基于dsp的數(shù)字逆變電源設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</b></p><p>　　基于TMS320LF2407A的數(shù)字逆變電源的設(shè)計(jì)</p><p>　　THE DESIGN OF DIGITAL INVERTER BASED ON TMS320LF2407A</p><p>　　學(xué)院（部）：電氣與信息工程學(xué)院</p><p&g

2、t;　　專業(yè)班級(jí)： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2013年 06 月 01 日</p><p>　　基于TMS320LF2407A的數(shù)字逆變電源的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要&l

3、t;/b></p><p>　　逆變電源是一種采用電力電子技術(shù)是進(jìn)行電能變換的裝置，它從交流或直流輸入獲得穩(wěn)壓恒頻的交流輸出。逆變電源技術(shù)是一門綜合性的產(chǎn)業(yè)技術(shù)，它橫跨電力、電子、微處理器及自動(dòng)控制等多學(xué)科領(lǐng)域，是目前電力電子產(chǎn)業(yè)和科研的熱點(diǎn)之一。逆變電源廣泛應(yīng)用于航空、航海、電力、鐵路交通、郵電通信等諸多領(lǐng)域。電源技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)字控制系統(tǒng)控制的電源取代傳統(tǒng)電源已成為必然。</p><

4、p>　　逆變電源的發(fā)展是和電力電子器件的發(fā)展聯(lián)系在一起的，器件的發(fā)展帶動(dòng)著逆變電源的發(fā)展。目前逆變電源的核心部分就是逆變器和其控制部分，雖然在控制方法上已經(jīng)趨于成熟，但是其控制方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)還是有所困難。因此，對(duì)逆變電源的控制和逆變器進(jìn)行深入研究具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，逆變技術(shù)目前已朝著全數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。而作為專用的DSP的出現(xiàn)，更是為研究和設(shè)計(jì)

5、新型的逆變電源提供了更方便、更靈活、功能更強(qiáng)大的技術(shù)平臺(tái)。本文采用美國(guó)德州儀器公司(TI)新近推出的一種TMS320LF2407A數(shù)字信號(hào)處理器，作為逆變電源中的核心控制部分進(jìn)行研究。以實(shí)現(xiàn)所研制的逆變裝置能輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦交流電。</p><p>　　本文主要分析了變頻電源技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)和存在的難點(diǎn)，指出論文的研究?jī)?nèi)容和意義。詳細(xì)討論了逆變器的SPWM調(diào)制法工作原理，介紹了數(shù)字實(shí)現(xiàn)時(shí)對(duì)稱規(guī)則采樣法和不對(duì)稱規(guī)則

6、采樣法的特點(diǎn)。通過(guò)分析SPWM波形產(chǎn)生規(guī)律和特點(diǎn)，選擇了以不對(duì)稱規(guī)則采樣法為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的單極性SPWM控制，并且具體介紹了DSP實(shí)現(xiàn)SPWM。文中設(shè)計(jì)出了整個(gè)逆變電源的硬件結(jié)構(gòu)，其主要核心部分是IPM和DSP控制部分。這兩部分的結(jié)合使得該電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良。并且針對(duì)DSP控制系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，給出了相應(yīng)的軟件流程圖。</p><p>　　關(guān)鍵詞：逆變電源，SPWM，TMS320LF2407A,IPM

7、</p><p>　　THE DESIGN OF DIGITAL INVERTER BASED ON TMS320LF2407A</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Inverter is a power electronic technology is used for energy conversion

8、 device, which obtained from AC or DC input voltage constant frequency AC output. Inverter technology is a comprehensive contention industry technology, it stretches electricity, electronics, microprocessors and other mu

9、lti-disciplinary field of automatic control, is the power electronics industry and scientific research hot spots. Power inverter is widely used in aviation, marine, electric power, railway transport, post and </p>

10、<p>　　The development of power inverter and power electronic devices linked to the development of the device led to the development of power inverter development. Currently inverter is the core part of the inverter

11、 and its control part, although the control method has become mature, but its control method to achieve it is still somewhat difficult. Therefore, the inverter and the inverter to control depth study has great practical

12、significance.</p><p>　　With the rapid development of modern science and technology. As inverter technology has been moving all-digital, intelligent, network oriented direction. As a dedicated DSP appearance,

13、 but also for research and design of new power inverter provides a more convenient, more flexible, more powerful technology platform. In this paper, Texas Instruments(TI)recently introduced a TMS320LF2407A digital signal

14、 processor as the core power inverter control part of research. Developed in order to achieve th</p><p>　　This paper analyzes the variable frequency power supply technology status, trends and the presence of

15、 difficulties, that the thesis content and meaning. Discussed in detail SPWM modulation inverter principle, introduced a digital realization symmetric and asymmetric sampling rules the rules of sampling characteristics.

16、SPWM waveform generated by analyzing the rules and characteristics, chose to asymmetric regular sampling method is based on the realization of the unipolar SPWM control, and speci</p><p>　　KEYWARDS:inverter,

17、spwm,tms320lf2407a,ipm</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要(中文)II</b></p><p>　　摘要(外文)IIII</p><p><b>　　1.緒論1</b></p><p>

18、<b>　　1.1引言1</b></p><p>　　1.2逆變器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1</p><p>　　1.2.1逆變器的現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.2逆變器的發(fā)展趨勢(shì)2</p><p>　　1.3主要內(nèi)容和章節(jié)安排4</p><p>　　2.逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及控制策略5&l

19、t;/p><p>　　2.1現(xiàn)代逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)5</p><p>　　2.2 SPWM控制技術(shù)及其原理6</p><p>　　2.2.1逆變系統(tǒng)的原理6</p><p>　　2.2.2 SPWM控制基礎(chǔ)8</p><p>　　2.2.3 PWM波形的基本原理9</p><p>　　2.3

20、 SPWM采樣方法對(duì)比分析9</p><p>　　2.4 SPWM控制方式分析13</p><p>　　2.4.1單極性SPWM控制方式14</p><p>　　2.4.2雙極性SPWM控制方式15</p><p>　　2.4.3單極性和雙極性調(diào)制比較16</p><p>　　2.5使用DSP實(shí)現(xiàn)SPWM波

21、16</p><p>　　2.5.1 DSP的事件（EV）管理器模塊介紹16</p><p>　　2.5.2 DSP中斷及中斷向量20</p><p>　　2.5.3 DSP控制三相SPWM波形產(chǎn)生原理分析21</p><p>　　3.基于DSP系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與研究23</p><p>　　3.1三相逆變電源主

22、電路結(jié)構(gòu)的比較分析23</p><p>　　3.2基于DSP系統(tǒng)的逆變電源硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)24</p><p>　　3.2.1硬件結(jié)構(gòu)圖24</p><p>　　3.2.2整流、濾波電路的設(shè)計(jì)24</p><p>　　3.2.3輸出濾波電路的設(shè)計(jì)26</p><p>　　3.3智能功率模塊IPM的設(shè)計(jì)27<

23、;/p><p>　　3.3.1 智能功率模塊IPM的介紹27</p><p>　　3.3.2 IPM模塊的選擇28</p><p>　　3.3.3 DSP與IPM的連接電路29</p><p>　　3.4 DSP控制電路的設(shè)計(jì)30</p><p>　　3.4.1 DSP芯片的特點(diǎn)與選取30</p>

24、<p>　　3.4.2以TMS320LF2407A為核心的控制電路設(shè)計(jì)31</p><p>　　3.4.3電源電路的設(shè)計(jì)35</p><p>　　3.5硬件系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)36</p><p>　　4.逆變電源的軟件設(shè)計(jì)37</p><p>　　4.1 DSP系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)37</p><p>　　4.

