墮簽堡三堡奎堂堡主堂堡堡塞 摘要 本論文應用高頻鏈技術和數(shù)字信號處理技術，研究并實現(xiàn)了基于d s p 的 高頻鏈逆變電源。電源開關頻率達到7 5 k h z ，功率達到5 0 0 w ，實現(xiàn)了零電 壓導通軟開關，電源效率得到提高。 論文首先概括介紹了高頻鏈結構逆變電源及電源的數(shù)字化技術，通過對 國內外發(fā)展現(xiàn)狀的闡述，分析了研究并實現(xiàn)這種電源的必要性和意義。 在拓撲結構上，論文中采用電流源交流環(huán)節(jié)高頻鏈拓撲方案，通過定性 分析、理論推導、仿真研究，說明此方案產生的s p w m 波形諧波分量更低、 開關應力更小、高頻化更易實現(xiàn)、濾波電路更易設計。 針對全橋高頻逆變部分，論文詳細介紹了移相控制方法，此方法結合功 率m o s f e t 管輸出電容和諧振電感實現(xiàn)了開關管的零電壓導通，使得電源的 效率得到提高，高頻噪聲得到有效抑制。 針對逆變電源的控制系統(tǒng)，采用雙閉環(huán)p i d 反饋控制算法，其動態(tài)響應 速度更快，更有利于系統(tǒng)靜態(tài)誤差的消除。論文中對算法進行了理論分析， 并詳細介紹了應用d s p 的數(shù)字化實現(xiàn)方法，并給出了程序設計流程。 論文應用m a t l a b s i m u l i n k 對逆變電源系統(tǒng)進行建模仿真研究，包括對移 相產生s p w m 波、電源的功率電路系統(tǒng)、控制反饋系統(tǒng)進行建模與仿真，在 仿真層面上驗證理論、方法的正確性，指導了電源的軟硬件設計。 針對電源的控制，應用d s p ( 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 芯片，論文研究設計了以 d s p 為核心的逆變器控制電路，詳細地闡述了控制電路系統(tǒng)的軟硬件設計過 程及流程。 ， 論文最后硬件實現(xiàn)了逆變電源樣機，并給出了實驗結果。 關鍵詞：逆變電源；高頻鏈；s p w m , d s p ；仿真；p i d 墮笙堡三墨查堂堡主堂垡絲苧 a b s t r a c t 1 k sp a p e ra p p l i e dh i g hf r e q u e n c yl i n k e d 蛐o l o g ya n dt h ed i g i t a ls i 掣| a i p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , r e s e a r c h e da n dr e a l i z e dh i g hf r e q u e n c yl i n k e di n v e r t e r p o w e rs u p # yb a s e do ud s p t h es w i t c h i n gf r e q u e n c yo f t h ep o w e rs u p p l yr e a c h e s 7 5k h z , t h ep o w e rr e a c h e s5 0 0 w , r e a l i z e dt h e p a r t i a lz v tt h ee f f i c i e n c y o b t a i n e dt h ee n h a n c e m e n l f i r s t , t h ep a p e rs u m m a r i z e dh i g l lf i e q u e n c yl i n k e di n v e r t e rp o w e rs u p p l ya n d t h ep o w e rs u p p l yd i g i t i z e dt e c h n o l o g y t h r o u g hi n t r o d u c i n gt h ed o m e s t i ca n d f o r c i g np r e s e n tr e s e a r c hw o r kd e v e l o p m e n t ，t h en e c e s s i t ya n ds i g n i f i c a n c eo f r e s e a r c h i n g o na n dr e a l i z i n gt h i sk i n do f p o w e r s u p p l yw a si l l u m i n a t e d i nt h ep a p e r , t h es c h e m eo ft h ec u f f e u ts u p p l ya ch i g hf r e q u e n c yl i n k e d t o p o l o g yw a sa p p l i e d t h r o u g ht h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i s ，t h et h e o r yr e a s o n i n g , a n d t h es i m u l a t i o nr e s e a r c h , i te x p l a i n e d 出a t i nt h i ss c h e m e , t h eh a r m o n i cc o m p o n e n t o ft h eo u t p u ts p w mw a v ei sl o w e r , t h es w i t c h i n gs t r e s si ss m a l l e r , t h eh i g h f r e q u e n c yi se a s i e rt or e a l i z e ，t h ef i l t e rc i r c u i ti se a s i