅值正比与调

制比M的三相正弦交流电.

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衄皿

二、组合式三相正弦逆变器控制方案和控制信号的数字化

（一控制方案

对逆变器的控制主要包括SPwM的控锕方式（即H桥开关管开关方式和对SPwM脉宽的控制（即调整加,使输出电压稳定的反馈控制.且一般采用平均电压控制技术,即PI控翩,逆变器一般不对波形和频率进行控桶两部分.

SPwM控铜方式可分为单极性和双极性两种。

在传统的单极性或双极性控制方式中,开关管均工作在高频条件下,这样虽可以得到较理想的正弦输出电压波形,但也产生了较大的开关损耗,且频率越高,损耗越大.

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图I混合型单极性控翻方式（二SPWM波生成数字化

图4所示的混合型单投性控制（HSPwML,d~巩波形分别对应图2（a中yI~n开关管的驱动信号可较好地解决这一矛盾,既能得到理想的正弦波形。

又能适当地减小开关损耗D】.在这种工作方式下,工作在较高开关频率的2只功率管互补导通t保证得剜理想的正弦波形}另外2只功率管工作在输出基波频率条件下,从而减小了开关掼耗.该组合式三相正弦逆变器设计中,采用相位互差120。

的三相HSPWM控制方式.

图5为采用三角波作为载波的规则采样法获得的

趼1wM,在三角波零峰tD时刻对正弦调制波采样得蓟

D点,过D点作水平直线与三角波分别交于A点和B

点,在A点的时刻“和B点的时刻幻问输出高电平,

其他时刻输出为低.根据三角关系,可以得出,图5规则采样法

一=器・t・8in帆T。

=M・L・sin埘.T。

（1式中t口为脉冲宽度;逆变器控制信号中。

调制渡和载波频率一定,幻时刻为开倍三角波周期（维=l,2,…,N}N=丁J/Tc,N为载渡比,T.为正弦波周期,如果一个周期内有N个矩形渡,则第n个矩形渡的占空比D为。

D一^f-sin她n1I。

（2・70・

嗵

（三PI调节器数字化

图6为模拟Pl调节示意图.可以计算出,

yo—一惫（1+≤b‘v,一u+yl（3离散化后整理可得t

U.一一嘉（T,一L一鲁去骞（%一%+yIU卜,=一是（T,一y.一鲁去蓦（%一%+Ⅵ令“=“一%・^一t一‰一,一%.-n

可得lL,上=Lr卜1+K,（“一^一I+K庳・

上式印为增量式P1算法,其中出为采样时间,K,一急.Kr=是未爸出.=、墓千DSP的j空{Iill软件图6PI调节示意图

（4

（5

（6

实现逆变器控制主要依靠DsP芯片的事件管理模块（EVA、EvB和A/D转换模块部分.事件管理模块由通用定时器（提供时问基准、非对称/对称波形发生器、可缩程的死区发生单元、输出逻辑控制单元等组成,以实现相位互差120。

的三相HSPWM波.而A/D转换模块分别采样各相输出的平均电压并转换为数字信号.

（一HSPWM控制方式软件实现

如图5所示,SPWM波是将三角波和正弦波的幅值相比较而得到的.采用DSP产生兰相SPwM妓设置如下l

三角波的获得是将事件管理器计数模式设置为连续增减计数.其计数从0增到TxPR值再减到O.其周期为2×TxPR.即载波的周期为2×TxPR.由于正弦波采用在线计算影响运行速度.所以采用离线计算方法.在程序开始时,按照规则采样法计算nt处正弦值（即三角波和正弦波比较点的值,存于表格中,需要时通过中断蠢表寻值,调用时实现三相相位互差120。

.

三相SPwM波的获得是在DSP事件管理器的比较单元工作时.通用定时器的计数器TxCNT的值与比较寄存器CMPRx的值不断进行比较。

当两者匹配时,12路PwM电路按照输出逻辑输出6组每两路极性相反且3组每4路相位互差120。

的HSPWM波.在逆变器控制中,载波比固定.半个周期内输出的脉冲个数,占空比固定.TxPR值固定,形成三相SPWM的正弦波的CMPRx的值为T】【PR×M・sin地HT。

（即图5中D点正弦值,所以,在计敷器计敷最大时（TxCNT;TxPR,即三角波凸点处中断,更新CMPRx的值.就可以输出SPwM.