25、1.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)37</p><p>　　4.1.2初始化模塊38</p><p>　　4.1.3利用查表法生產(chǎn)SPWM波39</p><p>　　4.1.4故障中斷處理程序的設(shè)計(jì)39</p><p>　　4.2初始化程序設(shè)計(jì)40</p><p>　　4.3軟件系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)42</p>

26、<p><b>　　結(jié)論43</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)44</b></p><p><b>　　致謝46</b></p><p><b>　　1.緒論</b></p><p><b>　　1.1引言</b

27、></p><p>　　逆變電源技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，是電力電子技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分，綜合了現(xiàn)代電力電子開(kāi)關(guān)器件應(yīng)用、功率變換、模擬數(shù)字電子技術(shù)、PWM技術(shù)以及控制技術(shù)等多門學(xué)科的實(shí)用技術(shù)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，逆變電源越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，早期的逆變電源，只需要其輸出不斷電，穩(wěn)壓、穩(wěn)頻即可。然而，今天的逆變電源除這些要求外，還必須環(huán)保無(wú)污染，即綠色環(huán)保逆變電源。高性能的逆變電源必須滿足：高輸

28、入功率因數(shù)，低輸出阻抗；快速的暫態(tài)響應(yīng)，穩(wěn)態(tài)精度高；穩(wěn)定性高，效率高，可靠性高；完善的網(wǎng)絡(luò)功能；智能化；低的電磁干擾。顯然這些要求的實(shí)現(xiàn)都離不開(kāi)數(shù)字化控制技術(shù)。傳統(tǒng)的逆變電源采用模擬電路控制，但模擬控制存在許多固有的缺點(diǎn)：</p><p>　　(1)因采用大量分散元件和電路板導(dǎo)致硬件成本偏高，系統(tǒng)可靠性下降；</p><p>　　(2)由于人工調(diào)試器件的存在，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低及控制系統(tǒng)一致

29、性差；</p><p>　　(3)器件老化及熱漂移問(wèn)題存在導(dǎo)致逆變電源輸出性能下降，甚至導(dǎo)致輸出失??；</p><p>　　(4)產(chǎn)品升級(jí)換代困難，每一個(gè)新型逆變電源都要求重新設(shè)計(jì)、制造控制系統(tǒng)；</p><p>　　(5)模擬控制的逆變電源監(jiān)控功能有限，一旦出現(xiàn)故障，要想恢復(fù)正常，技術(shù)人員必須親赴現(xiàn)場(chǎng)。但是由于微處理器的速度問(wèn)題，逆變電源的控制仍然采用模擬電路進(jìn)行

30、。</p><p>　　數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為信息社會(huì)的主流。隨著高性能的DSP控制器的出現(xiàn)，逆變電源的全數(shù)字控制成為現(xiàn)實(shí)。DSP能夠?qū)崟r(shí)地讀取逆變電源的輸出，并實(shí)時(shí)地計(jì)算出PWM輸出值，使得一些先進(jìn)的控制策略應(yīng)用于逆變電源的控制成為可能。可對(duì)于逆變電源大量非線性電子負(fù)載動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生的諧波，進(jìn)行動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償從而使得輸出諧波達(dá)到可接受的水平。</p><p>　　1.2逆變器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)&

31、lt;/p><p>　　1.2.1逆變器的現(xiàn)狀</p><p>　　電源系統(tǒng)是現(xiàn)代電子設(shè)備不可或缺的重要組成部分。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各行各業(yè)對(duì)電氣設(shè)備控制性能要求的提高，逆變技術(shù)在許多領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，對(duì)電源性能的要求越來(lái)越高。主要表現(xiàn)出以下幾種趨勢(shì)：高頻化；模塊化；數(shù)字化；綠色化。</p><p>　　對(duì)于逆變電源以上的要求，DSP的出現(xiàn)加快了該趨勢(shì)的

32、發(fā)展。由于DSP使得芯片功能得到大大的加強(qiáng)，它特點(diǎn)在于采用并行體系的哈佛結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)吞吐能力；流水線減少了指令執(zhí)行時(shí)間；專用硬件乘法器；特殊DSP指令；快速的指令執(zhí)行周期，最快的已經(jīng)達(dá)到20ns以下，為通常微處理器芯片數(shù)據(jù)處理速度的十倍以上。正因?yàn)镈SP的強(qiáng)大、高速數(shù)據(jù)處理功能，逆變電源的數(shù)字化產(chǎn)品才越來(lái)越受到用戶的青睞。采用DSP控制的逆變電源系統(tǒng)主要有以下的優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　(1)系統(tǒng)可以采用先

33、進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使得逆變器的智能化程度更高，性能更加完善；</p><p>　　(2)控制靈活、系統(tǒng)升級(jí)方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必對(duì)硬件電路做改動(dòng)，這給逆變器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了很大的方便，即系統(tǒng)升級(jí)更新?lián)Q代所需的周期短，成本低，而且維護(hù)起來(lái)也很方便；</p><p>　　(3)減少控制元件數(shù)量，提高系統(tǒng)抗干擾能力；</p><p>　　(4)控

34、制系統(tǒng)的可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)化；</p><p>　　(5)系統(tǒng)維護(hù)方便。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，通過(guò)接口進(jìn)行調(diào)試即可，而且可以通過(guò)查詢歷史記錄來(lái)進(jìn)行修復(fù)；</p><p>　　(6)系統(tǒng)一致性好，成本低，生產(chǎn)制造方便；</p><p>　　(7)易于組成并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)。</p><p>　　1.2.2逆變器的發(fā)展趨勢(shì)</p><

35、p>　　影響逆變技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要因素是：(1)PWM軟開(kāi)關(guān)技術(shù)：(2)數(shù)字化控制技術(shù)。</p><p>　?。?)PWM軟開(kāi)關(guān)技術(shù)</p><p>　　逆變器的脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)早在晶閘管時(shí)代就已經(jīng)出現(xiàn)了，正弦脈寬調(diào)制(SPWM)在全控型器件出現(xiàn)以后得到了迅速的發(fā)展，這種技術(shù)是用一種參考波(通常是正弦波，有時(shí)也用階梯波或方波等)為“調(diào)制波”，而以N倍于調(diào)制波頻率的正三角波或鋸齒

36、波為“載波"。由于正三角波或鋸齒波的上下寬度是線性變化的波形，因此它與調(diào)制波相交時(shí)，就可以得到一組幅值相等，而寬度正比于調(diào)制波函數(shù)值的矩形脈沖序列來(lái)等效調(diào)制波。用開(kāi)關(guān)量取代模擬量，并通過(guò)對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)管的通斷控制，把直流電變成交流電。因?yàn)楫?dāng)調(diào)制波為正弦波時(shí)，輸出矩形脈沖序列的脈沖寬度按正弦函數(shù)規(guī)律變化，因此，這種調(diào)制技術(shù)通常又稱為正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)。</p><p>　　隨著大功率高頻全控開(kāi)關(guān)器