e rt od e s i g n i nv i e wo ft h eh i g hf r e q u e n c yf u l l - b r i d g ei n v e r t e rp a r t , t h ep a p e ri n t r o d u c e d t h ep h a s es h i f i i n gc o n t r o lm e t h o di nd e t a i l w i t hp o w e rm o s f e t o u t p u tc a p a c i t o r a n dt h er e s o n a n ti n d u c t a n c e z v ts o f ts w i t c t l i n gw a sr e a l i z e d t h ee f f i c i e n c yo f t h ep o w e rs u p p l yo b t a i n st h ee n h a n c e m e n t ；t h eh i g h 矗e q u e n c yn o i s ew a su n d e r t h ee f f e c t i v es u p p r e s s i o n i nv i e wo ft h ei n v e r t e rp o w e rs u p p l yc o n t r o ls y s t e m , t h ep a p e ra p p l i e dt h e d o u b l ec l o s e d l o o pp i df e e d b a c kc o n t r o la l g o r i t h m t h ed y n a m i cc o r r e s p o n d i n g s p e e di sq u i c k e r ；i ti sm o r ea d v a n t a g e o u st ot h es y s t e ms t a t i ce r r o re l i m i n a t i o n t h ep a p e rh a sc a r r i e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i st ot h ea l g o r i t h m , i n t r o d u c e dt h e d i g i t i z e dr e a l i z a t i o n m e t h o db a s e do nd s pi nd e t a i l ，a n dh a s g i v e nt h e p r o g r a m m i n gf l o w n 地p a p e ra p p l i e sm a t l a b s i m u l i n kc o n d u c t st h em o d e l l i n gs i m u l a t i o n 哈爾濱工程大學碩士學位論文 r e s e a r c ht ot h ei n v e r t e rp o w e rs u p p l ys y s t e m , i n c l u d i n gt h ep h a s es h i f t i n gs p w m w a v e t h ep o w e rc i r c u i t r y , a n dt h ef e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m , w h i c hc o n 五咖st h e v a l i d i t yo f t h et o p i ci nt h es i m u l a t i o nv i e w , a n dw h i c hh a sg u i d e dt h es o f t w a r ea n d h a r d w a l 吧d e s i g no f t h ep o w e rs u p p l y 1 1 埒c o n s u lo ft h ep o w e rs u p p l ya p p l i e dd s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 1c h i p , t h e p a p e r “ s e a r c h e da n dh a sd e s i g n e di n v e r t o rc o n t r o lc i r c u i tw h i c ht a k e sd s pa st h e c o r 鼠e l a b o r a t e dt h ec o n t r o lc i r c u i ts y s t e ms o r w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g np r o c e s s a n dt h ef l o wi nd e t a i l 1 1 kp a p e rf i n a l p r i n t e dt h ei n v r e t e rp o w e rs u p p l yp r o t o t y p ea n di t s e x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：i n v e r t e r ；h i g hf r e q u e n c yl i n k e d ；s p w m ；d s p ；s i m u l a t i o n ；p i d 哈爾濱工程大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導師的指導 下，由作者本人獨立完成的。