图4所示为每一相的HSPwM控制信号,叽与巩.u。

与吼极性相反,在DSP中只要需要两个全比较单元.组合式三相逆变电路由三个单相全桥逆变电路构成.需要利用DSP中6十全比较单元,即使事件管理器模块A产生相位互差120。

的三路U。

与U。

控制信号,事件管理器模块B产生相位互差120‘的三路U一与U-拉制信号,并且通过寄存器设置同一相的两组同步.就每一相HSPwM信号的产生,如在前半个周期,CMPRx设置为O,则辅出相对应的高、低电平控制信号,在后半周期,利用中断更新CMPRx的值即可获得圈4所示的Un与Ut的控制信号,U一与巩控制信号同理可获得.各相HsPwM控制信号互差120。

的相位关系采用查表时.各相的起始位置互差1/3获得.从而实现三相单极性HSPWM控制波输出.HsPWM控嗣信号产生软件漉程如图7所示.

・71・

圈7SPwM控制信号程序漉程圈

（二PI算法的软件实现

组合式三相逆变电路各相采用独立的电压闭环控制即平均电压反馈控制.工作时,各相需要分别采样输出电压的平均值,电压采样值低于3.3V可直接括人D{灌A/D通道进行转换获得y,（^,再确定KP和KI即可编程实现.

在实际应用中,还需要对Pl调节器加以限制.当偏差值输人较大时t输出值会很大,可能会使输出饱和,这样对开关管有很大的冲击.而且会导致系统不稳定.所以需要对PI调节器的输出限幅・即当I“（量I>‰时.令。

一‰或n一“。

.另外。

PI控制器中积分环节的目的主要是要消除静差、提高精度.但是在启动、结柬等电压大幅度变化时,系统在短时间内输出有很大的偏差,会造成PI运算的积分积累。

从而引起较大的超调,导致系统的振荡.所以根据实际情况.设定两值胗0.当Ic（^I>a耐,采用P控制。

这样可以避免过大的超词.而且保持系统较快的响应速度.当I。

强I≤占时,采用Pl控制,可保证系统的控制精度。

各相Pl调节程序流程如图所8示.

圈8Pl竭节程序逮

四、实验及结论

以DsP控制的12kw、230V、400Hz组合式三相逆变器,其各部分波形如图9所示.其中.图（a、・72・

（b以a相为侧说明控制和输出波形,图（c、（d以a^相为例说明控制和正弦输出渡形以及相位关系。

从实验结果说明.基于DsP控制的三相组合式逆变器可以满足要求.

参考文献

蛳各相VI和睨控翻信号0粗捆H桥输出控形

如II、h相V2控制信号‘瑭’b相柏m1I2粥V正弦逆变输出渡形

图9DSP产生HSPwM信号和400H2230v正弦渡形

l土|风君.正营波逆主嚣[M].北京t科学出版社,2002

2JaiP.A酗awaI.PowerEIectromcSyst啪s[M].北京I清单大学出版杜.2001

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4Moh蚰.undel8nd,Robbi∞.PowerElectronics（Converte鹉,Applicationst如dDesign[M].北京l离

等教育出版社,2004

作者简介

胨永利,男,讲师,主要从事电气控制教研室的教学与科研工作,研究方向为电能变换理论及应用技术.霍艳军,1976年出生,女,电力系统及其自动化专业在读硕士研究生,研究方向为电能变换理论及应用技术.通信地址t河北省石家庄市和平西路97号电气工程系电气控制教研室.电话,0311—87994737,邮政缩码1050003。

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组合式三相正弦逆变器控制软件设计作者：

作者单位：

陈永利，霍艳军军械工程学院电气工程系,河北石家庄,050003相似文献（10条1.学位论文刘承绪低地板轻轨车辅助逆变器并联研究2008随着城市轨道交通的发展，低地板轻轨车成为越来越重要的公共城市交通工具。