37、件大量出現(xiàn)，逆變器的PWM控制技術(shù)受到了人們的高度重視并且得到了飛速的發(fā)展。尤其是最近幾年，微處理器用于實(shí)現(xiàn)PWM控制技術(shù)后，使得現(xiàn)代控制理論的控制方法能夠應(yīng)用于逆變器的PWM控制，大大提高了現(xiàn)代逆變器的性能。而且由于采用了數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)PWM控制，使得逆變器的控制電路簡(jiǎn)化，穩(wěn)定性提高，逆變器的數(shù)字化控制已成為逆變器發(fā)展的主流。</p><p>　　PWM軟開(kāi)關(guān)逆變技術(shù)是當(dāng)今電力電子學(xué)領(lǐng)域最活躍的研究?jī)?nèi)容之一，是實(shí)

38、現(xiàn)電力電子技術(shù)高頻化的最佳途徑，也是一項(xiàng)理論性很強(qiáng)的研究工作。它的研究對(duì)于逆變器性能的提高和進(jìn)一步推廣應(yīng)用，以及對(duì)電力電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，都有十分重要的意義，是當(dāng)前逆變器的發(fā)展方向之一。但這里必須指出，軟開(kāi)關(guān)并不是沒(méi)有損耗的，它只是把開(kāi)關(guān)器件本身的一部分開(kāi)關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到了為實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)而附加的諧振電路中的諧振元件上，總量上可能有所減少。</p><p>　　軟開(kāi)關(guān)逆變技術(shù)研究的重要目的之一是實(shí)現(xiàn)PWM軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，也就是

39、將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)引進(jìn)到PWM逆變器中，使它既能保持原來(lái)的優(yōu)點(diǎn)，又能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)工作。為此，必須把LC與開(kāi)關(guān)器件組成一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)，使PWM逆變器只有在開(kāi)關(guān)切換過(guò)程中才產(chǎn)生諧振，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)通和關(guān)斷，一般工作情況下則不發(fā)生諧振，以保持PWM逆變器工作特點(diǎn)。</p><p>　　(2)數(shù)字化控制技術(shù)</p><p>　　逆變電源的數(shù)字化并不是簡(jiǎn)單地指在系統(tǒng)中應(yīng)用了數(shù)字器件，如單片機(jī)及FPGA等，

40、而是指整個(gè)系統(tǒng)的控制都由數(shù)字器件(主要指微處理器)的計(jì)算算法和控制算法實(shí)現(xiàn)，極大地簡(jiǎn)化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和控制精度，這是現(xiàn)代逆變技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。</p><p>　　與數(shù)字化相適應(yīng)，各種各樣的逆變電源離散控制方法紛紛涌現(xiàn)，包括數(shù)字PID控制、無(wú)差拍控制、數(shù)字滑變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，有力地推動(dòng)逆變電源控制技術(shù)的發(fā)展。下面簡(jiǎn)述逆變電源的主要控制策略：</p><

41、p>　　①PD控制是一種傳統(tǒng)控制方法，由于其算法簡(jiǎn)單成熟，設(shè)計(jì)過(guò)程中不過(guò)分依賴系統(tǒng)參數(shù)，魯棒性好、可靠性高，在模擬控制的正弦波逆變電源系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。PID控制算法具有較快的動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)特性。</p><p>　?、跓o(wú)差拍控制是一種基于精確的PWM逆變器模型的控制方法，它主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的零極點(diǎn)對(duì)消。1959年是由Kalmal首先提出的。1985年，Gokhale在PESC年會(huì)上提出將無(wú)差拍控制應(yīng)用于

42、逆變器控制。此控制方法一旦系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化或系統(tǒng)模型建立不準(zhǔn)確，系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)振蕩，空載時(shí)振蕩尤其嚴(yán)重。</p><p>　　③狀態(tài)反饋控制是由臺(tái)灣鄒應(yīng)嶼等人于1944年提出的。此控制方法的數(shù)學(xué)模型與無(wú)差拍控制的一樣，一般是根椐時(shí)域指標(biāo)提出一組期望的極點(diǎn)，通過(guò)對(duì)反饋增益矩陣的設(shè)計(jì)，使閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)恰好處于根平面上所期望的位置，以獲得期望的動(dòng)態(tài)特性即所謂的極點(diǎn)配置問(wèn)題。此控制方法可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)極點(diǎn)的配置，所以克服了無(wú)差拍

43、控制空載時(shí)振蕩的缺點(diǎn)，逆變器工作在一種穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p>　?、苤貜?fù)控制是一種十分有效的波形校正技術(shù)，是基于內(nèi)模原理的控制技術(shù)。此控制方法近年來(lái)在UPS逆變電源的波形控制中得到應(yīng)用并獲得了良好的控制效果。它對(duì)于消除非線性負(fù)載及其它周期性干擾引起的波形畸變，具有非常明顯的效果。系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性都很好，但是由于存在一個(gè)周期輪空不調(diào)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性較差。</p><p>　　⑤滑模變結(jié)構(gòu)

44、控制理論始于五十年代，實(shí)質(zhì)上是一種非連續(xù)的開(kāi)關(guān)控制方法，它強(qiáng)迫系統(tǒng)的跟蹤誤差及其導(dǎo)數(shù)運(yùn)行于相平面一條固定的滑模曲線上，與系統(tǒng)參數(shù)變動(dòng)及外部擾動(dòng)無(wú)關(guān)，因此系統(tǒng)有極強(qiáng)的魯棒性。但是，變結(jié)構(gòu)控制中存在抖動(dòng)問(wèn)題，使得波形跟蹤質(zhì)量較差，輸出波形不及重復(fù)控制和無(wú)差拍控制。</p><p>　　⑥模糊控制，主要是模糊PID控制，是為了解決傳統(tǒng)PID控制魯棒性差的問(wèn)題而提出的一種智能控制策略。它首先將輸入的精確量(一般為跟蹤誤差

45、及其導(dǎo)數(shù))轉(zhuǎn)換為模糊量，然后根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的語(yǔ)言規(guī)則進(jìn)行模糊推理，根據(jù)推理結(jié)果確定當(dāng)前情況下最適合的PD控制器參數(shù)，能改善系統(tǒng)對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)能力。</p><p>　?、呱窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是近幾年來(lái)興起的一種智能控制方式，90年代初，日本的Yoshihisa等人將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到逆變器中，構(gòu)成一個(gè)數(shù)字電流調(diào)節(jié)器。1999年，香港大學(xué)的Xiao Sun及浙大的Frank H.F Leung等人將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)

46、用到逆變器輸出波形控制上。但是由于學(xué)習(xí)清況比較復(fù)雜，該方法目前僅限于實(shí)驗(yàn)室階段。</p><p>　　數(shù)字控制變換器在實(shí)際使用中還存在許多待解決的問(wèn)題，例如：變換器開(kāi)關(guān)動(dòng)作對(duì)采樣的嚴(yán)重干擾；檢測(cè)的量化誤差導(dǎo)致控制精度顯著下降；高速運(yùn)行下數(shù)字化脈寬調(diào)制時(shí)間分辨率的下降；開(kāi)關(guān)功率變換器數(shù)字化的數(shù)學(xué)模型研究不夠深入等。因此，逆變器的數(shù)字控制技術(shù)仍處于不斷改進(jìn)完善的過(guò)程中，仍然是逆變電源領(lǐng)域中的關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容。</p

47、><p>　　1.3主要內(nèi)容和章節(jié)安排</p><p>　　本文的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)一個(gè)基于DSP控制的低成本、多功能、易維護(hù)、升級(jí)方便的三相逆變電源系統(tǒng)。</p><p>　　第一章為緒論部分，引入了逆變電源的概念，并論述了逆變電源結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。</p><p>　　第二章深入研究了SPWM控制原理與模式，并針對(duì)諧波問(wèn)題，采用優(yōu)良的S