有關觀點、方法、數(shù)據(jù)和文 獻的引用已在文中指出，并與參考文獻相對應。除文中己 注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已 經公開發(fā)表的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個 人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到 本聲明的法律結果由本人承擔。 作者( 簽字) ：壘塞塹 e t 籌i - 如p 7 年弓月7 日 墮笙堡：堡盔蘭堡蘭垡笙莖 第1 章緒論 隨著以石油、天然氣、煤等為代表的不可再生能源面臨枯竭，人們在使 用能源的過程中也面臨如何提高能源效率的問題，更好地開發(fā)和利用能源， 走可持續(xù)發(fā)展之路已是當今世界的熱門話題u 川。在這種形勢下，電力電子技 術作為一門發(fā)展歷史不長的學科，越來越受到人們的重視。逆變技術作為電 力電子技術領域之一，有著非常重要的地位，它是現(xiàn)代電力傳動系統(tǒng)中的主 要支撐。是不間斷電源( u p s ) 的核心技術，更是將太陽能、風能、潮汐能 和化學能等為代表的新能源轉化為電能并形成并網(wǎng)發(fā)電的關鍵。 所謂逆變就是把直流電變成交流電的過程。逆變器是實現(xiàn)逆變過程的裝 置，而逆變電源是指利用電能變換技術，將一次直流電能轉換成適合各種用 電對象的二次交流電能的系統(tǒng)或裝置。逆變技術研究逆變電路的理論和應用 設計方法，它是建立在工業(yè)電子技術、脈寬調制( p w m ) 技術、磁性材料等 學科基礎上的一門學科，主要包括半導體功率器件及其應用、功率變換電路 和逆變控制技術三大部分i ，1 。 1 1 傳統(tǒng)逆變電源 圖1 1 所示為傳統(tǒng)的直流輸入逆變器主電路結構，這種逆變器通常應用 于u p s 、車載電源、變頻電源等小功率電源。其功率主電路采用d c a c 逆 變器一工頻變壓器l c 濾波器的結構，控制電路產生驅動信號來驅動開關器 件進行開關動作，將直流電轉換為正弦脈寬調制波后，再經過隔離升壓變壓 器濾波得到輸出工頻交流電。傳統(tǒng)的逆變電路結構性能穩(wěn)定可靠而且技術成 熟，已得到廣泛應用。但是由于其變壓器工作在工頻升壓下，其傳遞的電壓 波形是單極性s p w m 波，其諧波成分會導致變壓器附加發(fā)熱，為滿足散熱要 求。不得不加大體積和重量，同時諧波也是噪音產生的根源，為了去除諧波， 設計濾波器的體積將大到難以接受。此外對于輸入電壓及負載的波動，傳統(tǒng) 逆變器的動態(tài)響應性能較差1 6 l 。 哈爾濱 ：程大學碩七學位論文 圖1 1 傳統(tǒng)逆變器電路結構框圖 在傳統(tǒng)逆變器的基礎上，人們不斷提出新的方法，特別是把逆變器的開 關頻率升高到2 0 k h z 以上，使得其輸出濾波器體積明顯減小，其動態(tài)性能得 到改善。但是由于傳統(tǒng)逆變器的變壓器仍傳遞s p w m 波，單純的提高開關頻 率，并不能使其體積得到減d d t i 。為了實現(xiàn)逆變電源的小型化、輕便化和高 效化的目的，就必須研究新的逆變技術。高頻鏈逆變技術在這種需求之下應 運而生。 1 2 高頻鏈結構逆變電源 為了克服傳統(tǒng)逆變器的缺點，m r e s p e l a g e 等人于1 9 7 7 年提出了高頻鏈技 術的概念罔，由于高頻鏈技術能夠大大減小逆變電源的重量和體積，所以成 為國內外爭相研究的熱點。 高頻鏈技術是指利用高頻開關技術使隔離耦合變壓器實現(xiàn)高頻化、小型 化、無噪聲化的技術【9 1 。由于： u ；4 4 4 n b s 式中：u 為正弦電壓有效值( v ) ； ，為交流電壓頻率( h z ) ； 為繞組匝數(shù)( 匝) ； 曰為鐵心磁通密度( t ) ； s 為鐵心的橫截面積( m 2 ) 。 所以，當電壓和鐵心材料選定時，與n s 成反比，即，越大，n s 越小， 這樣就可以達到減小變壓器的體積和重量的目的。 日益成熟高頻鏈逆變電源從結構上主要分為二類【l o i ，即直流環(huán)節(jié)高頻鏈 變換型和交流環(huán)節(jié)高頻鏈變換型，如圖1 2 所示。 2 哈爾濱：i = 程大學碩七學位論文 c a ) 直流環(huán)節(jié)高頻鏈變換型 l 啊輕 ( b ) 交流環(huán)節(jié)高頻鏈變換型 圖1 2 兩種高頻鏈逆變電源結構方框圖 圖l - 2 ( a ) 所示為日前應用最廣的直流環(huán)節(jié)高頻鏈變換型逆變電源【1 1 l i l 2 】 框圖。因該方案是在傳統(tǒng)逆變電源的直流側和逆變器之間加a - - 級d c d c 變 換器，由于d c d c 變換器采用的是高頻變換，所以電路中使用的是高頻變壓 器，這樣就可以省掉體積龐大的工頻變壓器。雖然d c d c 變換實現(xiàn)起來比較 容易，但是功率只能單向流動，負載不能向電源回饋能量；且兩級功率變換， 使得系統(tǒng)效率低，系統(tǒng)復雜，從而降低了系統(tǒng)的可靠性。 圖l - 2 ( b ) 所示為交流環(huán)節(jié)高頻鏈變換型逆變電源框圖0 3 - 1 6 l ，該方案主要由 逆變器、高頻變壓器和周波變換器組成，是目前實現(xiàn)雙向傳輸功率的常用方 案。和直流環(huán)節(jié)高頻鏈變換型逆變電源相比，該方案省去了圖1 2 ( a ) 所示 方案中的直流環(huán)節(jié)，功率實現(xiàn)了功率的雙向流動；只需兩級功率變換，降低 了變換器的通態(tài)損耗和系統(tǒng)的復雜性，提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。但是電 壓源高頻鏈逆變器存在一個固有的電壓過沖問題。