作为低地板轻轨车的重要组成部分，辅助逆变器工作的可靠性对整个车辆的运行有很大的影响。

基于辅助逆变器供电可靠性的考虑，本文提出了一种辅助逆变器并联方案，以增加低地板车辅助供电系统的总容量和运行稳定性。

首先，本文根据车辆辅助供电系统的特点，分析了现有的几种逆变器并联控制策略应用于辅助逆变器上的优缺点。

通过分析，本文提出了改进的主从控制并联方式，利用同步脉冲实现并联系统中各逆变模块交流输出相位同步，并用电压反馈和环流反馈实现各逆变模块输出电压稳定，输出电流均衡。

随后，根据提出的控制策略，本文设计了单台辅助逆变器，包括主电路，控制电路以及控制软件，并根据单台辅助逆变器设计了并联控制电路和并联控制软件，进一步构建了整个并联系统。

主电路设计中，功率器件采用IPM代替IGBT，具有体积小，驱动电路简单等优点。

选择合适的输入电容，使输入直流电压稳定；选择合适的滤波电容、电感，使输出交流电压谐波小，波形良好。

整个系统采用数字控制，利用TMS320F2812型DSP作为主控制器，另有CPLD配合工作。

通过对DSP和CPLD编程，DSP产生SPWM脉冲，脉冲通过CPLD和其他电路传送至功率器件，通过控制功率器件的开关实现直交逆变。

通过检测输出电压以及输出电流，控制系统调节交流输出电压幅值，实现负载端输出电压稳定，并在输出过流等异常状态下迅速进行保护措施。

辅助逆变器之间通过CAN总线通讯，互相传递电流值、逆变器工作状态等有用信息，用于并联时的环流调节和时序控制。

总之，整个控制系统具有处理速度快，处理精度高，保护措施完善等特点。

这提高了辅助供电系统的稳定性和输出精度。

最终，本文给出了该并联系统的仿真和实验结果，验证了方案的可行性，为低地板轻轨车辅助逆变电源的设计提供了参考。

2.学位论文何杰多电平技术及其在动态电压恢复器中的应用研究2008多电平技术较好地解决了功率器件开关频率和装置容量的矛盾，通过增加主电路输出电压的电平数来减小开关器件的du/dt以及电压的谐波含量，降低开关损耗，等效的提高变流器装置的开关频率，使用低压低频的小功率器件实现了高压大功率的电压输出，降低了成本，目前已经在高压直流输电系统、柔性交流输配电系统、高压大功率交流电动机的变频调速系统以及新能源发电的并网控制等领域得到了广泛应用。

　　动态电压恢复器是近些年出现的柔性交流输配电系统中又一重要成员，它串联于系统电压和敏感负荷之间，补偿由于母线电压跌落造成的敏感负荷电压缺损，是目前解决由电压跌落引起的电能质量问题中最经济、最有效的工具之一。

将多电平技术应用于动态电压恢复器可以在显著提高装置容量的同时，还可以改善输出电压的谐波特性。

　　本文就多电平技术展开研究，针对目前动态电压恢复器容量小、输出电压特性不佳等问题设计了新型多电平动态电压恢复器并做了系统仿真分析，在此基础上，完成了三电平逆变器实验样机的研制，主要研究成果如下：

　　针对目前多电平逆变器的特点分析了基于载波层叠、载波移相以及新型混合级联多电平调制策略并做了仿真分析，针对级联五电平逆变器，利用TMS320F2812DSP设计了基于不规则对称采样法的载波移相控制软件，实验表明，该算法不仅大大加快了运算速度，更能提高其运算精度，为多电平控制软件的设计奠定了基础。

　　针对不同模块数开关频率下级联多电平逆变器的输出电压做了频谱分析，结果表明：

级联多电平逆变器由于等效的提高了器件的开关频率，通过提高串联模块数和开关频率可以降低输出电压的谐波含量，改善谐波特性，以此为基础，设计了一种综合考虑转折频率、功率因数和滤波参数选择的的滤波器，通过仿真证明了它的合理性。

　　将级联多电平技术与载波移相技术相结合，针对6KV配电系统设计了5MVA无耦合变压器的十一电平动态电压恢复器，通过将级联多电平逆变器等效线性化，分析设计了单闭环和双闭环控制器，其中，双闭环控制器在电压外环控制的同时，引入了耦合电容器的电流反馈。

针对任意时刻的单相电路故障，对其电压跌落做了系统的电压补偿仿真分析，通过调整相应的参数可以提高系统的阻尼和稳定性，减小补偿电压的稳态误差。

　　在理论分析和仿真验证的基础上，本文设计并完成了800V/±150kVA的新型三电平原理样机，详细说明了三电平逆变器结构设计原理和参数选型，对传统载波层叠调制策略进行改进并设计了三电平功率单元的控制软件，利用2SD315A驱动芯片设计了驱动电路并完成了调试：

完成了三电平原理样机的安装和调试；设计了动模实验平台，完成了空载实验、负载实验、IGBT单管过电压实验和并网实验。

动模实验表明：

该装置性能良好，可方便应用于380VlkV系统的柔性输配电设备主电路拓扑结构。

3.会议论文吴红飞.胡海兵.邢岩一种基于半实物仿真的DSP控制逆变器的实验方法2009研究了一种数字控制逆变器系统中,快速设计和调试控制器的实验研究方法和平台。

忽略实际开关器件的特性,驱动电路和SPWM逆变桥等环节可以等效成放大环节。

将实际逆变器系统中的驱动电路、功率开关管和SPWM逆变桥用低功率的运算放大电路及逻辑电路模拟,由此建立的逆变器半实物仿真系统大大降低了系统的功率等级,并且能很好的反映实际系统的SPWM特性。

仿真和实验表明逆变器半实物仿真系统与实际系统是等效的,半实物仿真系统的建立为逆变器的数字控制算法研究及控制软件的调试等面向逆变器系统的研究提供了新的研究方法。

4.学位论文张蓉数字控制SPWM逆变器研究2006模拟控制经过多年的发展，已经非常成熟，但它仍然存在很多不足之处，随着DSP（数字信号处理器）的出现和发展，数字控制系统以其通用性强、抗干扰能力强、控制规律灵活、可实现先进控制算法和便于实时控制等优点成为现代电力电子技术发展的方向之一。

首先，本文介绍了三种经典的SPWM调制方式，包括双极性SPWM调制法，单极性SPWM调制法，倍频单极性SPWM调制法，通过比较最终选择了倍频单极性SPWM调制法作为本文所研究逆变器的调制方式。

在此基础上给出了系统的传递函数，分析了系统的稳定性和外特性。

其次，给出了系统的硬件结构框图，并设计了系统各个部分的硬件电路，包括主电路，驱动电路，采样电路和保护电路，以及数字控制系统的硬件电路，并完成了数字控制电路部分的PCB板的设计。

再次，在传统的PI调节器的基础上，给出了几种用DSP完成PI算法的方法，通过和DSP自身的特点相结合，本文最终选择用增量式PI算法。

并给出了系统控制软件的总体结构。

最后，基于DSP（TMS320LF2407A）完成了数字控制SPWM逆变器的原理试验，试验结果表明，数字控制在改善逆变器的动态和稳态性能方面也能获得良好的效果。

5.学位论文王春艳轨道车辆电力牵引与电气制动模拟运行控制软件的开发2005本文在已有的轨道车辆电力牵引与制动地面实验系统硬件平台上开发了牵引特性及制动特性控制子系统、列车运行实时仿真、实验数据采集与处理的测控软件。

主要利用工控机及数据采集板卡实现了对牵引电动机在牵引工况与制动工况下各主要参数的瞬时值进行采集，这些参数包括电机的力矩、转速以及牵引逆变器在各种工况下的的电流、电压，并实时显示这些参数的变化情况，对采集结果进行存储。

然后对采集的数据，按牵引计算的方法进行处理，并将处理结果对实验机组的力矩、转速进行控制，进而实现在实验台上对轨道车辆牵引系统在预定线路、预定载荷下，并在司机手柄实时控制下牵引工况及电气制动工况的运行情况进行模拟实验。

6.学位论文朱朝霞正弦波输出变频变压电源调制方式的研究2005本文针对正弦波输出逆变器SPWM调制方式及数字化控制策略的研究,以期得到具有高品质和高可靠性的变频变压电源.本文主要介绍了基于DSP数字控制的正弦波输出变压变频（VVVF电源不同调制方式的总体研究方案.其中包括SPWM逆变器不同调制方式下的特点、输出电压谐波分布、SPWM调制波的数字实现及不同调制方式下逆变器模型.在逆变器控制策略上采用电压瞬时值内环和平均值外环的双环控制方法,并用TMS320F240实现数字控制.电压瞬时值内

环保证输出电压波形的正弦度,平均值外环实现对输出电压幅值的控制.电压瞬时值内环和平均值外环均采用PI控制器,文中给出了PI控制器控制参数比较详细的设计过程.接着介绍了该变频变压逆变电源的DSP控制软件的流程图.另外还分析了逆变桥上下管驱动信号上的死区对输出电压波形的影响,最后给出了实验波形及三种不同调制方式下输出电压波形THD值比较.7.学位论文李东交流伺服系统研究1995该文分析了日本富士公司的TONSUC600-MB五坐标镗床交流伺服控制系统的控制原理,部分硬件及控制软件.在其基础上提出了自己设计的新方案.对原理分析的正确性及新方案的合理性做了研究,结果是满意的.随着交流伺服系统控制原理的改进和功率器件的更新,交流伺服系统得到广泛的应用.其核心逆变器的构成在其中起了重要作用.该文讨论了交流永磁伺服电动机的结构,特点和使用特性,同时对由IGBT构成的逆变器进行了研究和实验,使用了EXB851和2MB060-100器件.8.期刊论文J.Dudek.杜香芹不同类型逆变器功率损耗和输出电压品质的比较-变流技术与电力牵引2006,""（3重点对不同类型逆变器馈电的传动系统的功率损耗和输出电压品质进行了比较,逆变器类型包括采用dv/dt或正弦波滤波器的硬开关逆变器以及谐振或准谐振逆变器.谐振逆变器以ZCS谐振逆变器为代表,准谐振逆变器以直流环节采用高频变压器的ZVS准谐振逆变器为代表,给出了仿真和试验结果.在PSPICE环境下,模型仿真几乎全部使用实物.数字仿真时,采用异步电机和电缆组成的高频模型.实验测量是在现有逆变器实验模型上进行的,此模型专用于检测带有dv/dt（或正弦波滤波器选件的逆变器功能.测量时使用了LEMNormaD6100功率分析仪和一台基于PC平台的功率分析仪,并采用多功能插件NIDaq6024E和在LabVIEW环境下开发的控制软件.9.学位论文张莉基于DSP的应急电源系统的研究2008突然断电给人们正常的生活秩序和生产带来影响，致使特别重要的负荷造成重大的经济损失，所以高性能的应急电源已成为生产、生活中不可缺少的应急供电设备。

本文首先分析了高性能应急电源在各种场合的必要性和重要性。

介绍了国内外应急电源及逆变电源的研究现状，对当前国内外应急电源产品的特性、功能进行了分析。

应急电源的逆变输出及其控制是本文研究的重点，文中以介绍TI公司生产的TMS320系列的一款适合逆变器输出电压控制的芯片TMS320LF2407引出EPS的具体硬件设计，给出了部分电路的原理图。

本系统的软件设计，分为DSP控制软件和单片机软件两部分，介绍了各部分的设计方法并给出了部分程序流程图。

最后给出了实验结果并加以分析。

10.学位论文陈新苗基于DSP控制的静止无功发生器的研究与试验2005静止无功发生器（SVG是柔性交流输电系统中的一种重要的控制器。

它是电力行业世界前沿科技柔性交流输电系统中的重要组成部分。

本文介绍了静止无功发生器的发展和现状，分析了它的工作原理和控制方法，并设计了以电力电子元件IGBT为核心器件的功率主电路；设计了以数字信号处理器为基础的控制电路；结合数字信号处理器的软件编程特点，编写了以SPWM为核心内容的控制软件。

同时研制了SVG的实验装置，并且在实验室的环境下进行了多种特性试验，证实了该装置的可行性。

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2010年7月23日