48、PWM波形采樣方案，使其諧波含量大大降低。</p><p>　　第三章具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于TMS320LF2407A芯片的數(shù)字逆變電源硬件電路。</p><p>　　第四章具體介紹基于TMS320LF2407A芯片的數(shù)字逆變電源軟件系統(tǒng)及系統(tǒng)流程圖的設(shè)計(jì)。</p><p>　　最后對(duì)整篇論文進(jìn)行了總結(jié)。</p><p>　　2.逆變系統(tǒng)基本結(jié)

49、構(gòu)及控制策略</p><p>　　2.1現(xiàn)代逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　逆變的直接功能是將直流電變換成交流電。逆變系統(tǒng)的核心就是逆變開(kāi)關(guān)電路，或者叫逆變電路，通過(guò)電力電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，完成逆變的功能。電力電子開(kāi)關(guān)器件的通斷，需要一定的驅(qū)動(dòng)脈沖，這些脈沖可以通過(guò)改變一個(gè)電壓信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)，產(chǎn)生和調(diào)節(jié)脈沖的電路通常稱為控制電路(或控制回路)。逆變電路中，除了逆變電路和控制電路之外，還

50、要有保護(hù)電路、輔助電源、輸入電路、輸出電路等等。</p><p>　　下面對(duì)各個(gè)部分做一些簡(jiǎn)單介紹：</p><p><b>　　(1)輸入電路</b></p><p>　　逆變主電路輸入為直流電，若是直流電網(wǎng)(如煤礦，礦山，電車等)、蓄電池貯存的電，或者是直流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電，或者直流電動(dòng)機(jī)和變頻調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)再生直流電，則輸入電路包括濾

51、波電路和EMI對(duì)策電路。若是交流電網(wǎng)，除了濾波和EMI對(duì)策電路外，首先還要有整流電路。</p><p><b>　　(2)輸出電路</b></p><p>　　輸出電路一般都包括輸出濾波電路和EMI對(duì)策電路，對(duì)直流輸出的逆變系統(tǒng)還包括輸出整流電路。對(duì)隔離式逆變器，在輸出電路的前面還有逆變變壓器。對(duì)于開(kāi)環(huán)控制的逆變系統(tǒng)，輸出量不用反饋到控制電路，而對(duì)于閉環(huán)控制逆變系統(tǒng)，

52、輸出量還要反饋到控制電路。</p><p><b>　　(3)控制電路</b></p><p>　　控制電路的功能是按要求產(chǎn)生和調(diào)節(jié)一系列的控制脈沖來(lái)控制逆變開(kāi)關(guān)管的一導(dǎo)通和關(guān)斷，從而配合逆變電路完成逆變功能。在逆變系統(tǒng)中，控制電路和逆變主電路同樣重要。</p><p>　　(4)輔助電源和保護(hù)電路</p><p>　　

53、輔助電源的功能是將逆變器的輸入電壓變換成適合控制電路工作的直流電壓。若是直流輸入，則是一個(gè)或幾個(gè)DC/DC變換器：若是交流輸入，則可以采用工頻降壓、整流、線性穩(wěn)壓的方式，當(dāng)然也可以采用DC/DC變換器。</p><p><b>　　保護(hù)電路主要包括：</b></p><p>　?、佥斎脒^(guò)壓、欠壓保護(hù)。因?yàn)槭请娋W(wǎng)問(wèn)題，一般是可以自恢復(fù)的。</p><

54、p>　?、谳敵鲞^(guò)壓、欠壓保護(hù)。一般是故障問(wèn)題，最好是不可自恢復(fù)。</p><p>　?、圻^(guò)載保護(hù)。有時(shí)是瞬間過(guò)載，所以應(yīng)是可自恢復(fù)的。</p><p>　　④過(guò)流和短路保護(hù)。屬于故障，所以應(yīng)該是不可自恢復(fù)的。</p><p>　?、葸^(guò)熱保護(hù)。當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高或長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行，逆變器會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱自動(dòng)保護(hù)，但冷卻系統(tǒng)應(yīng)繼續(xù)工作，在溫度降到一定值后，應(yīng)能自動(dòng)恢復(fù)工作。

55、</p><p><b>　　(5)逆變主電路</b></p><p>　　逆變主電路就是由逆變開(kāi)關(guān)器件等組成的變換電路，分為非隔離式和隔離式兩大類。如變頻器、能量回饋等都是非隔離的，逆變焊接電源、通信基礎(chǔ)開(kāi)關(guān)電源、UPS、加熱電源等都是隔離式逆變電路。隔離式逆變主電路還應(yīng)包括逆變變壓器。非隔離式電壓變換電路形式有多種，是組成逆變主電路的基本形式，用它們也可以組成各種

56、隔離式逆交主電路。</p><p>　　2.2 SPWM控制技術(shù)及其原理</p><p>　　2.2.1逆變系統(tǒng)的原理</p><p>　　本文所研究的電源是為了在輸出得到穩(wěn)壓恒頻的交流電壓信號(hào)，故采用電壓型逆變電路。在同一直流電壓輸入情況下，全橋逆變電路輸出電壓是半橋逆變電路輸出電壓的二倍，故文中逆變電源逆變器部分采用全橋逆變電路。</p><

57、p>　　下面介紹電壓型全橋逆變電路：電路原理圖見(jiàn)圖2-1。</p><p>　　圖2-1電壓型全橋逆變電路</p><p>　　它共有四個(gè)橋臂，可以看成由兩個(gè)半橋電路組合而成。把橋臂1和4作為一對(duì)，橋臂2和3作為另一對(duì)，成對(duì)的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通 ，即1、4導(dǎo)通時(shí)關(guān)斷2、3；2、3導(dǎo)通時(shí)，關(guān)斷1、4。負(fù)載為阻感負(fù)載時(shí)，其輸出波形如圖2-2所示。圖中VDl，Vl，VD2，V

58、2相繼導(dǎo)通的區(qū)間，分別對(duì)應(yīng)與圖中的VDl和VD4，Vl和V4，VD2和VD3，V2和V3相繼導(dǎo)通的區(qū)間。值得注意的是，功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)雖然為 互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)模式，但是功率管的實(shí)際導(dǎo)通角則與負(fù)載電流-電壓相位角有關(guān)。當(dāng)負(fù)載為純阻性負(fù)載即逆變器的輸出電流、電壓相位角為零時(shí)，在電壓正半周功率管VT1、VT4導(dǎo)通，而在電壓負(fù)半周功率管VT3、VT2導(dǎo)通，即逆變器中的續(xù)流二極管不工作；而當(dāng)負(fù)載電流、電壓相位角不為零時(shí)，在電流正半周功率管由兩種導(dǎo)通組合，

59、即電壓正半周時(shí)VT1、VT4導(dǎo)通或電壓負(fù)半周時(shí)VD2、VD3導(dǎo)通，在電流負(fù)半周功率管也相應(yīng)由兩種導(dǎo)通組合，即電壓負(fù)半周時(shí)VT2、VT3導(dǎo)通或電壓正半周時(shí)VD1、VD4導(dǎo)通，顯然當(dāng)負(fù)載電流、電壓相位角不為零時(shí)續(xù)流二極管工作，以緩沖負(fù)載與逆變器直流側(cè)電容間的無(wú)功能量交換。</p><p>　　圖2-2電壓型全橋逆變電路輸出波形</p><p>　　對(duì)其電壓波形進(jìn)行定量分析，把幅值為 的矩形波