即當高頻變壓器中連續(xù)的 電流被周波變換器的器件換流打斷時，存儲在高頻變壓器漏感中的能量將失 去其釋放回路，從而導致高頻變壓器和周波變換器之間的電壓過沖。電流源 高頻鏈逆變器基- t - f l y b a c k 變換器的拓撲結構 1 7 - 2 1 j ，其高頻變壓器不僅能實現(xiàn) 電隔離和電壓增益調整功能，而且能存儲能量。故可以省去輸出濾波電感， 并解決了電壓源高頻鏈逆變器的電壓過沖問題。因此這種結構具有緊湊拓撲 結構、簡單的控制方案和良好的動態(tài)性能。 哈爾濱t 程大學碩七學伊論文 1 3 數(shù)字化逆變電源 采用模擬電路控制逆變電源，存在許多固有的缺點 2 2 1 1 2 3 1 ： ( 1 ) 摸擬控制電路采用大量的分散元件和電路板，導致系統(tǒng)的設計復雜， 硬件成本偏高，系統(tǒng)的可靠性下降： ( 2 ) 由于人工調試器件的存在，導致生產效率降低及控制系統(tǒng)一致性差： ( 3 ) 器件老化及熱漂移問題的存在，導致逆變電源輸出性能下降： ( 4 ) 產品升級換代困難，對同一型號的模擬控制逆變電源，若不改動硬 件，升級是不可能的，每一個新型的逆變電源都要求重新設計、制造控制系 統(tǒng)； ( 5 ) 模擬控制的逆變電源的監(jiān)控功能有限，一旦出現(xiàn)故障，要想恢復正 常，技術人員必須親赴現(xiàn)場； 為了解決逆變電源模擬控制電路的等等不足，同時采用更先進的控制方 法來提高逆變電源系統(tǒng)的輸出波形質量和可靠性，人們越來越求助于數(shù)字化 方案來提高電源設計的靈活性淵。8 0 年代初期，為了提高逆變電源的通信功 能及顯示功能，逆變電源的設計中采用了微處理器，但是，由于微處理器的 速度問題，逆變電源的控制仍然采用模擬電路進行。隨著工業(yè)控制用高速數(shù) 字信號處理器( d s p ) 的發(fā)展和應用，逆變電源控制由模擬控制向數(shù)字化控 制的轉變成為了可能。由于具有超強的數(shù)據(jù)處理能力和很快的處理速度，配 合高性能的a d 變換器，d s p 能夠瞬時地讀取逆變電源的輸出，并實時地計 算出輸出p w m 值。正是d s p 的采用，使得在模擬控制中存在的許多問題得 到了很好的解決，并且一些先進的控制策略也逐漸應用于逆變電源的控制之 中。這樣對于逆變電源負載的不確定性，數(shù)字化系統(tǒng)可以對負載動態(tài)變化產 生的諧波進行動態(tài)的補償，而不需人為地干預，從而使逆變電源的輸出波形 質量、諧波分量等達到可以接受的水平。 近年來，以t 1 2 0 0 0 系列為代表的更適應工業(yè)控制的新一代d s p 控制器 芯片孕育而生，其處理速度極快，機器周期只有數(shù)納秒，且大多數(shù)指令都是 單周期指令；強大的哈佛結構使得數(shù)據(jù)、程序空間分開。程序和數(shù)據(jù)調用更 加靈活快捷：強大的外設資源內置了電機專用事件管理器、高速高精度多通 4 哈爾濱工程大學碩士學位論文 道a d 變換器、s p i 串口、s c i 串口、f l a s h 存儲器等，有力地配合功率模擬 電路。在逆變電源控制上應用新一代的d s p 控制器芯片，使得逆變電源開關 頻率更高，p w m 分辨率更高，輸出波形更好，應用于逆變器上的控制算法 更加現(xiàn)迸。本文所研究與實現(xiàn)的就是基于t 1 2 0 0 0 系列t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片控 制的高頻鏈逆變電源。 1 4 國內外研究現(xiàn)狀與論文研究的意義 國外在高頻鏈逆變技術及電源的數(shù)字化控制上處于領先地位。早在2 0 世紀8 0 年代，日本日立公司就研制出頻率2 0 k h z ，功率1 k w 的u p s 電源， 采用了先進的高頻鏈結構，省去了傳統(tǒng)u p s 的笨重的工頻變壓器和濾波器， 實現(xiàn)了逆變器的小型化，但是控制電路主要以模擬電路為主，開關技術主要 是硬開關，電壓應力較高，損耗較大。隨后，美國、韓國等發(fā)達國家不斷探 索、研究，在逆變電路拓撲、軟開關技術等的研究及數(shù)字化控制上作出了杰 出貢獻。文獻舊中以d s p 為核心控制器，采用移相控制方法，利用d s p 的 高速計算能力實時輸出8 路驅動信號，消除了開關管電壓尖峰，省去了吸收 電路。但是由于沒有使用d s p 芯片強大的p w m 外設，使得驅動計算過于復 雜，加重了c p u 的負擔，限制了開關頻率的提高。 國外已經投入大量資金進行高頻鏈功率交換技術的研究。1 9 9 8 年9 月美 國國家科學基金批準建立以弗吉尼亞電力電子系統(tǒng)中心等5 所大學為主的電 力電子工程研究中心，5 年投資達6 3 0 0 萬美元。此外，美國田納西大學的電 力電子中心也已在開展用于2 l 世紀混合型電動汽車速度控制的交流環(huán)節(jié)高 頻鏈功率變換技術的研究。 我國在這一領域的研究還處于起步階段，很多文獻只停留在理論、拓撲 結構與仿真的層面上。1 9 9 9 年，浙江大學研制出基于反激變換器原理的2 5 0 w 高頻鏈逆變器阱 ”。該逆變器通過6 個功率開關的控制，在各個時間階段均 以反激變換器的方式工作，實現(xiàn)了功率雙向流動。但這種拓撲很難提供大功 率的輸出，高頻變壓器的使用效率不高，在相同功率下其變壓器體積要大些。 另外，該控制方式仍屬于硬開關技術，難以克服由于變壓器漏感以及分布電 感帶來的電壓尖峰。2 0 0 5 年，中電2 9 所研制的基于d s p 的高頻鏈逆變電源， 哈爾濱丁稃大學碩十學能論文 其功率為i k w ，其結構采用了直流環(huán)節(jié)高頻鏈結構，先將低壓直流電壓經開 關管及高頻變壓器高頻升壓，再經過整流濾波輸出高壓直流電，最后通過全 橋變換器把高壓的直流電逆變輸出正弦波，在控制方式上采用比較先進的移 相控制方案，雖然開關損耗被大大降低，但是由于其結構是三級結構，效率 不高，加上中間級有整流電路，其功率不能雙向流動。