60、展開(kāi)成傅立葉級(jí)數(shù)得：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　其中基波的幅值 和基波有效值 分別為</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　于是由逆變

61、原理可知，如果控制IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷的頻率，那么輸出電壓的頻率和IGBT的開(kāi)關(guān)頻率便存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系：控制IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷的占空比，那么輸出電壓的有效值也和IGBT的開(kāi)關(guān)占空比便存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此產(chǎn)生精確控制IGBT開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)SPWM便成為了本文研究的重點(diǎn)。</p><p>　　2.2.2 SPWM控制基礎(chǔ)</p><p>　　在分析SPWM之前，必須要了解PWM(Puls

62、e Width Modulation，PWM)及其相關(guān)知識(shí)，這是通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制來(lái)等效地獲得所需波形包含形狀和幅值)的。</p><p><b>　　(1)沖量</b></p><p>　　沖量(指窄脈沖的面積)相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，即具有慣性環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同(低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異)，如圖2

63、-3所示，其中u(t)為電路的輸入信號(hào)，i(t)為輸出信號(hào)。</p><p>　　圖2-3 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形</p><p><b>　　（2）面積等效原理</b></p><p>　　在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即是窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果基本相同是

64、指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖2-4中a,b,c所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同，但它們的面積（即沖量）都等于1，那么，當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。上述被稱為面積等效原理，它是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。</p><p>　　圖2-4 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖</p><p>　　

65、2.2.3 PWM波形的基本原理</p><p>　　逆變器的種類很多，各自的具體工作原理、工作過(guò)程不盡相同，但是最基本的逆變過(guò)程是相同的。下面以最簡(jiǎn)單的單相橋式逆變電路為例，具體說(shuō)明逆變器的“逆變”過(guò)程。單相橋式逆變?cè)硪?jiàn)圖2-5（a）。該圖中輸入直流電壓為E,R代表逆變器的純電阻性負(fù)載。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1,S4接通后,電流流過(guò)S1,R和S4時(shí)，負(fù)載上的電壓極性是左正右負(fù)；當(dāng)開(kāi)關(guān)S1,S4斷開(kāi)，S2,S3接通后，電流流

66、過(guò)S2, R和S3，負(fù)載上的電壓極性反向。若兩組開(kāi)關(guān)S1,S4,S2,S3以頻率f交替切換工作時(shí)，負(fù)載R上便可得到頻率為f的交變電壓U0，其波形見(jiàn)圖2-5(b)，該波形為一方波，其周期T=1/f。圖示的電路和波形只是逆變過(guò)程基本原理的示意描述，實(shí)際上要構(gòu)成一臺(tái)實(shí)用型逆變器，還需要增加許多重要功能電路和輔助電路。</p><p>　　圖2-5 單相橋式逆變電路及其輸出波形</p><p>　

67、　單相正弦逆變電源中，逆變器要把市電經(jīng)整流濾波后得到的直流電或者由蓄電池提供的直流電，重新轉(zhuǎn)化為頻率非常穩(wěn)定，穩(wěn)定電壓受負(fù)載影響小的，波形畸變因數(shù)滿足負(fù)載要求的交流正弦波。</p><p>　　2.3 SPWM采樣方法對(duì)比分析</p><p>　　近年來(lái)，正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)以其優(yōu)良的傳輸特性成為電力電子裝置中調(diào)制技術(shù)的基本方式。</p><p>　　采櫸實(shí)

68、現(xiàn)SPWM調(diào)制方式可分為自然采樣法、對(duì)稱規(guī)則采樣法和不對(duì)稱規(guī)劃采樣法三種。下面對(duì)這幾種方法律簡(jiǎn)要的分析：</p><p>　?。?）自然采樣法。自然采樣法原理如圖2-6所示，用一個(gè)基波正弦波與一個(gè)三角載波相比較，由兩者的交點(diǎn)確定逆變器開(kāi)關(guān)模式。</p><p>　　圖2-6 自然采樣法</p><p>　　圖2-6中，為三角波的周期，為三角波的幅值，正弦波為,稱為采

69、樣周期，,及為正弦波與三角波兩個(gè)相鄰交點(diǎn)的時(shí)刻。由圖2-5可知</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式(2-4)中，為調(diào)制度，(即為正弦波幅值與三角波幅值之比)</p><p>　　0<<1,的值越大,則輸出電壓越高；</p><p>　　ω為正弦波角頻率，ω變化時(shí)，PWM脈沖

70、序列基波頻率也隨之改變。</p><p>　　為脈沖寬度， （2-5）</p><p>　　式(2-5)中，t1和t2不但與載波比(T為正弦波的周期)有關(guān)，而且是幅度調(diào)制比M的函數(shù)，求解tl、t2與M的關(guān)系比較復(fù)雜。</p><p>　　由此可知，自然采樣法得到的數(shù)學(xué)模型并不適合由微處理器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。</p><p&

71、gt;　?。?）對(duì)稱規(guī)則采樣法。規(guī)則采樣法就是將自然采樣法中的正弦調(diào)制波以階梯調(diào)制波進(jìn)行擬合后一種簡(jiǎn)化的SPWM脈沖信號(hào)發(fā)生方法，如圖2-7所示。</p><p>　　圖2-7 SPWM脈沖信號(hào)規(guī)則采樣法生成原理</p><p>　　值得注意的是，每個(gè)載波周期中，原正弦調(diào)制波與三角載波周期中心線的交點(diǎn)就是階梯波水平線段的中點(diǎn)。這樣，三角載波與階梯波水平線段的交點(diǎn)A,B兩點(diǎn)就分別落在正弦調(diào)制

72、波的上下兩邊，從而減少了以階梯波調(diào)制的誤差。另外，由于A,B兩點(diǎn)對(duì)于三角載波周期中心線對(duì)稱，因而使SPWM脈沖信號(hào)發(fā)生得以簡(jiǎn)化。由圖2-7，并根據(jù)相似三角形的幾何關(guān)系容易得出規(guī)則采樣法SPWM脈寬t2以及脈沖間隙時(shí)間t1，t3的表達(dá)式分別為</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p><b>　　(2-7)</b></p

73、><p>　　式中， 為三角載波周期中心的時(shí)間值。</p><p>　　由于 ， ，M均為已知量，因此，規(guī)則采樣法SPWM脈寬 的計(jì)算較為簡(jiǎn)便，適合基于微處理器的數(shù)字SPWM控制。</p><p>　?。?）不對(duì)稱規(guī)則采樣法是既在三角波的頂點(diǎn)位置，又在底點(diǎn)位置對(duì)正弦波進(jìn)行采樣，由采樣值形成階梯波，階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬在一個(gè)三角波的周期內(nèi)的位置不對(duì)稱的采樣方法

74、，其原理如圖2-8所示。</p><p>　　圖2-8 不對(duì)稱規(guī)則采樣法</p><p>　　由圖2-8得： </p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　脈沖寬度為： （2-9）</p><p>　　其中，（是采樣周期，是三角

75、波周期）</p><p>　　如圖2-8中，有 </p><p><b>　　（2-10）</b></p><p>　　即 k=0,1,2,3,…。k為偶數(shù)時(shí)是頂點(diǎn)采樣；k為奇數(shù)時(shí)是底點(diǎn)采樣。</p><p>　　由三角波頻率f1與正弦波頻率f之比為載波比N，則有: （2-11）</

76、p><p>　　將（2-10）代入（2-9）得</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　將（2-11）代入（2-8）得</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　由于載波頻率是恒定的，通過(guò)改變N的值就可以改變輸出SPWM波

77、的頻率。不對(duì)稱規(guī)則采樣法的數(shù)學(xué)模型盡管略微復(fù)雜一些，但由于其階梯波更接近于正弦波，所以諧波分量的幅值更小，在實(shí)際中得到更多的使用。</p><p>　　以上是單相SPWM波生成的數(shù)學(xué)模型，而這里我們要生成三相SPWM波，就必須使用三條正弦波和同一條三角波求交點(diǎn)。三條正弦波相位差，即:</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p&

78、gt;　　采用不對(duì)稱規(guī)則采樣法，則頂點(diǎn)采樣時(shí)有：</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　不對(duì)稱規(guī)則采樣法由于在一個(gè)載波周期里采樣兩次正弦波數(shù)值，該采樣值能更加真實(shí)的反映實(shí)際的正弦波數(shù)值，其輸出電壓也高于對(duì)稱規(guī)則采樣法。當(dāng)然由于采樣次數(shù)增大了一倍，使得數(shù)據(jù)處理量也大為增加，特別是當(dāng)載波頻率較高時(shí)，需要微處理器的運(yùn)算速度非常的快。而DSP以

79、其時(shí)鐘頻率可達(dá)到40MHz的優(yōu)勢(shì)，無(wú)疑解決了這個(gè)問(wèn)題。</p><p>　　綜上所述，本系統(tǒng)采用不對(duì)稱規(guī)則采樣法來(lái)生成SPWM。</p><p>　　2.4 SPWM控制方式分析</p><p>　　以單相全橋逆變電路（圖2-9）為例，對(duì)SPWM控制方式進(jìn)行分析研究。</p><p>　　圖2-9 單相全橋逆變電路</p>&l

80、t;p>　　圖2-9是采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的單相橋式電壓型逆變電路。設(shè)負(fù)載為阻感負(fù)載，工作時(shí)V1和V2的通斷狀態(tài)互補(bǔ)，V3和V4的通斷狀態(tài)也互補(bǔ)。具體的控制規(guī)律如下：在輸出電壓Uo的正半周，讓V1保持通態(tài)，V2保持?jǐn)鄳B(tài)，V3和V4交替通斷。由于負(fù)載電流比電壓滯后，因此在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。在負(fù)載電流為正的區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓Uo等于直流電壓Ud；V4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)V1和VD3續(xù)流，U

81、o=0。在負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間，仍為V1和V4導(dǎo)通時(shí)，因i0為負(fù)，故i0實(shí)際上從VD1和VD4流過(guò)，仍有Uo=Ud；V4關(guān)斷，V3開(kāi)通后，i0從V3和VD1續(xù)流，Uo=0。這樣，Uo總可以得到Ud和零兩種電平。同樣，在Uo的負(fù)半周，讓V2保持通態(tài)，V1保持?jǐn)鄳B(tài)，V3和V4交替通斷，負(fù)載電壓Uo可以得到-Ud和0兩種電平。</p><p>　　2.4.1單極性SPWM控制方式</p><p>

82、　　所謂單極性SPWM控制是指逆變器的輸出脈沖具有單極性特征。即當(dāng)輸出正半周時(shí)，輸出脈沖全為正極性脈沖；而當(dāng)輸出負(fù)半周時(shí)，輸出脈沖全為負(fù)極性脈沖。因此，必須采用使三角載波極性與正弦調(diào)制波極性相同的所謂單極性三角載波調(diào)制。</p><p>　　單極性SPWM控制方式指在 和 的交點(diǎn)時(shí)刻控制開(kāi)關(guān)器件的通斷。單極性SPWM控制方式波形如圖2-10所示。</p><p>　　在 處于正半周期間，V

83、T1保持導(dǎo)通，VT2保持關(guān)斷。當(dāng) > 時(shí)，VT4導(dǎo)通，VT3關(guān)斷，Uo=Ud；當(dāng) < 時(shí)，VT4關(guān)斷，VT3導(dǎo)通，Uo=0。</p><p>　　反之，在 處于負(fù)半周期間，VT1保持關(guān)斷，VT2保持導(dǎo)通。當(dāng) < 時(shí)，VT3導(dǎo)通，VT4關(guān)斷，Uo=-Ud;當(dāng) > 時(shí)，VT3關(guān)斷，VT4導(dǎo)通，Uo=0。</p><p>　　單極性SPWM控制由于采用了單極性三角載波調(diào)制

84、，從而使控制信號(hào)的發(fā)生變得較為復(fù)雜，因而很少采用。</p><p>　　圖2-10單極性SPWM控制方式波形</p><p>　　2.4.2雙極性SPWM控制方式</p><p>　　所謂雙極性SPWM控制是指逆變器的輸出脈沖具有雙極性的特征。即無(wú)論輸出正、負(fù)半周，輸出脈沖全為正、負(fù)極性跳變的雙極性脈沖。當(dāng)采用基于三角載波調(diào)制的雙極性SPWM控制時(shí)，只需要采用正、負(fù)

85、對(duì)稱的雙極性三角載波即可。</p><p>　　當(dāng)正弦調(diào)制波信號(hào)瞬時(shí)值大于三角載波信號(hào)瞬時(shí)值時(shí)，比較器的輸出極性為正，VT1、VT4導(dǎo)通有效，而VT2、VT3關(guān)斷有效，即VT1、VT4導(dǎo)通或VD1、VD4續(xù)流導(dǎo)通；同時(shí)，VT2(VD2)、VT3(VD3)關(guān)斷，此時(shí)，逆變器輸出為正極性的SPWM電壓脈沖。同理，當(dāng)正弦調(diào)制波信號(hào)瞬時(shí)值小于三角載波信號(hào)瞬時(shí)值時(shí)，比較器的輸出極性為負(fù),VT2、VT3導(dǎo)通有效，而VT1、V

86、T4關(guān)斷有效，即VT2、VT3導(dǎo)通或VD2、VD3續(xù)流導(dǎo)通；同時(shí)，VT2(VD2)、VT3(VD3)關(guān)斷，此時(shí)，逆變器輸出為負(fù)極性的SPWM電壓脈沖。雙極性SPWM控制的調(diào)制及逆變器的輸出波形如圖2-11所示。</p><p>　　圖2-11雙極性SPWM控制方式波形</p><p>　　2.4.3單極性和雙極性調(diào)制比較</p><p>　　單極性調(diào)制SPWM與雙極

87、性調(diào)制SPWM相比，載波為全三角波的單極性調(diào)制SPWM波形的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率是載波頻率的兩倍似極性則相等，即有倍頻的作用，易于濾波，并且每次開(kāi)關(guān)管開(kāi)通或關(guān)斷時(shí)，電壓跳動(dòng)幅度減小為雙極性調(diào)制SPWM的一半。另外，對(duì)于m=2的情況，對(duì)同樣的調(diào)制深度M，單極性調(diào)制SPWM波的諧波幅值明顯比雙極性調(diào)制SPWM波幅值小。因此，單極性調(diào)制SPWM波能更好的消除諧波。綜上所述，本系統(tǒng)采用的是以不對(duì)稱規(guī)則采樣法為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的單極性SPWM控制。</p