目前，國內還有用單 片機、專用集成芯片產生s p w m 正弦波，以改善輸出波形。但其本質仍是工 頻變換，而不是高頻鏈技術?？傊?，國內的數(shù)字化高頻鏈逆變技術還有待迸 一步的發(fā)展。 作為電力電子技術領域之一的電源行業(yè)，正朝著高頻化、高效化、數(shù)字 化的道路發(fā)展。論文中研究、實現(xiàn)基于d s p 控制的高頻鏈逆變電源，就是要 利用先進的逆變拓撲結構、先進的控制理論、先進的數(shù)字化控制方法推動國 內電力電子技術，尤其是功率逆變技術的發(fā)展。 1 5 論文的研究內容 論文所研究的內容是應用現(xiàn)代的開關器件、高性能的d s p 控制器、先進 的控制方法實現(xiàn)高頻、高性自良高效率、高可靠性、低成本的高頻鏈逆變電 源。論文從交流環(huán)節(jié)高頻鏈結構的拓撲結構、工作原理出發(fā)，對高頻鏈電源 的方案進行理論的推導和選擇，對電源系統(tǒng)進行仿真，最后通過對d s p 軟件 編程、硬件設計、調試得到輸入直流電壓為2 7 v ，開關頻率7 5 k i - i z ，輸出頻 率5 0 h z ，輸出電壓1 5 0 v ，功率5 0 0 w ，波形失真不超過1 的逆變電源樣機。 論文主要完成以下幾方面工作： ( 1 ) 控制方法的研究，包括適用于高頻鏈結構的s p w m 算法、雙閉環(huán) 數(shù)字p i d 算法，論文將對算法進行理論的分析。 ( 2 ) 軟開關移相控制技術的研究，應用移相控制技術實現(xiàn)s p w m 波， 使得逆變電源達到軟開關，有效地降低開關損耗，提高逆變電源的整體效率。 ( 3 ) 對高頻鏈逆變電源系統(tǒng)應用m a t l a b s i m u l i n k 進行建模仿真研究， 包括對移相產生s p w m 波、電源的功率電路系統(tǒng)、控制反饋系統(tǒng)進行建模與 仿真，論文將在仿真層面上驗證理論、方法的正確性。 ( 4 ) 基于d s p 的算法實現(xiàn)，電源的控制系統(tǒng)由d s p 軟件編程實現(xiàn)，論 6 哈爾濱一口挈大學碩士學付論文 文將以c c s 軟件開發(fā)平臺設計d s p 應用程序，程序實現(xiàn)了移相s p w m 控制 算法、雙閉環(huán)數(shù)字p i d 算法等。論文將給出d s p 軟件設計流程，定性地說明 基于d s p 實現(xiàn)逆變電源控制系統(tǒng)的方法。 ， ( 5 ) 系統(tǒng)硬件的設計，論文將闡述逆變電源功率主電路、驅動電路、保 護電路、調理電路、以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 主控芯片的控制電路的硬件設計與調 試。 論文以下各章安排如下： 第二章，高頻鏈逆變電源的結構和工作原理。介紹了電流源交流環(huán)節(jié)高 頻鏈結構逆變電源的總體構成，重點介紹了交流環(huán)節(jié)高頻鏈逆變的拓撲結構， 對其工作原理、工作控制過程進行了討論和說明。 第三章，基于d s p 的交流環(huán)節(jié)高頻鏈結構實現(xiàn)s p w m 。首先，介紹了兩 種s p w m 波形，對兩種波形的諧波量大小進行推導與仿真，比較說明了采用 的s p w m 波形方案的優(yōu)越性；隨后，介紹了論文中逆變電源的控制方法，其 中闡述了高頻逆變器部分的移相控制方法，通過對工作狀態(tài)過程的分析，定 性地闡述了逆變電源應用移相方法實現(xiàn)軟開關的過程；本章最后，介紹了應 用d s p 產生移相控制s p w m 的方法，給出了軟件設計流程圖。 第四章，閉環(huán)控制系統(tǒng)。主要介紹數(shù)字p i d 算法，電源的雙閉環(huán)反饋控 制，論文闡述了應用d s p 實現(xiàn)雙環(huán)數(shù)字化p i d 控制的方法，給出了軟件設計 流程圖。 第五章，高頻鏈逆變電源的m a t l a b 仿真。分別建模、仿真開環(huán)控制的電 源系統(tǒng)及雙閉環(huán)控制的電源系統(tǒng)，得到各環(huán)節(jié)的仿真波形、諧波頻譜。驗證 了電源拓撲結構、控制方法、閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的正確性，有力地指導了電 源的設計。 第六章，高頻鏈逆變電源的硬件實現(xiàn)。文中主要介紹電源功率主電路的 設計，以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 為主控芯片的控制電路的設計，給出實驗結果與 結果分析，驗證理論、方案、方法的正確性。 7 哈爾濱工程大學碩士學位論文 第2 章高頻鏈逆變電源的結構和工作原理 2 1 總體結構描述 基于d s p 的高頻鏈結構逆變電源，主要思想是應用功能強大的數(shù)字信號 處理器控制逆變電源功率主電路的多個功率開關管，使其輸出得到高質量的 交流電壓。 圖2 1 論文中逆變電源的總體結構 如圖2 1 所示，文中逆變電源的總體結構大致分為功率主電路、控制電路、 驅動電路、調理電路、保護電路等幾部分。其中功率主電路采用交流環(huán)節(jié)高 頻鏈結構，是電能流通的主要通道；控制電路僅由數(shù)字信號處理器構成，它 的作用是控制功率主電路的多個功率開關管，通過一定的算法實現(xiàn)諸如 s p w m 波形、軟開關移相控制、反饋控制、電源保護，微機通信、并聯(lián)控制 等多任務；驅動電路應用專用帶有隔離保護的m o s f e t 、i g b t 驅動芯片，使 得控制電路和功率電路有效隔離并增強數(shù)字信號處理器對功率開關管的驅動 能力；調理電路由霍爾器件和一系列運算放大器等構成，目的是實時地反映 負載輸出電壓、電流的大小并使其轉換在數(shù)字信號處理器內置刖d 轉換器允 許的電壓范圍內，其中應用霍爾器件又起到了強電和弱電隔離的作用；對電 源起到保護作用的部分融合在調理電路和控制電路之中，調理電路一方面提 哈爾濱工程大學碩士學位論文 供了a d 轉換器所允許的電壓范圍，另一方面又實時地捕捉到因為故障而引 起的過流、過壓問題。超過設計允許的電壓、電流通過a d 采樣，以數(shù)字的 形式進入控制電路的d s p 中，這樣就可以通過程序語言中斷開關管的能量傳 遞，最終保護電源系統(tǒng)整體。 可以說，基于d s p 的高頻鏈逆變電源的核心部分就是功率主電路部分和 控制電路部分，論文的研究重點由此放在了交流環(huán)節(jié)高頻鏈逆變器的拓撲結 構及如何對這種拓撲結構進行的控制上。以下幾小節(jié)將重點介紹和說明功率 主電路拓撲電路組成、工作過程，控制電路d s p 的原理及相關外設的應用。 2 2 功率主電路的結構描述 功率主電路應用電流源交流環(huán)節(jié)高頻鏈逆變拓撲，該方案中的電路拓撲 結構具有更簡單的高頻變壓器結構和更低的開關應力。圖2 2 所示為其電路組 成。它由高頻逆變器，高頻變壓器，周波變換器、l c 濾波網(wǎng)絡三部分組成。 膏囊遵童膏囊妻壓摹一渣童撬摹l c 磚漣 圖2 2 主電路的電路結構 l ，高頻逆變器部分 高頻逆變器的作用是把輸入電源進行d c a c 變換，通過開關管高頻切換， 將直流電壓逆變包含相關波形信息的雙極性高頻脈沖信號序列，去除了低頻 的諧波分量。 。逆變電源中逆變器電路經常采用推挽式、半橋式、全橋式等多種拓撲結 構，其中全橋式變換其拓撲在大中功率上應用最廣嗍。這樣的拓撲結構和推 挽式變換器相比開關管的開關電壓減小一半，和半橋式變換器相比開關管導 9 哈爾濱工程大學碩士學位論文 通時電流減小了一半，所以它既保持了半橋電路的特性又具有推挽電路的電 流特征。因此，全橋式變換器更適合應用于大電流、大電壓、大功率的場合。 全橋式變換器的控制方式靈活，由于有四個功率開關管，則可以在原有p w m 控制方法的基礎上采用移相方式實現(xiàn)s p w m 波，有效地減小開關損耗，實現(xiàn) 軟開關。論文中所設計的逆變電源要求輸入電流較大、功率較高、且功率開 關管要實現(xiàn)軟開關，所以在高頻逆變部分應用了全橋變換器拓撲結構。 2 、高頻變壓器部分 高頻變壓器的作用是實現(xiàn)電隔離和電壓增益調整，當負載為容性或者感 性時，又能夠存儲能量，減小了周波變換器的開關應力，且有利于實現(xiàn)功率 的反向流動。 3 、周波交換器部分 周波變換器起到a c a c 變換作用，通過開關管工頻切換，將雙極性高頻 脈沖信號序列變換成單極性s p w m 脈沖序列。周波變換器可以采用全波式、 全橋式。由于d s p 外設p w m 輸出的局限和電源整體經濟使用的角度考慮，后 端的周波變換器部分應用控制相對簡單的全波式結構。周波變換器中的開關 管s 5 s 8 通常工作在工頻，只有當負載向電源回饋能量時才工作于高頻，這 樣可以有效地減小開關損耗，使得逆變電源整體的效率得到提高。 4 、l c 濾波網(wǎng)絡 由于論文中逆變電源方案采用高頻載波調制，使得其濾波器易于設計， 體積也相對較小。其作用是消除高頻分量，得到高質量的正弦波。 5 、各部分的工作波形及過程 各部分的輸出波形如圖2 3 所示，輸入2 4 v 直流電經過全橋變換器的高頻 逆交，輸出7 5 k h z 雙極性高頻脈沖序列，適合高頻變壓器傳輸。雙極性高頻 脈沖序列通過高頻變壓器隔離、升壓后，用周波變換器同步整流，把5 0 h z 正 半周期的負脈沖翻轉成正脈沖，把5 0 h z 負半周期的正脈沖翻轉成負脈沖，得 到5 0 h z 單極性s p w m 波。單極性s p w m 波通過l c 濾波，則輸出光滑的 1 5 0 v 5 0 h z 正弦交流電壓。 - ，圖中，竭示意直流電壓通過高頻逆交橋產生的低壓雙極性高頻脈沖序列； 示意高頻變壓器次級輸出的高壓高頻序列；蠔示意周波變換器輸出的單極 性s p w m 脈沖序列：虬示意l c 濾波網(wǎng)絡輸出正弦交流電波形。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 i 黼刪刪燃刪燃州姚淵 in 幾幾nin 幾f l inn 幾ninn 幾g 二 u uu uiuuuuiuuuuluuuul 7 10 幾n8i ln1010 幾n010n00 0uu0l8l ju0l0uul jl0uu0l 7 0 i f l 呷1 0 ii8 0 m 10 【j 【j 刪10 0 燦0 曠 一弋 f 圖2 3 主電路各部分輸出波形示意 2 3 基于d s p 的控制電路介紹 論文中，電源的控制電路以d s p 為主控芯片，本小結將在d s p 結構特 點和所應用的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片上加以介紹和說明。 2 3 1d s p 芯片的基本特點 d s p 芯片，又稱為數(shù)字信號處理器【2 9 3 1 1 ，是一種特別適合于迸行數(shù)字信 號處理的微處理器，d s p 芯片集成高速乘法器，具有多組內部總線，能夠進 行快速乘法和加法運算，適用于高速數(shù)字信號處理的高速、高位單片計算機， 這種器件常常被稱為單片數(shù)字信號處型器?；赿 s p 芯片的數(shù)字信號處理、 控制系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎的，與傳統(tǒng)的模擬電路處理、控制系統(tǒng)相 比，其具有以下優(yōu)點： ( 1 ) 高度集成。集濾波、a d 、r o m 、r a m 、f l a s h 等和d s p 內核一 體于模擬數(shù)字d s p 芯片，有效減小系統(tǒng)的體積重量。 ( 2 ) 邏輯、控制、運算可編程化。d s p 系統(tǒng)中的可編程d s p 芯片可使 哈爾濱工程大學碩士學位論文 設計人員在開發(fā)過程中靈活方便的對軟件進行修改和升級。 ( 3 ) 可重復性好。模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能影響比較大，而數(shù) 字系統(tǒng)基本不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試、調試和大規(guī)模生產。 ( 4 ) 穩(wěn)定性好。d s p 系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎，受環(huán)境溫度和噪聲影響 小，可靠性高。 ( 6 ) 精度高。如定點3 2 位d s p 芯片，運算精度可達l o - 3 2 ，浮點d s p 精度更高。 ( 7 ) 接口方便。d s p 系統(tǒng)與其他以現(xiàn)代數(shù)字技術為基礎的系統(tǒng)或設備 都是相互兼容的，與這樣的系統(tǒng)接口以實現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系 統(tǒng)接口要容易得多。 ( 8 ) 低功耗低電壓。d s p 采用先進的c m o s 工藝，與模擬系統(tǒng)相比， 其需要的功率和電壓更低。 d s p 在結構上一般具有如下主要結構特點： 1 、采用哈佛結構體系或改進哈佛結構體系 d s p 芯片采用程序總線、數(shù)據(jù)總線分別獨立，并具有多條總線的哈佛結 構。程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編 址，用獨立的程序總線、數(shù)據(jù)總線或多條總線分別進行訪問。這種內部總線 并行技術，即相立獨立的總線允許在一個機器指令周期內同時進行程序讀出 ( 來自程序存儲器) 和數(shù)據(jù)存取( 來自數(shù)據(jù)存儲器) 而互不干擾。改進哈佛 結構的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器之間可以進行數(shù)據(jù)的傳送，從而更有效地提 高效率。 2 、采用流水線技術 計算機在執(zhí)行一條指令時，總要經過取指令、譯碼、訪問操作數(shù)、執(zhí)行 等幾個步驟，需要若干個機器周期才能完成。d s p 的流水線結構是指它的這 幾個階段在執(zhí)行過程中是重疊的：第一條指令取指后譯碼時，第二條指令取 指；第一條指令訪問數(shù)據(jù)時，第二條指令譯碼，第三條指令取指；即 在任意給定的周期內，可能有l(wèi) 4 條不同的指令是激活的，每一條指令都處 于不問的階段。也就是說在執(zhí)行本條指令時，下面的3 條指令已依次完成了 取操作數(shù)、譯碼、取指令的操作。盡管每一條指令的執(zhí)行時間仍然是幾個機 器周期，但由于指令的流水作業(yè)，使得每一條指令基本上都是單周期指令。 1 2 哈爾濱工程大學碩士學位論文 3 、硬件乘法器 在d s p 中備有硬件連線邏輯的高速“與或”運算器( 乘法器和累加器) ， 取兩個操作數(shù)到乘法器中進行乘法運算，并將乘積加到累加器中。這些操作 都可以在單個周期內完成。在數(shù)字信號處理算法中，乘法和累加是基本的大 量的運算。硬件乘法器可以使這些運算的速度大大提高，是d s p 實現(xiàn)快速運 算的重要保障。 4 、多處理單元 d s p 內部一般都包括多個處理單元，如硬件乘法器( m l 兒) 、累加器 ( a c c ) 、算術邏輯單元( a i ) 、輔助算術單元( a r 觚f ) 。它們都可以在單 周期內執(zhí)行完各自的任務。例如：當完成一個乘法和累加的同時，輔助算術 單元已經完成了下一個地址的尋址工作，為下一次的運算作好了充分的準備， 因此d s p 可以完成連續(xù)的乘加運算，而每一次的運算都是單周期的。這些都 為數(shù)據(jù)的采集、高速度的處理以及實時控制提供了完備的硬件基礎。 5 、強大的外設配置 為了配合模擬電路和整個系統(tǒng)工作，新一代d s p 內置了強大的外設功 能，嵌入了如通信口( s c i ) 、主機接口( h p i ) 、事件管理器( e v ) 、定時器、 a d 轉換器等外設器件。d s p 的強大外設使得d s p 芯片功能更強大、專用， 基于d s p 的工業(yè)控制系統(tǒng)更易于設計。 2 3 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片概述 m 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片是1 r i 公司主推的定點型t 1 2 0 0 0 系列d s p 芯片，特別 適合于精密儀器、伺服系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、電機系統(tǒng)的控制，其具有以下一些 結構特點t 3 2 】： 采用高性能的靜態(tài)c m o s 技術 主頻1 5 0 m h z ，機器周期為6 6 7 n s ，處理速度極快 低功耗低電壓。內核供電只需i s v ，外部供電只需3 3 v 高性能的3 2 位c p u 可以進行雙1 6 x1 6 位乘法，累加( m a c ) 操作和3 2 x 3 2 位m a c 操作 哈爾濱工程大學碩士學位論文 內部采用改進型哈佛結構，效率極高 能夠快速的響應和處理中斷 代碼高效化，可以應用c ，c + + ，匯編語言對d s p 進行編程 完全和t m 3 2 0 f 2 4 璣f 2 4 0 ) 【兼容 存儲資源豐富 片內置有1 2 8 k 字f l a s h 存儲器，分成4 個8 k 字和6 個1 6 k 區(qū) 間 片內置有1 2 8 k 字r o m 存儲器和1 k 字的o t p r o m 片內置有l(wèi) 0 和l l ：兩個4 k 字s a r a m ，h o ：一個8 k 字s a r a m ， m 0 和m l ：兩個s a r a m 片外多達1 m 的尋址空間，且支持軟件等待狀態(tài) 時鐘系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和中斷系統(tǒng) 支持同步p l l 改整，改變系統(tǒng)和外設的應用頻率 片內晶振，給系統(tǒng)的時鐘電路設計帶來方便 內置了看門狗定時器模塊 中斷達到9 6 個。包含三個可屏蔽外部中斷，外設產生的4 5 個中斷 等 內置3 個3 2 位c p u 定時器( c p u - t i m e r ) 強大功能的外設資源 內置兩個電機控制專用的事件管理器( e v a 、e v b ) 。包含1 6 個 脈寬調制( p w m ) 通道，其中9 個相互獨立；3 個1 6 位全比較單 元，有死區(qū)功能；4 個捕獲單元，其中兩個有正交編碼器脈沖接 口功能 內置1 2 位1 6 通道模擬數(shù)字轉換器( a d c ) ，可以配制成兩個8 通道輸入，最快轉換率為8 0 n s ，轉換電壓范圍為肛3 v 外設串口豐富，包含外設串行端口( s p i ) 、兩個串行通信端口 ( s c i s ) 、增強型c a n 總線( e c a n ) 等 片上通用輸入輸出端口( g p i o ) 多達5 4 個 工作溫度環(huán)境寬泛，以p g f 封裝為例，其溫度范圍達到4 0 一1 2 5 t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 的結構如圖2 4 所示。 1 4 哈爾濱工程大學碩士學位論文 圖2 4t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的結構圖 通過對芯片的介紹，可以看出，其c p u 的處理速度、強功能大的運算功 能、豐富的外設資源、適當?shù)墓ぷ鳝h(huán)境范圍十分有利于論文中逆變電源的控 制電路研制，理論上，應用此款d s p 的逆變電源在其載頻和開關頻率達到 7 5 k h z 時，其p w m 分辨率則達到o 1 ，英電壓電流a d c 轉換精度達到o 1 。 通過和其他d s p 芯片的比較，本文最終選用了此款芯片作為逆變電源的控制 電路。 2 4 本章小結 本章主要介紹了電流源交流環(huán)節(jié)高頻鏈結構逆變電源的總體構成，重點 介紹了交流環(huán)節(jié)高頻鏈逆變的拓撲結構，對其工作原理、工作控制過程進行 了討論和說明。本章最后概括介紹了基于d s p 的逆變電源控制電路，主要闡 述了d s p 芯片的基本特點，及本文所應用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片的結構特點。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 第3 章交流環(huán)節(jié)高頻鏈結構實現(xiàn)s p w m 當今逆變電源控制廣泛地采用了s p w m ( s i n u s o i d a lp w m ) 正弦脈寬調 制法。然而s p w m 按其調制方式和輸出波形特點可以分成多種形式，本文應 用交流環(huán)節(jié)高頻鏈結構選擇并實現(xiàn)一種s p w m 波，使逆變電源輸出的諧波分 量盡可能地降低，效率盡可能提高。 3 1s p w m 正弦脈寬調制法 s p w m 正弦脈寬調制法( s i n u s o i d a lp w m ) 是調制波為正弦波、載波為 三角波或鋸齒波的一種脈寬調制法，由于三角波或鋸齒波的上下寬度是線性 變化的波形，因此它與調制波相交時，就可以得到一組幅值相等，而寬度正 比于調制波函數(shù)值的矩形脈沖序列用來等效調制波，用開關量取代模擬量， 并通過對逆變器開關管的通斷控制，把直流電變成交流電，這種技術就叫做 s p w m 技術。它是1 9 6 4 年由a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 把通信系統(tǒng)的調制技 術應用到逆變器而產生的，后來由b r i s t o l 大學的s r b o w e r 等于1 9 7 5 年對 該技術正式進行了推廣應用。這相技術原理簡單，通用型強，控制和調節(jié)性 能好，具有消除諧波、調節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的多種功能，是一種比較好的波 形改善法，它的出現(xiàn)為中小型逆變器的發(fā)展起到了重要的推動作用。 s p w m 正弦脈寬調制法按輸出電壓在一個周期內的電平數(shù)( 階數(shù)) ，分 成雙極性的二階式和三階式。產生兩種形式的s p w m 都可以應用全橋式變換 電路，其主電路如圖2 2 中高頻逆變部分。 l 、載波為全波三角波的二階雙極性s p w m s p w m 波形如圖3 1 ( a ) 所示，其中正弦波“。( q ) 為調制波，全波三角 波u o ( a , c ) 為載波。正弦波大于三角波的部分，功率開關管s l ，s 4 導通，s 2 ， s 4 截止，產生二階s p w m 波形中的正脈沖；在正弦波小于三角波的部分， 開關管s 2 ，s 3 導通，s l ，s 4 截止，逆變器輸出產生負脈沖。其開關頻率和 載波三角波的頻率相同。 1 6 哈爾濱工程大學碩士學位論文 2 、載波為半波三角波的三階單極性s p w m s p w m 波形如圖3 1 ( b ) 所示，其中正弦波“。( 峨) 為調制