88、><p>　　2.5使用DSP實(shí)現(xiàn)SPWM波</p><p>　　2.5.1 DSP的事件（EV）管理器模塊介紹</p><p>　　傳統(tǒng)的產(chǎn)生SPWM波形的方法能夠用于逆變器中實(shí)現(xiàn)幅度和頻率可調(diào)的正弦波電壓。當(dāng)負(fù)載為線性時(shí)效果還好。但是當(dāng)該逆變器帶非線性負(fù)載時(shí)，電壓將發(fā)生畸變，諧波增加，嚴(yán)重影響負(fù)載的正常工作。DSP是一款高性能的數(shù)字處理芯片，它不僅運(yùn)算速度快，還有專

89、門用于實(shí)現(xiàn)PWM的片內(nèi)外設(shè)。通過(guò)應(yīng)用DSP我們可以方便的實(shí)現(xiàn)頻率很高的SPWM控制信號(hào)，從而減小濾波器的尺寸。而且DSP完全有可能用于逆變器中實(shí)現(xiàn)輸出電壓進(jìn)行逐點(diǎn)的控制。本文采用美國(guó)德州儀器公司(TI)新近推出的一種TMS320LF2407A數(shù)字信號(hào)處理器，作為逆變電源中的核心控制部分進(jìn)行研究。以實(shí)現(xiàn)所研制的逆變裝置能輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦交流電。</p><p>　　TMS320LF2407A包括兩個(gè)事件管理模塊EVA

90、和EVB，每個(gè)事件管理器模塊包括通用定時(shí)（GP）、比較單元、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路。EVA和EVB的定時(shí)器、比較單元以及捕獲單元的功能都相同，只是定時(shí)器和單元的名稱不同。事件管理模塊EVA和EVB有相同的外設(shè)寄存器，不同的程序起止地址。如表2-1所示，為事件管理模塊EVA/EVB及其信號(hào)名稱。</p><p>　　表2-1事件管理模塊EVA/EVB及其信號(hào)名稱</p><p>　　資

91、料來(lái)源：汪安民，張松燦，常春藤[M].北京：人民郵電出版社，2008.4(DSP技術(shù)實(shí)用叢書(shū))</p><p>　　EV模塊是形成SPWM波形的關(guān)鍵，本文采用的是EVB產(chǎn)生SPWM波形信號(hào)。針對(duì)本系統(tǒng)，就EV中幾個(gè)重要組成部分進(jìn)行說(shuō)明。定時(shí)器是事件管理器的核心模塊。TMS320LF2407A的定時(shí)器有如下功能:作為常規(guī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器使用；用于在TXPWM引腳上輸出頻率和脈寬可調(diào)的PWM波；與捕捉模塊結(jié)合測(cè)量CAP

92、x引腳上的脈寬；定時(shí)器3與比較模塊配合產(chǎn)生死區(qū)可調(diào)的6個(gè)PWM控制信號(hào):啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。它的工作方式有4種:停止/保持模式、連續(xù)增計(jì)數(shù)模式、定向增/減計(jì)數(shù)模式、連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式。采用連續(xù)增/減計(jì)數(shù)方式工作時(shí)，產(chǎn)生對(duì)稱的SPWM波，其工作過(guò)程如下:計(jì)數(shù)器的值由初值開(kāi)始向上增計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)寄存器T3PR值時(shí)，開(kāi)始遞減計(jì)數(shù)，直至計(jì)數(shù)器的值為零時(shí)(進(jìn)入中斷服務(wù)程序)又重新向上增計(jì)數(shù)，如此循環(huán)往復(fù)。在計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的過(guò)程中，計(jì)數(shù)器的值都與比較寄存器CM

93、PRx(x=4,5,6)的值作比較，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值與其相對(duì)應(yīng)的比較寄存器的值相等發(fā)生匹配，則對(duì)應(yīng)的該相方波輸出發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)。在每個(gè)載波周期內(nèi)，輸出的方波將發(fā)生兩次電平翻轉(zhuǎn)。只要在每個(gè)三角波載波周期根據(jù)在線計(jì)算改寫比較寄存器CMPRx的值，就可實(shí)時(shí)地改變脈沖的占空</p><p>　　每個(gè)事件管理模塊有兩個(gè)通用可編程定時(shí)器（GP）。定時(shí)器x（x=1,2對(duì)EVA；x=3,4,對(duì)EVB）包括：一個(gè)16位的定時(shí)器增/減的計(jì)

94、算器，可讀寫；一個(gè)16位的定時(shí)器比較寄存器，可讀寫；一個(gè)16位的定時(shí)器周期寄存器，可讀寫；一個(gè)16位的定時(shí)器控制寄存器，可讀寫；可選擇的內(nèi)部或外部輸入時(shí)鐘；用于內(nèi)部或外部時(shí)鐘輸入的可編程的預(yù)定標(biāo)器；控制和中段邏輯的用于4個(gè)可屏蔽的中斷—下溢、溢出、定時(shí)器比較和周期中斷可選擇方向的輸入引腳。</p><p>　　通用定時(shí)器的輸入有：內(nèi)部CPU時(shí)鐘、外部時(shí)鐘TCLKINA/B，最大頻率是CPU時(shí)鐘的1/4、方向輸入T

95、DIRA/B，控制通用定時(shí)器增/減計(jì)數(shù)、復(fù)位。</p><p>　　通用定時(shí)器的輸出：通用定時(shí)器比較輸出、至ADC模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)化啟動(dòng)信號(hào)、比較邏輯和比較單元的下溢、上溢、比較匹配和周期匹配信號(hào)、技術(shù)方向指示位。</p><p><b>　　1.比較單元</b></p><p>　　時(shí)間管理器（EVA）模塊中有3個(gè)全比較單元（比較單元1，2和3）

96、，每個(gè)模塊的比較單元包括：3個(gè)16位的比較寄存器，他們各帶一個(gè)可讀/寫的影子寄存器；一個(gè)可讀/寫的比較控制寄存器（COMCONA對(duì)于EVA模塊，COMCONB對(duì)于EVB模塊）；一個(gè)16位的比較方式控制寄存器；6個(gè)比較PWM（三態(tài)）輸出引腳；控制和中斷邏輯。其結(jié)構(gòu)如圖2-12所示。</p><p>　　圖2-12比較單元結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　比較輸入包括：控制寄存器的控制信號(hào)、通用定

97、時(shí)器1和3及他們的下溢和周期匹配信號(hào)、復(fù)位信號(hào)。比較操作模式有比較寄存器（COMCONx）決定，通用定時(shí)器1的計(jì)數(shù)器不斷與比較寄存器的值進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)生匹配時(shí)，比較單元的兩個(gè)輸出將根據(jù)方式控制寄存器（ACTRA）中的位進(jìn)行跳變。ACTRA寄存器中的位可以分別確定在比較匹配是每個(gè)輸出為高有效觸發(fā)（如果沒(méi)有強(qiáng)制高與低）。當(dāng)通用定時(shí)器1的計(jì)數(shù)器和比較單元的比較寄存器之間發(fā)生匹配且比較使能時(shí)，比較單元的比較中斷寄存器將被置位。如果中斷不屏蔽，則

98、產(chǎn)生外設(shè)中斷請(qǐng)求信號(hào)。輸出跳變的時(shí)序、中斷標(biāo)志位的設(shè)置和中斷請(qǐng)求的產(chǎn)生都與通用定時(shí)器的比較操作相同。俗呼出邏輯、死區(qū)單元和空間矢量PWM單元可改變比較單元在比較模式下的輸出。</p><p><b>　　2.脈寬調(diào)制電路</b></p><p>　　每個(gè)事件管理模塊可同時(shí)產(chǎn)生多達(dá)8路的PWM波形輸出，有3個(gè)帶殼變成控制的比較單元產(chǎn)生獨(dú)立的3對(duì)（即6個(gè)輸出），以及由GP

99、定時(shí)器比較產(chǎn)生的2個(gè)獨(dú)立的PWM輸出。</p><p><b>　　PWM的特性如下：</b></p><p>　　（1）16位寄存器；</p><p>　　（2）有從0到16 的可編程死區(qū)發(fā)生器控制PWM輸出對(duì)；</p><p>　　（3）最小的死區(qū)寬度為1個(gè)CPU時(shí)鐘周期；</p><p>　

100、　（4）對(duì)PWM頻率的變動(dòng)可根據(jù)需要改變PWM的載波頻率；</p><p>　　（5）在每個(gè)PWM周期內(nèi)以及之后可根據(jù)需要改變PWM脈沖的寬度；</p><p>　?。?）外部可屏蔽的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷；</p><p>　　（7）脈沖形式發(fā)生器電路，用于可編程的對(duì)稱、非對(duì)稱以及4個(gè)空間矢量PWM波形產(chǎn)生；自動(dòng)重裝載的比較和周期寄存器使CPU的負(fù)擔(dān)最小。</p&

101、gt;<p>　　對(duì)于每個(gè)EV模塊，與比較單元相關(guān)的PWM電路使帶有可編程死區(qū)和輸出極性控制的6路PWM輸出的產(chǎn)生成為可能。PWM波形產(chǎn)生的原理如圖2-13所示，包括非對(duì)稱波形發(fā)生器、可編程的死區(qū)單元(DBU)、輸出邏輯、空間矢量PWM狀態(tài)機(jī)。</p><p>　　采用LF2407的事件管理器，使用其中的脈寬調(diào)制電路來(lái)產(chǎn)生正弦SPWM波形。利用LF2407的事件管理器EVB產(chǎn)生3對(duì)(6個(gè))PWM波，

102、這些PWM波的輸出為一組連續(xù)的幅值相等而寬度不等的矩形波，再通過(guò)相同的LC低通濾波器(也可以是RC低通濾波器)平滑濾波后，在輸出端產(chǎn)生一個(gè)正弦波形。</p><p>　　通過(guò)以上分析知:軟件設(shè)定不一樣的CMPRx的時(shí)間值就可以得到不同寬度的脈沖，從而得到SPWM波形，CMPRx的裝載條件是周期匹配或計(jì)數(shù)器下溢匹配。</p><p>　　圖2-13 PWM電路結(jié)構(gòu)框圖</p>

103、<p>　　2.5.2 DSP中斷及中斷向量</p><p>　　TMS320LF240x系列DSP有豐富的中斷資源，其內(nèi)核提供一個(gè)不可屏蔽的中斷NMI和6個(gè)按優(yōu)先級(jí)獲得服務(wù)的可屏蔽中斷INT1至INT6，采用集中化的中斷擴(kuò)展設(shè)計(jì)來(lái)滿足大量的外設(shè)中斷需求,即這6個(gè)中斷級(jí)的每一個(gè)都可被很多外設(shè)中斷請(qǐng)求共享。</p><p>　　DSP通過(guò)中斷請(qǐng)求系統(tǒng)中的一個(gè)兩級(jí)中斷來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)可響應(yīng)

104、的中斷個(gè)數(shù)。因此，DSP的中斷請(qǐng)求/應(yīng)答硬件邏輯和中斷服務(wù)程序軟件都是一個(gè)兩級(jí)的層次。</p><p>　　在底層中斷，從幾個(gè)外設(shè)來(lái)的外設(shè)中斷請(qǐng)求（PIRQ）在中斷控制器處相或產(chǎn)生一個(gè)到CPU的中斷請(qǐng)求。在外設(shè)配置寄存器中，對(duì)每一個(gè)產(chǎn)生外設(shè)中斷請(qǐng)求的事件都有中斷使能位和中斷標(biāo)志位。如果一個(gè)引起中斷的外設(shè)事件發(fā)生且相應(yīng)的中斷使能位被置1，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從外設(shè)到中斷控制器的中斷請(qǐng)求，這個(gè)中斷請(qǐng)求反映了外設(shè)中斷標(biāo)志位的狀

105、態(tài)和中斷使能位的狀態(tài)，當(dāng)中斷標(biāo)志位被清0時(shí)，中斷請(qǐng)求也被清0。</p><p>　　在高層中斷，被或的多個(gè)外設(shè)中斷請(qǐng)求產(chǎn)生一個(gè)到CPU的中斷（INTn）請(qǐng)求，到LF240x的中斷請(qǐng)求信號(hào)是2個(gè)CPU時(shí)鐘脈沖寬的低電平脈沖。CPU總是響應(yīng)優(yōu)先級(jí)高的外設(shè)中斷請(qǐng)求。在CPU內(nèi)核，這些中斷標(biāo)志在CPU響應(yīng)中斷時(shí)自動(dòng)清0。</p><p>　　當(dāng)CPU接受中斷請(qǐng)求時(shí)，為了區(qū)別這些引起中斷的外設(shè)事件，

106、在每個(gè)外設(shè)中斷請(qǐng)求有效時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)唯一的外設(shè)中斷向量，這個(gè)外設(shè)中斷向量被裝載到外設(shè)中斷向量寄存器（PIVR）里面。CPU應(yīng)答外設(shè)中斷時(shí)，從PIVR寄存器中讀取相應(yīng)中斷的向量，并產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)到該中斷服務(wù)子程序入口的向量。</p><p>　　實(shí)際上DSP中斷有兩個(gè)向量表，CPU的向量表用來(lái)得到響應(yīng)CPU中斷請(qǐng)求的一級(jí)中斷服務(wù)子程序（GISR）。外設(shè)向量表用來(lái)得到響應(yīng)某一特定外設(shè)中斷服務(wù)子程序(SISR)。GISR中

107、的程序代碼應(yīng)該讀出PIVR中的值，在保存必要的上下文之后，用PIVR中的值來(lái)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)移到SISR的向量。</p><p>　　2.5.3 DSP控制三相SPWM波形產(chǎn)生原理分析</p><p>　　三相SPWM控制波裝載示意圖如圖2-14所示，圖中CMPR4、CMPR5、CMPR6分別對(duì)應(yīng)于U、V、W三相。一個(gè)裝載周期內(nèi)，一次就必須裝載此采樣點(diǎn)各相對(duì)應(yīng)的正弦值:CMPR4、CMPR5、C

108、MPR6。通過(guò)這些值，可計(jì)算出各相的開(kāi)關(guān)時(shí)間。</p><p>　　圖2-14三相SPWM控制波裝載示意圖</p><p>　　由于三相逆變器中要求三相輸出電壓對(duì)稱，因此在一個(gè)裝載周期里面要裝載的值必須要有120°的相位差。由于相位差120°相當(dāng)于一周的1/3，因此必須取載波比N為3的整數(shù)倍。具體體現(xiàn)為值的差異，對(duì)于同一個(gè)采樣點(diǎn)k,幅值為1的各相電壓采樣值為：</

109、p><p>　　(k=1,2,3…,n) （2-16）</p><p>　　由此，可得U、V、W三相的、和、表達(dá)式為:</p><p>　　當(dāng)k為偶數(shù)時(shí)，即頂點(diǎn)采樣時(shí)，U相有:</p><p><b>　?。?-17）</b></p><p>　　當(dāng)k為奇數(shù)時(shí)，即底點(diǎn)采樣時(shí)，U相有: