单相逆变电源控制系统硬件设计_单相逆变电源设计

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摘要

逆变器广泛应用于工业生产的各个方面，数字控制具有方便实现复杂算法、抗干扰性强和产品容易升级换代等优点，已成为未来逆变器的发展趋势。本文采用TI公司的TMS320LF2407A的控制芯片，设计一种基于正弦脉宽调制的单相逆变电源数字控制系统。此控制器具有硬件电路简单、体积小、重量轻等特点, 可满足小功率应用场合的需求。

本文首先介绍了逆变电源的发展现状及趋势。分析了正弦脉宽调制的原理及其几种主要的调制方式，并通过比较说明了不同调制方式的优缺点。文中分析了逆变器的数学模型及PID数字控制技术的原理，结合单相逆变电源的特点提出了控制方法。利用matlab和simulink仿真软件建立了逆变器的仿真模型，用以验证控制方案的可行性和有效性。

在本文的最后一章，提出了硬件电路的设计方案。重点叙述了数字控制系统的设计，具体包括采样电路，调理电路，驱动电路及保护电路。关键词：逆变器；数字控制；PWM；DSP TMS320LF2407A.——————————————————————————————————————————————

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Abstract DC/AC inverter has been widely applied in the industry.Digital control has several advantages，it is easy to achieve complex arithmetic，upgrade and maintenance，and it is not susceptive of noise and the consistent manufacture performance is better,so the digital controlled inverters are the trend of the inverter in the future.The paper designs a digital control system of the single phase inverter based on sine width modulate with TI company TMS320LF2407A control chips.This controller features simple in structure，small in volume，and light in weight,which can meet the needs in small power applications．

In the first,the paper presents the current situation and development trends of the inverters analyses the principles of the sine width modulate and several major modulate methods，and through comparison illustrates the advantages and disadvantages of different forms of modulate The article analyses the mathematical models of inverter and the principles of the PID digital control,then presents PI control methods based on the speciality of the single phase inverters.The inverter simulation model is established by the simulation software of matlab and simulink, which is used to validate the feasibility of every control.In the last chapter,we drawed the total designing scheme of the DC/AC converter ,built the model of inverter.We designed the main circuit and the controller of the inverter.The control system of the inverter included sampling circuit, conditioning circuit , driving circuit and protecting circuit.Keywords：Inverter ；Digital control；PWM；DSP TMS320LF2407A ——————————————————————————————————————————————

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目录

摘要................................................................................................................................I Abstract........................................................................................................................II 1 绪论...........................................................................................................................1 1.1 引言.................................................................................................................1 1.2 国内外研究现状及趋势.................................................................................2 1.2.1 逆变电源研究的技术现状...................................................................2 1.2.2 逆变电源技术研究的发展趋势...........................................................3 1.3 本文的研究目的及内容.................................................................................5 1.4 逆变电源的控制策略.....................................................................................6 2 SPWM控制原理.....................................................................................................10 2.1 PWM概述.......................................................................................................10 2.2 PWM波形的基本原理...................................................................................11 2.3 SPWM的调制方式.........................................................................................11 2.3.1单极性SPWM调制.............................................................................12 2.3.2双极性SPWM调制.............................................................................13 2.4 SPWM实现方式.............................................................................................14 2.4.1 比较器实现SPWM.............................................................................14 2.4.2 专用集成电路实现SPWM.................................................................14 2.4.3 单片机实现SPWM.............................................................................14 2.4.4 DSP实现SPWM.................................................................................14 3 逆变电路建模及主电路参数计算.........................................................................16

3.1 单相全桥式逆变电路拓扑图及等效电路...................................................16 3.2 单相全桥逆变电路的数学模型...................................................................17 3.2.1 连续状态空间模型.............................................................................17 3.3 单相逆变器主电路设计...............................................................................18 3.3.1 负载参数计算.....................................................................................18 ——————————————————————————————————————————————

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3.3.2 输出 LC 滤波器的设计....................................................................19 3.3.3 IGBT 模块的选择...............................................................................19 4 控制策略及系统仿真.............................................................................................21 4.1 PID概述.........................................................................................................21 4.2 数字PID控制...............................................................................................21 4.3 PID参数的整定原则.....................................................................................22 4.4 双闭环控制的原理.......................................................................................23 5 硬件电路设计.........................................................................................................27 5.1 控制芯片选择...............................................................................................27 5.2 采样与信号调理电路...................................................................................29 5.3 IGBT驱动电路设计......................................................................................31 5.4 保护模块设计...............................................................................................32 5.5 其他辅助电路...............................................................................................33 5.5.1 时钟电路.............................................................................................33 5.5.2 复位电路.............................................................................................34 5.5.3 仿真器连接JTAG...............................................................................34 5.5.4 故障保护单元.....................................................................................35 5.5.5 SCI接口电路.......................................................................................35 5.6 电磁兼容设计...............................................................................................35 结束语.........................................................................................................................38 致谢.............................................................................................................................39 参考文献.....................................................................................................................40 附录.............................................................................................................................42 ——————————————————————————————————————————————

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毕业设计（论文）专用纸绪 论

1.1引言

逆变是对电能进行变换和控制的一种基本形式，它完成将直流电变换成交流电的功能，现代逆变技术就是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的学科。这门学科综合了现代电力电子开关器件技术、现代功率变换技术、模拟和数字电子技术、PWM技术、开关电源技术和现代控制技术等多种实用设计技术，己被广泛的用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。

随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域获得了越来越广泛的应用。下面列举的是其几个方面的主要应用。(1)光伏发电

能源危机和环境污染是目前全世界面临的重大问题，开发利用新能源和可再生能源是21世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术之一，充分开发利用太阳能是世界各国可持续发展的能源战略决策，其中光伏发电最受瞩目。太阳能光伏发电就是将由太阳电池阵列产生的直流电，通过逆变电路变换为交流电供给负载或并入电网，供用户使用。(2)不间断电源系统

在通信设备、医疗设备等对电源持续供电要求高的设备中都需要采用不间断电源UPS。UPS的主要构件有充电器和逆变器。在电网有电时，充电器为蓄电池充电，负载由电网供电：在电网停电时，逆变器将蓄电池提供的直流电逆变成交流电供给用电设备。(3)交流电动机变频调速

采用逆变技术将普通交流电网电压变化成电压、频率都可调的交流电，供给交流电动机，以便调节电动机的转速。(4)直流输电

由于交流输电架线复杂、损耗大、电磁波污染环境，所以直流输电是一个发展方向。首先把交流电整流成高压直流电，再进行远距离输送，然后再逆变成交流——————————————————————————————————————————————

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电供给用电设备。(5)风力发电

风力发动机因受风力变化的影响，发出的交流电很不稳定，并网或供给用电设备都不安全。可以将其整成直流，然后再逆变成比较稳定的交流，就能安全的并到交流电网上或直接供给用电设备。

1.2 国内外研究现状及趋势

1.2.1逆变电源研究的技术现状

随着逆变器控制技术的发展，电压型逆变电源出现了许多的变压、变频控制方法。目前采用较多的是脉宽调制技术即PWM控制技术，即利用控制输出电压的脉冲宽度，将直流电压调制成等幅宽度可变的系列交流输出电压脉冲，来控制输出电压的有效值、控制输出电压谐波的分布和抑制谐波。由于PWM技术可以迅速地控制输出电压，及其有效地进行谐波抑制，因而它的动态响应好，在输出电压质量、效率诸方面有着明显的优点。

根据形成PWM波原理的不同，大致可以分为以下几种：矩形波PWM、正弦波PWM(SPWM)、空间相量PWM(SVM)、特定谐波消除PWM、电流滞环PWM等。这四类PWM波各有优缺点，因而适用于不同的场合。本文主要讨论正弦波逆变器，因此主要讨论SPWM正弦脉宽调制法。

SPWM正弦脉宽调制法是调制波为正弦波，载波为三角波或锯齿波的一种脉宽调制法，它是1964年由A．Schonung和H．Stemmler把通讯系统的调制技术应用到逆变器而产生的，后来由Bristol大学的S．R．Bower等于1975年对该技术正式进行了推广应用。这项技术的特点是原理简单，通用性强，控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压的多种作用，是一种比较好的波形改善法。它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。目前随着工业用的高速数字信号处理器(DSP)的发展，正弦波逆变器的控制技术方案也由传统的模拟控制向现代数字化控制的方向发展。采用数字化控制，不仅可以大大降低控制电路的复杂程度，提高电源设计和制造的灵活性，而且可以采用更先进的控制方法，从而提高逆变电源系统输出波形的质量和可靠性。

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在正弦波逆变电源数字化控制方法中，目前国内外研究得比较多的主要有数字PID控制、无差拍控制、双环反馈控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制以及神经网络控制等。PID控制是一种传统控制方法，由于其算法简单成熟，设计过程中不过分依赖系统参数，鲁棒性好和可靠性高，在模拟控制的正弦波逆变电源系统中得到了广泛的应用。随着微处理器技术的发展，具有较快的动、静态响应特性数字PID算法获得应用。

1.2.2逆变电源技术研究的发展趋势

电源系统是现代电子设备不可或缺的重要组成部分。1969年诞生的逆变电源可靠性高、稳定性好、调节特性优良、而且体积小、重量轻、功耗低，在电子和电气领域得到了极其广泛的应用。随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛，对电源性能的要求越来越高。许多行业的用电设备都不是直接使用电网提供的交流电作为电源，而是通过各种形式对电网交流电进行交换，从而得到各自所需要的电能形式。

在电力电子技术的应用及各种电源系统中，逆变电源技术均处于核心地位。近年来，现代逆变电源技术发展主要表现出以下几种趋势：

(1)高频化。理论分析和实践经验表明：电器产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20KHZ，提高400倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5～10％，其主要材料可以节约90％甚至更高，还可以节电30％甚至更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，原材料消耗显著降低、电源装置小型化、系统的动态反应加快，更可以深刻体现技术含量的价值。

(2)模块化。模块化有两方面的含义，其一是功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块，含有一单元，两单元，六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也集成到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块(IPM)，不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。有些——————————————————————————————————————————————

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制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM)，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引线连接，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高了系统的可靠性。另外，大功率的开关电源，由于器件容量的限制和增加冗余、提高可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块电源并联工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其他模块再平均分担负载电力。这样，不但提高了功率容量，在器件容量有限的情况下满足了大电流输出的要求，而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块，极大的提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为电源修复提供充分的时间。(3)数字化。现在数字式信号，数字电路越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点：便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、提高系统抗干扰能力、便于软件包调试和遥感遥测遥调、也便于自诊断，容错等技术的植入，同时也为电源的并联技术发展提供了方便。

(4)绿色化。随着各种政策法规的出台，对无污染的绿色电源的呼声越来越高。绿色电源的含义有两层：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因。为了使电源系统绿色化，电源应加装高效滤波器，还应在电网输入端采用功率因数校正技术和软开关技术。提高输入功率因数具有重要意义，不仅可以减少对电网的污染，降低市电的无功损耗，起到环保和节能的效果，而且还能减少相应的投资，提高运行可靠性。提高功率因数的传统方法是采用无源功率因数校正技术，目前较先进的方法是：单相输入的采用有源功率因数校正技术，三相输入的采用SPWM高频整流提高功率因数。

随着电子电源的集成化、模块化、智能化的发展和电力电子器件的高性能化、拓扑电路理论的创新、现代控制技术的广泛应用及其实现的手段的先进性，现代电源的设计及分析工具得以进一步完善。今后电源技术将朝着高效率、高功率因数和高可靠性方向发展，并不断实现低谐波污染、低环境污染、低电磁干扰和小型化、轻量化。从而为今后的绿色电源产品和设备的发展提供强有力的技术保证，这也将是现代电源发展的必然结果。

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1.3 本文的研究目的及内容

随着数字信号处理(DSP)技术的成熟和普遍，新一代的数字信号处理器(DSP)采用哈佛结构、流水线操作，即程序、数据存储器彼此相互独立，在每一时钟周期中能完成取指、译码、读数据以及执行指令等多个操作从而大大减少指令执行周期。另外，由于其特有的寄存器结构，功能强大的寻址方式，灵活的指令系统及其强大的浮点运算能力，使得DSP不仅运算能力较单片机有了较大地提高，而且在该处理器上更容易实现高级语言。正是由于其特殊的结构设计和超强的数据运算能力，使得DSP能用软件实现以前需用硬件才能实现的功能，也同样使数字信号处理中的一些理论和算法可以实时实现。数字控制由于其控制理论与实施手段的不断完善，且因为其具有高度集成化控制电路、精确的控制精度、以及稳定的工作性能，如今己成为功率电子学的一个重要研究方向，而且数字控制也是最终实现电源模块化、集成化、数字化、绿色化的有效手段。系统采用电压电流双闭环PI控制，对整个逆变系统的稳态、动态性能都有很好的改善。通过对数字化逆变电源的分析、研究及实现表明逆变电源具有变压、输出波形好、可靠性高、易于标准化、模块化、维护方便等特点。本课题的主要研究目的是设计一种全数字化的正弦逆变电源，使其具有通用性、可编程、可组合及智能化等特点。逆变电源采用数字控制相对模拟控制，具有以下明显优点：

(1)控制电路结构简洁紧凑，大大简化了硬件电路的设计，提高了系统的抗干扰能力；

(2)设计和制造灵活，每台电源间的一致性好，一旦改变了控制方法，只需修改程序即可，无需变动硬件电路，大大缩短了设计研制周期：

(3)易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得逆变电源的智能化程度更高，性能更完美；

(4)控制系统的可靠性高，避免了某些模拟元件可能产生的漂移；

(5)系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便的通过特定接口或USB接口进行调试、故障查询、历史纪录查询、软件修复、控制参数的在线修改等，甚至还可以通过网线远程操作，提供远程服务；

(6)易组成高可靠性的大规模逆变电源并联运行系统，实现各模块之间的均流控制——————————————————————————————————————————————

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和通讯。

可见，数字化是逆变电源发展的主要方向，然而，也存在着挑战。原因是逆变电源是一个复杂的电力电子装置，是一个多变量、非线性、时变的系统，因此对它的控制存在着困难。目前的困难主要来自于：

(1)逆变电源的输出要跟踪的是一个按正弦规律变化的给定信号。它不同于一般的开关电源的常值控制。在闭环控制下，给定信号与反馈信号的时间差就体现为明显的相位差。这种相位差与负载是相关的，这就给控制器的设计带来了困难。(2)逆变电源的输出滤波器对系统的模型影响很大，输入电压的波动幅度和负载的性质、大小的变化范围往往比较大，这些都增加了控制对象的复杂性，使得控制对象模型的高阶性、不确定性、非线性显著增加。

(3)对于数字式PWM，都存在一个开关周期的失控区间：一般是在每个开关周期的开始或上一个周期之末来确定本次脉冲的宽度。即使这时系统发生了变化，也只能在下一个开关周期对脉冲宽度做出调整。

当然，正是有着众多的优点，而问题又存在，才使得逆变电源的数字化控制在国内外引起了广泛的关注。

1.4 逆变电源的控制策略

PID控制

PID控制以其结构简单、鲁棒性好、参数易于整定等特点广泛应用于工程实践中。PID控制是将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。控制偏差量由给定值与实际输出量构成。PID控制算法包括了动态控制过程中过去、现在和将来的信息：比例环节蕴含了动态控制过程中现在的主要信息，能够校正偏差；积分环节代表了过去积累的信息，能消除静差，改善系统的静态特性；微分环节代表了将来的主要信息，可超前控制信号变化，在过程开始时强迫过程加速进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。逆变器采用模拟PID控制时，如果只是输出电压的瞬时值反馈，其动态性能和带非线性负载时的性能不会令人满意；如果是输出滤波电感或输出滤波电容的电流瞬时值引入反馈，其性能将得到较大改进。然而，庞大的模拟控制电路使得控制系统的可靠性下降、调试复杂、不易于整定．数字信号处——————————————————————————————————————————————

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理芯片的出现使得这个问题迅速得以解决，如今各种补偿措施及控制方式可以很方便地应用于逆变电源的数字PID控制中，控制器参数修改方便，调试简单。但是，数字PID控制算法应用到逆变电源的控制中，不可避免的产生了一些局限性：一方面，系统的采样量化误差降低了算法的分辨率，使得PID调节器的精度变差；另一方面，采样和计算延时使得被控系统成为一个具有纯时间滞后系统，造成PID控制器的设计困难，稳定性减小。无差拍控制

状态变量的无差拍控制早在1959年就由Kalman提出，但是直到80年代中期无差拍控制才在逆变电源上得以应用。随着高性能处理器的出现和无差拍理论研究的深入，针对逆变电源的无差拍控制已经广泛开展起来。无差拍控制是一种基于微处理器实现的P州方案。它根据逆变电源系统的状态方程和输出反馈信号来计算逆变器的下一个采样周期的脉冲宽度。此算法中，每个采样间隔发出的控制量是根据当前时刻的状态向量和下一采样时刻的参考正弦值计算出来的，由负载扰动或非线性负载引起的输出电压偏差可在一个采样周期内得到修正。无差拍控制有极高的动态性能，输出能够很好地跟踪给定值，但是其系统鲁棒性不强，瞬态超调量较大，当负载变化，非线性负载或者温度、运行条件等原因出现参数波动，都容易造成系统的不稳定或者输出性能恶化。重复控制

重复控制是一种基于内模原理的控制方法，内模原理是把作用于系统外部信号的动力学模型植入控制器内，以构成高精度反馈控制系统的一种设计原理。其控制思想是假定前一周期出现的输出电压波形畸变将在下一周期的同一时刻再次出现，控制器根据参考信号和输出电压反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后，在下一个基波周期将此校正信号叠加在原控制信号上，这样就可以消除输出电压的周期性畸变。因此，重复控制能很好的消除非线性负载及其他周期性干扰引起的波形畸变并且具有极佳的稳态性能。但由于延迟因子的存在，重复控制得到的控制指令并不是立即输出，而是滞后一个参考周期后才输出，这样，如果系统内部出现干扰，消除干扰对输出的影响至少需要一个参考周期，干扰出现后——————————————————————————————————————————————

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毕业设计（论文）专用纸的一个参考周期内，系统对于干扰并不产生任何调节作用，这一个周期系统近似处于开环状态，因此重复控制系统的动态响应较差，故重复控制一般和其他控制方式相结合，用来改善输出电压波形。状态反馈控制

利用状态反馈，即将逆变器中的状态变量通过适当的系数反馈，可以合理地配置系统的极点，改变系统的阻尼比，提高系统的动态特性。从控制理论的角度来说，闭环系统性能与闭环极点密切相关。经典控制理论用调整开环增益及引入串、并联校正装置来配置闭环极点来改善系统性能；而在状态空间的分析中，除了利用输出反馈以外，主要利用状态反馈来配置极点，它能提供更多的校正信息，从而得到最优的控制规律，抑制或消除扰动的影响。从状态空间角度分析，单闭环控制系统性能不佳的原因可以解释为：单独的输出反馈未能充分利用系统的状态信息。如果将输出反馈改为状态反馈，应该能够改善控制效果。与双闭环控制类似，状态反馈波形控制系统也需要两个反馈变量，但是并不用它来构成独立的闭环控制回路，而是在状态空间概念上通过合理选择反馈增益阵来改变对象的动力学特性，以实现不同的控制效果。

状态反馈控制的最大优点是可以大大改善系统的动态品质，因为它可以任意配置闭环系统的极点。由于建立逆变器状态模型时很难将负载特性完全考虑在内，所以状态反馈控制只能针对空载或假定阻性负载进行，如果不采取相应措施(增设负载电流前馈补偿，预先进行鲁棒分析等)，则负载的变化将导致稳态偏差的出现和动态特性的改变。滑模变结构控制

滑模变结构控制是利用某种不连续的开关控制策略来强迫系统的状态变量沿着相平面中某一预先设计好的。滑动模态轨迹运动，从而达到预期的性能。滑模变结构控制系统的最大优点是其对参数变化和外部扰动不敏感，具有强鲁棒性，而且其固有的开关特性吸引了众多学者将它应用于逆变电源的控制之中。早期的滑模变结构多采用模拟控制技术，这存在着控制硬件电路复杂、控制功能有限的弱点，严重阻碍了它的发展，然而用微处理器通过软件可以比较方便的实现滑模——————————————————————————————————————————————

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变结构控制。离散滑模变结构控制包括两个部分：前馈控制和滑模控制。前馈控制保证系统输出电压有较好的跟踪质量，滑模控制不是连续控制，而是一种开关控制，它使系统运行于一种滑动模态，保证系统较强的鲁棒性。选取适当的状态变量，利用状态空间法可求出滑模控制。但是滑模变结构控制存在着控制系统稳态效果不佳、理想滑模切换面难于选取、控制效果受采样率的影响等不足。另外，就波形跟踪质量来说，滑模控制又不及重复控制和无差拍控制。模糊控制

模糊控制的最大特征是它能将操作者或专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统。复杂的电力电子装置是一个多变量、非线性、时变的系统，系统的复杂性和模型的精确性总是存在着矛盾。而模糊控制能够在准确和简明之间取得平衡，有效地对复杂事物做出判断和处理。近年来，它在电力电子领域中的应用引起了人们的重视。模糊控制器的设计过程中不需要被控对象的精确数学模型，查找模糊控制表只需要占用处理器的很少的时间，而且模糊控制器有着较强的鲁棒性和自适应性。模糊控制从模仿人的思维外特性入手，模仿人的模糊信息处理能力。理论上已经证明：模糊控制可以任意精度逼近任何非线性函数，但受到当前技术水平的限制，模糊变量的分档和模糊规则数都受到一定的限制，隶属函数的确定还没有统一的理论指导，带有一定的人为因素，因此模糊控制的精度有待于进一步提高。

综上所述，逆变电源的各种控制策略各有所长。因而，各种控制策略取长补短、相互渗透，构成复合控制器，是一种趋势所在。并且随着信息技术及微电子技术的高速发展，对逆变电源的性能提出了更高的要求，使得高性能、智能化的控制技术应用于逆变电源的控制之中成为可能。随着研究的深入进行，将会有更多、更适合逆变电源控制的新型控制策略——————————————————————————————————————————————

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毕业设计（论文）专用纸SPWM控制原理

2.1 PWM概述

所谓PWM技术就是用功率器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲系列，以实现变压变频及控制和消除谐波为目标的一门技术，也就是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制，达到调节输出脉冲宽度的一种方法(这里所谓相当于基波分量的信号波并不一定指正弦波，在PWM优化模式控制中可以是预畸变的信号波)，当然不同信号调制后生成的PWM脉宽对变频效果，比如输出基波电压幅值、基波转矩、脉动转矩、谐波电流损耗、功率半导体开关器件的开关损耗等的影响差异很大。

PWM技术最初应用于直流变换电路，随后将这种方式与频率控制相结合，产生了应用于逆变电路的PWM控制技术。用改变调制信号频率实现输出电压基波频率的调节；用改变调制信号幅值实现输出电压基波幅值的调节。具体来说，就是用一种参考正弦波为“调制波”，而以N倍于调制波频率的三角波为“载波”。由于三角波或锯齿波的上下宽度是线性变化的波形，因此它与调制波相交时，就可以得到一组幅值相等，而宽度正比于调制波函数值的矩形脉冲序列用来等效调制波，用开关量取代模拟量，并通过对逆变器开关管的通断控制，把直流电变换成交流电。

随着逆变器在交流传动、UPS电源和有源滤波器中的广泛应用，以及高速全控开关器件的大量出现，PWM技术己成为逆变技术的核心，因而受到了人们的高度重视。尤其是最近几年，微处理器应用于PWM技术和实现数字化控制以后，更是花样翻新，到目前为止仍有新的PWM控制方式在不断出现。目前已经提出并得到应用的PWM控制技术就不下十种。尤其是微处理器应用于PWM技术之后，PWM技术得到了进一步的发展，从追求电压的正弦波到电流的正弦波，再到磁通的正弦波；从效率最优到转矩脉动最小，再到噪音最小等，PWM控制技术经历了一个不断创新和不断完善的过程。

PWM控制技术可分为三大类，即正弦PWM(包括以电压，电流和磁通的正弦为目标的各种PWM控制技术)，最优PWM及随机PWM。从实现方法上大致有模拟——————————————————————————————————————————————

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式和数字式两种，而数字式中又包括硬件、软件和查表等几种实现方法。从控制特性来看主要可以分为两种：开环式(电压或磁通控制型)和闭环式(电流或磁通控制型)。当然还有其他分类方法，这里就不再逐一叙述。

2.2 PWM波形的基本原理

PWM(PulseWidth Modulation)控制技术即脉冲宽度调制的技术，是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，等效地获得所需要波形。PWM控制技术在逆变电路中应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。目前应用的逆变电路，绝大部分均为PWM型逆变电路。可以说PWM控制技术正是依赖其在逆变电路中的应用，才发展得较为成熟，确定了它在电力电子技术中的重要地位。

采样理论中一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积，这里所说的效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形进行傅里叶变换分析可知，输出响应波形的低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

下面分析如何使用一系列等幅不等宽的脉冲来等效正弦波。正弦半波分成几等份后，可把正弦半波看成由几个彼此相连的脉冲序列组成的波形。这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲幅值按正弦规律变化，不是水平直线。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅不等宽矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点与相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波面积(冲量)相等，可得相应的脉冲序列，即PWM波形。从图中可知各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可采用同样的方法得到PWM波形，这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。

2.3 SPWM的调制方式

目前在单相正弦逆变电源的逆变器中普遍采用脉冲宽度调制(PWM)技术来实现将直流电重新变成交流电的目的。脉宽调制技术可以极其有效地进行谐波抑制，在频率、效率各方面有着明显的优点，使逆变电路的技术性能与可靠性得到了明显的提高。所谓脉宽调制技术，就是在周期不变的条件下，利用改变脉冲宽——————————————————————————————————————————————

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度(或用占空比表示)，甚至可以将脉冲波形斩切为若干段，以达到抑制谐波目的的一种方法。采用脉宽调制技术方式构成的逆变器，其输入为固定不变的直流电压，由于这种逆变器，只有一个可控的功率级，简化了主电路和控制回路的结构，因而体积小、重量轻、可靠性高。又因为集调压、调频于一身，所以调节速度快、系统的动态响应好。此外，采用脉宽调制技术不仅能够提供较好的逆变器输出电压和电流波形，而且提高了逆变器对交流电网的功率因数。

工程实际中应用最多的是正弦PWM(SPWM)法。三角波调制法是目前逆变电源中应用较多的产生SPWM波的方式，它是建立在每一个特定时间间隔内能量等效于正弦波所包含的能量的概念上发展起来得一种脉宽调制方式，下图表示三角波调制法的能量等效图。为了得到接近于正弦波的脉宽调制波形，我们可以将正弦波的一个周期在时间上划分为N等分(N是偶数)，每一等分的脉宽都是2*PI/N。这样就可以分别计算出在各个时间间隔中所包含的面积如图所示。在每个特定的时间间隔中，我们都可以用一个脉宽与其对应的正弦波所包含的面积相等或成比例。但其脉冲幅度都等于Um的一个矩形脉冲来分别代替相应的正弦波部分。这样的N个宽度不等的脉冲就组成了一个与正弦波等效的脉宽调制波形。

图2.1 SPWM波形序列

2.3.1单极性SPWM调制

单极性脉宽调制是用一条正弦控制波与一条在正弦波正半周的极性为正、负半周的极性为负的等腰三角波进行比较，从而得到PWM波的调制方式，如图2.2所示。在这种调制方式中，当正弦波为正半周时，若正弦信号的幅值大于三角信号的幅值，则比较器输出正电平；若正弦信号小于三角信号时，比较器输出零电平。——————————————————————————————————————————————

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而在正弦波的负半周，当正弦信号的幅值大于三角信号的幅值时，比较器输出负电平；当正弦信号的幅值小于三角信号时，比较器输出零电平。因此，得到的PWM信号有正、负和零三种电平。这种在控制信号的半个周期内三角波仅在一种极性内变化，且所产生的SPWM波形也只在一种极性内变化的控制方式，称为单极性调制。

图2.2 单极性脉宽调制原理

2.3.2双极性SPWM调制

全桥逆变器采用双极性PWM控制方式时，载波为全波三角波。用正弦波与三角波进行比较，正弦波大于三角波的部分，输出为正脉冲，小于部分，输出负脉冲。在开关切换时，负载端电压极性非正即负，电流变化率较大，对外部干扰较强。负载端电压脉冲列是由不同宽度调制的正负直流电压组成。

图2.3 双极性SPWM 调制原理

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2.4 SPWM实现方式

从上面SPWM的基本原理的分析，这种脉宽调制的一个重要特点是输出波形中基本不包含低次谐波，在脉宽输出波中仅存在与载波频率相近的高次谐波。通过调制波对载波的脉宽进行调节，我们可以得到不同幅值的正弦波电压。实现正弦波脉宽调制波形有多种方法，主要有模拟方法，数字方法等。

2.4.1比较器实现SPWM 三角波为载波，正弦波为调制波，当载波频率比调制波频率大得多时，可以近似认为在一个载波周期，调制波电压不变。

2.4.2专用集成电路实现SPWM 应用单片机产生SPWM波，其效果受到指令功能、运算速度、存储容量和兼顾其他算法功能的限制，有时难以有很好的实时性。特别是在高频电力电子器件被广泛应用后，完全依赖软件生成SPWM波的方法实际上很难适应高开关频率的要求。

随着微电子技术的发展，开发出一些专门用于发生SPWM控制信号的集成电路芯片，应用这些芯片比用软件生成SPWM方便得多。已投入市场的专用芯片有HEF4752，SLF4520，MASl8，SG3525等。有些单片机本身就带有直接输出SPWM信号的端口如8XC 196MC，使用这种芯片产生SPWM波也比用纯软件方法要方便。

2.4.3单片机实现SPWM 在单片机中实现SPWM波形正是基于上述模拟方法的基本原理。一般方法是离线计算出参数，在内存中存储，然后再由单片机决定输出电压的幅值。这样便可得到输出电压可调的实时SPWM波形。由于受系统时钟频率和计算能力的限制，SPWM的脉冲频率不会很高。

2.4.4 DSP实现SPWM 传统的产生SPWM波形的方法能够用于逆变器中实现幅度和频率可调的正弦波电压。当负载为线性时效果还好,但是当该逆变器带非线性负载时，电压将发生畸变，谐波增加，严重影响负载的正常工作。DSP是一款高性能的数字处理芯——————————————————————————————————————————————

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片，它不仅运算速度快，还有专门用于实现PWM的片内外设。运用DSP我们方便的实现频率很高的SPWM控制信号，从而减小滤波器的尺寸。而且DSP完全有可能用于逆变器中实现输出电压进行逐点的控制。

该方法的基本思想就是利用DSP具有的PWM端口，在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制充电电流。该方法所要求的DSP必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件，另外ADC的位数尽量高，DSP的工作速度尽量快。在调整充电电流前，DSP先快速读取充电电流的大小，然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较，若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比；若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。在软件PWM的调整过程中要注意ADC的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰，合理采用算术平均法等数字滤波技术。——————————————————————————————————————————————

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毕业设计（论文）专用纸逆变电路建模及主电路参数计算

单相全桥式电压型SPWM逆变器，是由SPWM正弦脉宽调制产生的开关控制信号去控制功率开关器件的导通和关断从而实现输出电压的规律变换。本文选用应用最广的单相全桥式SPWM逆变器作为主电路。

3.1 单相全桥式逆变电路拓扑图及等效电路

一般来说，常用的单相逆变器主电路的拓扑结构有全桥和半桥两种，半桥电路结构简单，具有开关管数量少，驱动简单，成本低的特点，但输出电压低，适用于中小功率场合；全桥电路相对复杂，但控制灵活，且输出电压是半桥电路的两倍，适用于较大功率场合。本文选用单相全桥电路结构，下图所示的是一个带LC 滤波环节的单相全桥逆变电路结构图。

T1T3R+UdT2T4L负负C图3.1单相全桥逆变电路结构图

上图中，T1, T2, T3, T4为四个相同的开关元器件。Ud为直流母线电压，L和C分别表示输出滤波电感和滤波电容，R为滤波电路的等效串联电阻，Ui为逆变桥输出电压，Uo为滤波电路输出电压。图 3.2 为其输出等效电路。

RL+ACCUo-负负

图3.2单相逆变器输出等效电路

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该等效电路中，电压源 AC 代表来自逆变桥的输出交流电压，不同于一般的交流电压波形，它是一个单极性的 SPWM 脉冲序列。电流代表负载汲取的电流，其波形可以为任意，视具体负载而定。电阻R是滤波电感的等效串联电阻以及逆变器中其它各种阻尼因素的综合。滤波电容的等效串联电阻影响较小，通常予以忽略。

3.2 单相全桥逆变电路的数学模型

要开展逆变技术的理论分析和实验研究工作，给逆变器建立数学模型，是我们的第一步工作。由于功率开关器件的存在，逆变电路中的开关管工作在开关状态，电路实质上是一个非线性系统，分析起来有一定难度。在理想情况下，假定直流母线电压源的幅值恒定，功率开关为理想器件，且逆变器输出的基波频率、LC 滤波器的截止频率与开关频率比较起来足够低，显然这一点在逆变器中是自动满足的，那么逆变桥可以被看作一个恒定增益的放大器，从而可以采用状态空间平均法来得到逆变器的线性化模型。虽然这种状态空间平均模型不能反映开关暂态的细节，对于大多数的控制方案，己经可以作为控制对象的一个足够好的描述。逆变器建模时，如何处理负载的动态特性也是一个关键性的问题。本文采取的方法是将负载处理为外部扰动输入量，这样就可以建立一个形式简单而又是贴合实际的线性模型。

3.2.1连续状态空间模型

如上面等效电路图3.2所示，选取电容 C 和电感 L 作为状态变量，根据基尔霍夫电压定理 KVL 和电流定理 KCL，可以得到逆变器的数学模型如下：

duc11ilio

（3.1）dtCCdil11Ruiucil

（3.2）dtLLL可得逆变器的连续时间状态方程如下： 100cuuCc1Ril1ilLLL1ucCui ；uc1,0

（3.3）ioil0——————————————————————————————————————————————

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ucui令上式中

x； yuc； u.ilio1100CCA ；B ；C1,0.（3.4）

1R10LLL这可得逆变器通用连续状态空间模型为：

AxBu

（3.5）x yCx

（3.6）由此可以得到逆变器频域下指令传递函数式和结构框图，结构框图如图3.3所示。

图3.3逆变器主电路在频域下的结构框图

由于滤波电路的等效串联电阻R通常较小，该系统通常是一个欠阻尼的二阶系统。当负载变化时若不加以控制，动态过程仅由逆变器自然特性决定，必然有调节时间过长，动态性能较差的问题，引入逆变器波形控制方案是很有必要的。

3.3 单相逆变器主电路设计

本课题要求设计一个输出电压恒定电压、恒定频率，并且波形质量高的单相逆变电源。直流侧输入电压为300V；额定输出电压为110V，输出电压频率为50Hz，额定输出功率10kVA，功率因数0.8~1；交流输出电压稳压精度为±2％，频率精度为±0.2％；电源效率大于85%。

3.3.1负载参数计算

1.负载电阻最小值： 取cos0.8时，Uo2110Ro1.513

（3.7）

Socos101030.82.负载电感最小值：

PlSosin6kVA；

（3.8）

Uo21102Zl2.017；

（3.9）

Pl6103——————————————————————————————————————————————

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LoZl6.3103H

（3.10）2f3.3.2输出 LC 滤波器的设计

PWM 调制本身的特性决定着逆变器的输出电压中含有较多的高次谐波分量,因而必须在逆变器的输出侧加低通滤波器来减小谐波含量,以得到50Hz 标准正弦波。当阻性负载突然变为感性负载时，滤波电感电流可能会突变，为防止电感电流突变，因滤波电容和负载并联，它可以补偿感性电流，因此，在设计滤波电路时,在额定负载下，滤波电容要补偿一定的感性无功电流。但是，滤波电容过大，反而会增加变压器的负担，通常我们设计的基本原则就是在额定负载时，使容性电流补偿一半的感性电流，故可首先确定滤波电容的值。

11icSosin；

（3.11）

2Uo其中

So10kVA；cos0.8 ；sin0.6；Uo110V。

（3.12）故可得：

ic27.2A7

U1o，其中2f，f50HZ

又根据 ZcCici410F

（3.13）可得

Cc7.9Uo另外,为了使逆变器输出电压波形正弦度较好又不会引起谐振，滤波器的谐振频率必须远小于输出电压中所含最低次谐波频率，即开关频率，又要远大于基波频率，这样可以消除逆变器输出电压中低于谐振频率的大多数低次谐波。低通滤波器截止频率越低，输出电压谐波畸变越小，但考虑流过滤波器的无功分量电流增大，也会增大变流器的体积和成本，为了达到较好的性能，由功率模块开关频率为3000HZ，基波频率为50HZ，适当选取滤波器谐振频率选为550HZ。

1由 fc，可以算出滤波电感：

2LC11L1.06104H

（3.14）2fcC23.3.3 IGBT 模块的选择

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极型晶体管)的缩写，IGBT是MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为——————————————————————————————————————————————

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MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

由于IGBT的输入控制部分为MOSFET,输出级为双极结型晶体管，因此兼有MOSFET和电力晶体管的优点：高输入阻抗,电压控制,驱动功率小,开关速度快,工作频率可达10-40kHz（比电力晶体管高），饱和压降低（比MOSFET小得多，与电力晶体管相当），电压电流容量较大，安全工作区较宽。正因为IGBT有这许多的优点，常常应用于大功率逆变器场合。

若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOS截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极—发射极间施加十几V的直流电压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。

IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。其相互关系见下表。使用中当IGBT模块集电极电流增大时，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗增大，使原件发热加剧，因此，选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降等使用。

已知额定视在功率为10KVA，额定输出电压110V,可计算得额定输出电流：Io = 10000/110 =90.9A，其峰值为128.55A。取两倍的裕量为257.1A。

输入直流电压为300V，留一定裕量，可选取 300A，600V的IGBT作为开关器件，可以满足以上的电压电流要求。——————————————————————————————————————————————

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毕业设计（论文）专用纸控制策略及系统仿真

4.1 PID概述

PID算法蕴含了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息。其中比例(P)代表了当前的信息，起校正偏差的作用，加速系统的响应速度，P越大，系统的精度越高，但将产生超调，P取值过小则响应慢，延长了调节时间。微分(D)在信号变化时有超前控制的作用，代表了将来的信息。在过程开始时强迫过程加速进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。也即抑制偏差向任意方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但D过大，则会使响应过程提前制动，延长了调节时间。积分(I)代表了过去积累的信息，它能消除静差，改善系统的静态特性。I越大，系统静态误差消除的越快，但过大的话，在响应初期会产生积分饱和现象，引起较大超调；I过小，将难以消除静态误差。因此设计好的PID控制器的关键是找到最优的三个参数。

4.2 数字PID控制

PID控制算法是应用最为成熟的一种控制技术，已经在模拟控制逆变电源系统中得到了很好的应用。然而，由于采样和计算延迟等因素的影响，数字PID控制直接应用到逆变电源控制系统中，存在稳定性差以及动态响应不够快等缺点。模拟式PID控制算法的表达式为：

det1utKpetetdtTD

（4.1）

Tidt其中，u(t)为控制器的输出信号，e(t)为误差信号，Kp是比例系数，Ti是 积分时间常数，Td是微分时间常数。写成传递函数的形式： Us1GsKp1Tds

（4.2）

EsTi以和式代替积分，以增量代替微分，将式上式离散化，得到： TTKUkKpekejdekek1

（4.3）

Tij0TTT其中，T为采样周期；令积分系数KiKp,微分系数KdKpd，有：

TiTi——————————————————————————————————————————————

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KUkKpekKiejKdekek1

(4.4)

j0数字PID控制器的Z传递函数为：

UzKi

1(4.5)GzKpK1zd1Ez1z图4.1为数字PID调节系统示意图：

rt+-etytPID控制器对象反馈电路

图4.1 数字PID调节系统

由于其中包含误差的累加，所以每次输出均与原来的位置量有关，计算工作量加大，计算机的任何故障都会引起输出的大幅度变化，对控制不利。因而产生了如下式所描述的增量式PID控制算法。

ukukuk1Kpekek1KiekKdek2ek1ek2

(4.6)增量式PID算法的优点是：由于计算机输出增量，所以误动作影响小；易于实现手动、自动无扰动切换；不产生积分失控，所以容易获得较好的调节效果。不过它也由不足之处：积分截断效应大，有静态误差，溢出的影响大。

4.3 PID参数的整定原则

如何确定控制器参数，使整个系统具有满意的稳态和动态特性，是系统设计重要步骤。其参数的整定原则主要包括以下几个方面：

(1)首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直到得到反快，超调小的响应曲线。如果系统没有静差，或者静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，那么只须用比例调节器，最优比例系数可由此确定。(2)如果在比例调节器的基础上系统的静差不能满足设计要求，则需加入积分环节。整定时首先置积分时间为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小(如缩小到原值的0.8倍)，然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数——————————————————————————————————————————————

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与积分时间，以期得到满意的控制过程与整定参数。

(3)若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。在整定时，可先置微分时间设为零。在第二步整定的基础上，增大值，同时相应地改变比例系数和积分时间，逐步试凑，以获得满意的调节效果和控制参数。

该系统主要是以稳定性和准确性为主，对快速性的要求不高，所以采用PI调节器，去掉了微分环节。

当逆变器采用PID控制方式时，由于被控对象本身为相位滞后系统，逆变桥在系统中的作用也等效为一阶保持器，具有一个开关周期的滞后效应，再加上数控系统本身的计算延迟，使整个系统的滞后效应非常明显。宜采用P调节器或采用微分作用很小的PD调节器，不宜采用具有滞后效应的积分运算。

如果系统的动态特性和稳态精度不能满足要求，必采用PI调节器。开始时，把参数正设的大一些，然后反复调整Kp和Ti。如果系统的动态特性不能满足要求。可以再加入微分调节器。Ti由小到大逐次改变，并相应改变Kp值，反复试凑，直到得到满意的性能为止。

4.4 双闭环控制的原理

通过对单相逆变电源系统的研究分析，为使单相逆变电源系统获得良好的稳态和动态性能，更具有新的优良性能，因而将各种控制方案相互取长补短、相互渗透、互济优势，集成为复合控制器是一种趋势所在。这些集成的控制器能够充分发挥各自的优势，更好的满足逆变电源的控制要求。

针对所建立的单相逆变器的数学模型和仿真模型，论文提出了新型单相逆变电源的双闭环PI控制设计方案。逆变电源系统分为开环控制系统和闭环控制系统，因为开环控制系统的输出在电网电压和负载变化时，无稳定作用，控制效果不理想，一般只用于小功率、波形质量要求不高的场合；对波形要求较高的场合，一般都采用闭环控制系统。

早期逆变电源的控制，多为PID控制，单纯采用输出电压进行反馈，采用PID控制器进行调节，当负载发生变化时控制系统的性能下降。特别当负载为非线性负载时，PID参数不易整定。为进一步改善系统性能，把输出电感电流引入控制——————————————————————————————————————————————

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系统，和输出电容电压一起形成双闭环控制。

通过采样电感电流和电容电压，用外环电压误差的控制信号去控制电流，调节电流使输出电压跟踪参考电压值，提高系统的动态响应。双闭环控制系统由于存在内环回路，具有很多的特点。例如，可以减少内环对象的等效时间常数；提高系统的工作频率；抑制进入内环回路的扰动；适应负荷的变化。在双闭环控制系统中，外环回路是定值控制系统，内环回路是随动控制系统，外环调节器可以按照负荷变化相应地调整内环调节器的给定值，使调节系统仍然具有较好的品质，所以双环控制系统对负荷变化具有较强的适应能力，可使逆变电源的输出性能得到较大的改进。

图4.2逆变器开环模型

开环控制虽然电路结构简单成本低，但是其性能较差，存在很大局限性：输出波形谐波畸变THD值高、质量差，理想情况时开环控制可以输出理想正弦波，但实际上由于死区的影响，非线性负载等非理想因素的影响，使实际输出电压畸变严重；系统动态响应慢，当负载突变时，输出电压会出现很大波动并且需要经过较长时间才能稳定，当输入电压波动时，输出电压也不稳定。因此以前开环控制只适用于对电能质量要求不高的场合，而对于用户电能要求较高的场合，必须采用闭环控制策略来克服开环控制的局限性。采用输出电压反馈控制，可以使通过调节使输出电压，严格跟随给定正弦电压，降低了输出电压畸变率(THD)，采用——————————————————————————————————————————————

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电流反馈控制，使系统输出在负载突变时保持稳定，具有较好的动态性能。

图4.3负载电压反馈模型

图4.4滤波前电压脉冲序列

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图4.5负载电压与电流波形

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毕业设计（论文）专用纸硬件电路设计

5.1 控制芯片选择

DSP(digital signal proceor)是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。逆变电源系统的组成结构如图5.1所示，其基本工作原理是将直流供给逆变电路，逆变电路在驱动信号作用下将直流电变成一定电压和频率的交流电，经滤波后供给负载。输出电压和电流经过采样调理后送给DSP处理，DSP对采样信号经控制算法处理后输出修正后的SPWM控制信号，使输出电压稳定在所设定的期望值上。

直流输入逆变器交流输出滤波主电路 隔离驱动A/D采样控制电路SPWM信号DSP控制器采样信号

图5.1逆变电源系统的组成原理框图

目前，TEXAS INSTRUMENTS、MOTOROLA、ADI等公司相继推出了适用于逆变电源控制的芯片，且功能也越来越强大，更胜任于要求越来越高的工程控制中。其中TEXASINSTRUMENTS(TI)公司的TMS320LF2407A数字信号处理器是一种为电机控制而设计的微控制器，它适用于电机控制、变频调速及不间断电源的控制。

由于主控模块的核心任务是数字控制算法的执行, 因此必须保证其运算速度——————————————————————————————————————————————

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足够快, TI公司的TMS320LF2407A是专门为实时信号处理而设计的, 它将实时处理能力和控制器外设功能集于一身, 为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。下列特性使其成为很多信号处理及控制应用的理想选择：

(1)采用高性能的静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；40MIPS的执行速度使得指令周期缩小到25ns，提高了实时控制能力。

(2)令片内高达32K字的FLASH程序存储器，高达1.5K的数据程序RAM 544字的双口RAM和2K字的单口RAM。

(3)两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括两个16位通用定时器，8个16位的脉宽调制(PWM)通道。它们能够实现三相反向器控制及PWM对称和非对称波形；当外部引脚PDPINTA或PDPINTB出现低电平时则快速关断相应的PWM通道；可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；三个捕获单元；片内光电编码接口电路；16通道的10位A/D转换器：硬件SVPWM发生电路。事件管理模块适用于进行电机控制和逆变器等功率场合控制。

(4)看门狗定时器模块、电源管理低功耗模式和基于锁相环的时钟发生器。(5)十位A/D转换器的最小转换时间为500ns，可选择两个事件管理器来触发两个8通道输入的A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。(6)串行通信接口和控制器局域网(CAN)模块。

(7)高达40个可单独编程或复用的通用I/0引脚和5个外部中断。这里先简要介绍一下2407A的事件管理器模块与PWM波形产生有关的部分。EVA和EVB是两个相互独立的事件管理器模块，结构功能完全相同，每个都有两个通用定时器，三个比较单元，三个捕获单元，两路正交编码脉冲电路QEP及记数方向和外部时钟输入。可见, TMS320LF2407A具有实现所设计的数字控制算法所需的结构特点。利用设计的主控模块系统框图见图5.2。该系统从功能上可分为信号检测及电平转换部分, PWM波形输出部分, 逆变电源保护控制电路部分, 液晶显示及键盘阵列部分，JTAG通信接口部分, 实时时钟等, 数据采集部分用来对电压、电流信号进行采样和A/D转换, 输出的波控制逆变器从而产生了输出正弦波；液晶显示和键盘阵列为人机信息交换硬件接口, 采用CPLD进行键盘扫描，从而降低了主控制单元的任务处理量；增强了系统实时性，同时还完成了保护、故障信号的控制译——————————————————————————————————————————————

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码逻辑功能； 时钟除可记录系统时间外，还可利用其片内的用户RAM来记录、存储故障信息及系统重要参数如运行模式，通信波特率，本机通信地址等等。

信号检测及电平转换PWM输出JTAG通信接口TMS320LF2407CPLD故障和保护信号 时钟及历史故障记录 键盘和液晶显示

图5.2DSP控制器结构框图

在线调试和仿真通过JTAG标准测试接口及相应的控制器, 从而不但能够控制和观察系统中处理器的运行, 测试每一块芯片, 还可以用这个接口来下载程序。在TMS320LF2407A中, 和JTAG同时工作的还有一个分析模块。他支持断点的设置和程序存储器、数据存储器、的访问, 程序的单步运行和跟踪, 以及程序的分支和外部中断的计数等。通过结合TI的集成开发环境与接口给系统开发和调试提供了很大方便。

5.2 采样与信号调理电路

为了实现所设计的数字控制算法, 必须对输出电压进行采样, 为了保护系统, 避免短路、过载等损坏器件, 必须采样输出电流。

TMS320LF2407A的模数转换模块是一个带内置采样保持的10位ADC模块,具有多达个的模拟输入通道, 且一次可同时执行所有通道的自动转换, 也可通过编程选择所使用通道, 转换结构存放在可单独访问的结果寄存器中, 该模块灵活的中断控制允许在每一个或每隔一个序列的结束时产生中断请求, 转换器参考电压为3V, 可接受单极性信号。可见该模块能完全满足正弦逆变控制算法的检测要求。

因为逆变器器输出电流含有高次谐波成分因此检测电路对互感器的性能有较——————————————————————————————————————————————

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高的要求。设计时, 传感器采用高性能霍尔元件, 霍尔电流传感器模块有优越的电性能, 能隔离主电路和控制电路的电检测元件, 它综合了互感器和分流器的所有优点, 同时又克服了互感器和分流器的不足互感器只适应的工频测量,分流器无法进行隔离测量, 并具有精度高、频带宽、线性好、响应速度快、过载能力强和不损失测量电路能量等优点, 所以它能满足控制系统对检测的实时性、精确性要求。

TMS320LF2407ADSP 片内A/D 采样的输入电平范围为0～3.3V，因此我们需要通过模拟采样调理模块，将采集量经过适当的变换，得到DSP 可以处理的0～3.3V 以内的信号。本系统采用茶花港联传感器公司VSM025A 型霍尔电压传感器对输出电压进行隔离采样，将采样到的电压信号变换到-3.3V～+3.3V 的电压区间内，最后再加上直流电压偏移量形成0～3.3V 的交流电压送到DSP，同时在输出端接一个3.3V 稳压二极管，以确保输入到DSP 片内A/D 的电压不超过3.3V。

图5.3VSM025A霍尔电压传感器

系统电压经过相应的传感器后，统一变换为适当幅值的电压信号，经调理电路后，进行A/D转换。系统电压的采样电路图5.4可知，系统输出电压的采样电路由四部分组成。

第一部分是由LF353的运放构成的电压跟随器，以提高电路的输入阻抗，R131和C101是为了抑制干扰，保证电路稳定工作。第二部分为电平抬升电路，即直流偏置电路，电压偏移量为3.3V，将围绕零电平波动的双极性信号提升为单极性信号，使得-3.3V～+3.3V的交流电压变为0～+3.3V的直流电压。第三部分是电压跟随器进行跟随。第四部分为进入A/D前的保护部分在输出端接一个3.3V的稳压二极管，以确保输入到DSP 片内A/D的电压不超3.3V，防止信号异常导致DSP芯片损坏。

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图5.4电压调理电路

设电压传感器的输出电压Vsout，调理电路的输出电压为VADC，由上图有：

VADC(VsoutVD)/21.65Vsout/(5.1)

只要电压传感器的输出电压幅值在-3.3V～+3.3V的范围以内，则输入到AD口的电压在0～+3.3V的范围以内，可满足要求。

电流采样电路原理与电压采样电路类似，只要将电压传感器换为电流传感器即可。

5.3 IGBT驱动电路设计

IGBT的驱动条件与其特性密切相关。在设计门极驱动电路时应特别注意开通特性, 负载短路能力和误触发等问题。对驱动电路总的要求包括以下方面：(1)IGBT是电压驱动, 具有一个2.5到5.0V的域值电压, 有一个容性输入阻抗。因此, IGBT对栅极电荷集聚敏感, 故驱动电路必须很可靠, 要保证有一低阻抗值的放电回路, 即驱动电路与IGBT的连线要尽量短；

(2)用内阻小的驱动源对栅极电容放电, 以保证栅极控制电压有足够陡的前后沿, 使IGBT的开关损耗尽量小, IGBT开通后, 栅极驱动源应能够提供足够的功率, 使IGBT不会退出饱和而损坏；

(3)IGBT的栅极驱动电路应尽可能简单实用, 最好自身带有对IGBT的保护功能, 并有极强的抗干扰能力。

DSP芯片输出的PWM信号驱动能力相当弱, 必须先将此信号送入到驱动电路,经电气隔离及放大后再去驱动功率器件IGBT。目前国内使用较多的有富士公司生产的EXB系列，三菱公司生产的M579系列，MOTOROLA公司生产的MC33153——————————————————————————————————————————————

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等驱动电路，美国IR公司的IR2100系列。这些驱动电路各有特点，均可实现IGBT的驱动与保护，本文采用IR2130来进行PWM波的驱动。

IR2130是MOS、IGBT功率器件专用栅极驱动芯片，通过自举电路工作原理，使其既能驱动桥式电路中低压侧的功率器件，又能驱动高压侧的功率元件，因而在电机控制、伺服驱动、UPS电源等方面得到广泛应用。这些器件集成了特有的负电压免疫电路，提高了系统耐用性和可靠性，有些器件不仅有过流、过温检测输入等功能，还具有欠压锁定保护、集成死区时间保护、击穿保护、关断输入、错误诊断输出等功能。其具有以下特点：(1)可直接驱动高达600V电压的高压系统，输出端具有dV/dt抑制功能；(2)最大正向峰值驱动电流为250mA，反向峰值驱动电流为500mA；(3)具有电流放大和过电流保护功能，同时关断六路输出；(4)自动产生成上、下侧驱动所必需的死区时间（2.5μs）；(5)具有欠压锁定功能并能及时关断六路输出；

D2D3C2+15VDSP PWMDSP PWMC1DSP PWMDSP PWM***1314VCC/HIN1/HIN2/HIN3/LIN1 /LIN2/LIN3/FAULTIPRIPCAOCA-VSSVSOLO3VB1 HO1 VS1VB2HO2VS2VB3HO3 VS2LO1 LO***21201918171615C3R10S1R1LEDS2R9R8R2S3S4R7IR2130R5R3R4R6

图5.5 IR2130驱动电路图

5.4 保护模块设计

IGBT关断或开通时, 因为回路分布电感和变压器漏感的作用, 在开关管两端——————————————————————————————————————————————

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会产生电压尖峰, 若不采取措施, 有时这个电压尖峰叠加原来的电源电压会超过管子的安全工作区而使其遭到破坏。开通缓冲电路用于限制开关管导通时的电流上升率di/dt,关断缓冲电路用于限制开关管关断时的端电压上升率du/dt,同时也限制导通时所引起的处在同一桥臂上的另一只开关管端电压上升率du/dt, 而吸收电路上要抑制开关管两端的电压尖峰, 与关断缓冲电路的形式有些相似。

逆变电源在刚启动的瞬间, 机内各控制线路并未进入稳定状态, 产生的浪涌电流极易烧毁逆变器, 试验表明, 在无缓启动电路的情况下如果带载启动, 则逆变器故障发生率可高达40%至50%。

在逆变电源的工作过程中, 一旦发生输出负载或输出负载线路短路现象, 逆变电源应立即进行保护控制, 封锁PWM脉冲, 关闭逆变器。在电路实现时定义短路为输出电压过低且输出电流过大, 系统要求短路保护速度应尽可能快, 用软件判断显然不如直接用硬件进行控制。

电源过压过流对开关电源造成的危害，主要表现在器件因承受的电压超出正常使用范围，电气性能指标被破坏而不能满足要求。如果供电缺相或者网路故障使得电压电流过低，直接影响电源正常工作。因此对输入电源的上限和下限要有所限制。当电压过压、欠压时，IR2130通过它自身的保护模块不驱动IGBT开关管以实现对电路的保护作用。过流保护与过欠压保护电路略有不同，IGBT在短时间内有很强的过流能力，只有在IGBT出现长时间过流时，才要求保护电路动作，但是还是因为IR2130的保护功能才实现的。如果没有使用象IR2130这样有过压、欠压、过流等保护措施的芯片，电路要正常安全的运行就必须另外搭建保护电路来实现，这样就会使电路更复杂。

5.5 其他辅助电路

5.5.1时钟电路

TMS320LF2407提供了两个时钟引脚XTAL1/CLKIN和XTAL2。其中XTAL1 /CLKIN 是PLL振荡器输入引脚，XTAL2是晶振、PLL振荡器输出引脚。为DSP产生并提供时钟的两种典型电路如图5.6和图5.7。图5.6利用DSP 芯片内部提供的片内振荡器，当多个DSP要以同步时钟工作时，只能采用该方式。图5.7是利用外——————————————————————————————————————————————

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部振荡器时钟源，旁路DSP内部晶体振荡器，将外部时钟源，即封装好的晶体振荡器直接输入XTAL1/CLKIN引脚，XTAL2悬空。图中所画的晶体振荡器为顶视图，将晶振的4脚加上3.3V电压，2脚接GND，1脚悬空，3脚就是所需要的时钟。这种方法简单方便，系统设计一般采用这种方法。

图5.6采用内部振荡器的时钟电路

图5.7 采用外部振荡器的时钟电路

5.5.2复位电路

复位电路如图5.8所示。在设计复位电路时，一般应从两种复位的需要去考虑，一个是上电复位；另一个是工作中的复位。当系统刚接通电源时，复位电路应处于低电平以使系统从一个初始状态开始工作，这段低电平时间应该大于系统的晶体振荡器起振时间，以便避开振荡器起振时的非线性特性对整个系统的影响。通常，晶振需要100～200ms的稳定时间，则上电复位时间应该大于等于200ms。工作中复位则要求复位的低电平至少保持6个时钟周期，以使芯片的初始化能够正确的完成。

图5.8复位电路

5.5.3仿真器连接JTAG 由于LF2407A结构复杂、工作速度快、外部引脚多、封装面积小、引脚排列密——————————————————————————————————————————————

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集等原因，传统的并行仿真方式已经不适合于LF2407A的开发应用。LF2407A具有IEEE1149.1规范的5线JTAG串行仿真接口，能够及其方便地提供硬件系统的在线仿真和测试。

JATG目标器件通过专用的仿真端口支持仿真。此端口由仿真器直接访问，并提供仿真功能，为了与仿真器通信，用户必须有14引脚的管座。在仿真器和JTAG目标系统中提供高质量的信号是极其重要的，用户必须提供正确的信号缓冲，测试时钟输入以及多处理器的内部连接，以保证仿真器和目标系统良好的工作。

5.5.4故障保护单元

为了保证功率主电路安全可靠工作，控制器必须能够在检测到短路或过电压等现象出现时立即发出指令切断电路。TMS320LF2407A芯片提供的引脚PDPINTA就是具备这样的保护功能。它在芯片内部集成了保护电路，当逆变器出现过压或过流时，通过将该引脚电平拉低，产生不可屏蔽中断，立即将所有PWM输出口切断，从而切断电路，达到保护器件的目的。

5.5.5 SCI接口电路

为了接收单片机输入的电压、频率等参数以及实际输出电压、电流和频率在LCD上显示，必须加入通讯电路。TMS320LF2407内部包含了串行通信接口SCI模块。SCI模块支持CPU与其它使用标准格式的异步外设之间的数字通信。SCI模块的SCI接收器和发生器是双缓冲的，每一个都有它自己单独的使能和中断标志。两者都可以独立工作，或者在全双工的方式下同时工作。SCI模块有两个外部引脚SCIRXD、SCITXD分别用于接收和发送数据。模块内部有一个发送数据缓冲区和一个接收数据缓冲区用于存放需要发送的数据和接收到的数据，通过一个移位寄存器将外部引脚上的数据移位存放到缓冲区中。另外还有一个波特率发生器和SCI控制寄存器用于控制串行通讯的方式。

5.6 电磁兼容设计

由于高频下PWM所产生的电磁干扰非常的严重，检测和控制电路容易受到干扰而产生误判断和误动作，而以DSP为核心的数字电路容易受到主功率电路的电磁干扰。这种干扰主要表现在地线上的共模干扰，他容易导致程序的跑飞和复位。——————————————————————————————————————————————

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因此，在数字控制电源中需要很好的解决抗干扰的问题，才能保证电源的高可靠性。

模拟电路和数字电路的抗干扰能力是不同的。模拟电路中的信号为一定值的电压或电流量，电路由于传导或辐射干扰模拟信号总会叠加一些噪声信号，引起信号发生畸变。而数字电路的信号表示为高低电平的组合，高低电平都有一定的阀值，并且有一定回差，数字电平受到干扰而使其代表的数字逻辑发生翻转所需的干扰要超过其阀值电压。叠加的噪声不是很大时，基本上不会引起信号的畸变。所以说数字电路的抗干扰能力比模拟电路强，但是数字电路一旦受到强干扰，后果是致命的。

我们设计的数字控制的逆变电源是在DSP芯片内部通过对信号进行数字处理而实现的，不易受到干扰。因此具有更高的可靠性和抗干扰能力。该逆变电源的闭环控制系统是数字的，但是采样电路是模拟的，容易受到干扰，导致对主电路的采样出现误差。该机存在的大干扰，可能会导致DSP复位。在电路的设计过程中为了尽量减小干扰对该逆变电源的影响，我们进行分析后，采取了如下措施：(1)整个控制器的印刷电路板铺上屏蔽地，以减少共模干扰。

(2)采样电路与控制器的距离尽可能短，减少信号传送产生的干扰，同时在DSP芯片的A/D转换引脚加一个很小的滤波电容，消去传送过程产生的干扰。(3)2407A的数字地和模拟地是完全分开的，设计中使用一路单独的+3.3V电源为A/D提供参考电压，这样A/D转换就避开数字信号的干扰，保证了精度。(4)数字地与模拟地的连接为单点连接，避免数字电路地线上的突变电流给模拟地带来干扰。给DSP芯片的PDPINT引脚加500pF的小电容，避免辐射及传导干扰导致的DSP芯片误动作。

(5)主电路的接线尽可能短，尽可能将几根线绞起来，减少环路面积，这都能起到减少线路漏感的作用。

(6)在主电路的功率开关管和二极管两端加阻容吸收，一方面减少功率和二极管的应力，另一方面减小开关过程中的dv/dt，di/dt，从而减少主电路对控制电路的干扰。

(7)对于电源回路而言，尖峰电流将在电源内阻上产生压降，在公共传输线阻抗上——————————————————————————————————————————————

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产生压降，使供电电压跳动，形成干扰源，严重时会造成低频振荡。解决的办法是对每个元件采用去耦电容供电，在公共电源端并联大容量电解电容，并且并联0.1～0.47uF的高频电容，以进一步减少电源的交联公共阻抗，同时也可抵消因电解电容的卷工艺而产生的电感效应，在门电路的电源端与地线端配置去耦电容，一方面提供和吸收该集成电路工作瞬间的充放电能量，另一方面旁路掉该器件的高频噪声。

(8)系统软件设计中设置软件陷阱和软复位指令。在程序存贮器FLASH的非程序存贮空间填充NMI或TRAP指令，当程序跑飞至非程序区时，强迫指令转移到中断向量地址处，在中断服务程序中可以使DSP自动复位，重新开始运行。对于程序中没有用到的中断，在其中断入口设置假中断，即一旦发生了不该发生的中断，程序将跳至假中断程序，在假中断放一条跳转指令，程序跳转到相当于复位的地方继续执行。系统软件设计中设置看门狗。“看门狗”是根据程序在运行指定时间间隔内未进行相应的操作，即未按时复位看门狗定时器，来判断程序运行出错的。DSP芯片本身有一个监视定时器，它被启动后，每个状态周期加1，并且需要经常有指令对它清零，若没有对它清零，它计数满后溢出将使系统复位，重新初始化。这样WATCHDOG就提供了一种使系统瞬时故障中自动恢复的能力。运用“看门狗”原理，只需在软件设计中定时清除监视定时器内容即可。

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结束语

采用数字信号处理器(DSP)技术的数字控制，可以充分发挥数字控制硬件电路简单、抗干扰性强，易于实现先进的控制策略和系统监控与在线升级。本文主要完成了以下内容：

(1)概述了逆变器的研究现状，及发展趋势。介绍了几种逆变器的数字控制策略，并比较了几种控制策略的优缺点。

(2)较为详细的介绍了PWM调制技术的原理，重点研究了SPWM的相关内容。比较了几种PWM波的生成方法，指出了他们各自的异同点。

(3)建立了单相桥式逆变器的连续状态空间模型，给出了相应的频域模型。进行了主电路的参数设计，以及开关器件IGBT的参数计算。

(4)利用matlab中的simulink软件建立了逆变器的仿真模型，对逆变器系统进行仿。得到了相应的仿真波形，并对仿真结果进行了相应分析。

(5)最后进行的是硬件电路的设计。首先是DSP芯片的选择，本文采用的是TI公司的TMS320 LF2407ADSP芯片。接着完成了信号采集及调理电路、IGBT驱动电路、保护电路的设计。最后简要介绍了其它辅助模块的相关内容。

由于时间和精力的限制，本文所涉及的内容仅仅是逆变电源数字控制技术的一个局部。有些控制方案仅仅作了浅显的研究。另外对于硬件电路的设计也有很多不完善的地方，仅仅是对部分电路进行了较为详细的研究，而对DSP芯片的其他接口电路仅是简单提及。实际上完整的逆变器设计还包括控制算法的研究、以及程序软件的设计。

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致

谢

通过这几个月来的忙碌和学习，本次毕业论文设计已接近尾声。作为一个应届毕业生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，在这里衷心感谢指导老师的督促指导，以及一起学习的同学们的支持，让我按时完成了这次毕业设计。在毕业论文设计过程中，我遇到了许许多多的困难，也学到了许多宝贵的经验。在此我要感谢我的指导老师赵阳老师给我悉心的帮助和对我耐心而细致的指导。毕业论文是较为复杂烦琐的工作，但是赵阳老师仍然细心地纠正其中的错误。除了敬佩老师的专业水平以外，她的治学严谨和科学研究的精神也是我学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作，我才得以解决毕业设计中遇到的种种问题。

同时感谢我院、系领导对我们的教导和关注；感谢大学四年传授我们专业知识的所有老师，谢谢你们呕心沥血的教导。还有谢谢我周围的同窗朋友，他们给了我无数的关心和鼓励，也让我的大学生活充满了温暖和欢乐。如果没有他们的帮助，此次毕业论文的完成将变得困难。他们在我设计中给了我许多宝贵的意见和建议。同时也要感谢自己遇到困难的时候没有气馁，取而代之的是找到了相应的方法来解决问题。

毕业设计结束了，通过设计，我深刻领会到基础的重要性，毕业设计不仅仅能帮助自己检验大学四年的学习成果，更多的是毕业设计可以帮助我们更加清楚的认识自我，磨练自我的意志与耐性，这会为学生日后的工作和生活带来很大的帮助。——————————————————————————————————————————————

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参考文献

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附

录

Translated from: XiongFusheng, DC Switching Power Supply Protection Technology, Guangzhou:The World of Power Supply [P],2002.2.DC Switching Power Supply Protection Technology Abstract: The DC switching power supply protection system, protection system design principles and machine protection measures, an analysis of switching power supply in the range of protected characteristics and its design methodology,introduced a number of practical protection circuit.Keywords: switching power supply protection circuit system design1、Introduction DC switching regulator used in the price of more expensive high-power switching devices, the control circuit is also more complex, In addition, the load switching regulators are generally used a large number of highly integrated electronic systems installed devices.Transistors and integrated device tolerance electricity, le heat shocks.Switching Regulators therefore should take into account the protection of voltage regulators and load their own safety.Many different types of circuit protection, polarity protection, introduced here, the program protection, over-current protection, over-voltage protection, under-voltage protection and over-temperature protection circuit.Usually chosen to be some combination of protection, constitutes a complete protection system.2、polarity protection DC switching regulator input are generally not regulated DC power supply.Operating errors or accidents as a result of the situation will take its wrong polarity, switching power supply will be damaged.Polarity protection purposes, is to make the switching regulator only when the correct polarity is not connected to DC power supply regulator to work at.Connecting a single device can achieve power polarity protection.Since the diode D to flow through switching regulator input total current, this circuit applied in a low-power switching regulator more suitable.Power in the ——————————————————————————————————————————————

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larger occasion, while the polarity protection circuit as a procedure to protect a link, save the power required for polarity protection diodes, power consumption will be reduced.In order to easy to operate, make it easier to identify the correct polarity or not, collect the next light.3、procedures to protect Switching power supply circuit is rather complicated, basically can be divided into low-power and high-power part of the control part of the switch.Switch is a high-power transistors, for the protection of the transistor switch is turned on or off power safety, we must first modulator, amplifier and other low-power control circuit.To this end, the boot to ensure the correct procedures.Switching Regulators generally take the input of a small inductor, the input filter capacitor.Moment in the boot, filter capacitor will flow a lot of surge current, the surge current can be several times more than the normal input current.Such a large surge current may contact the general power switch or relay contact melting, and the input fuse fuse.In addition, the capacitor surge current will damage to shorten the life span of premature damage.To this end, the boot should be acce to a current limiting resistor, through the current limiting resistor to capacitor charging.In order not to make the current limiting resistor exceive power consumption, thus affecting the normal switching regulator, and the transient proce in the boot after a short period then automatically relays it to DC power supply directly to the switching regulator power supply.This circuit switching regulator called a “soft start” circuit.Switching regulator control circuit of the logic components required or op-amp auxiliary power supply.To this end, the auxiliary power supply must be in the switch circuit.This control circuit can be used to ensure the boot.Normal boot proce is: to identify the polarity of input power, voltage protection procedures → boot → auxiliary power supply circuit and through current limiting resistor R of the switching regulator input capacitor C → charge modulation switching regulator circuit, → short-circuit current limiting resistor stability switching regulator.In the switching regulator, the machines just because the output capacitance, and charge to the rated output voltage value of the need for a ——————————————————————————————————————————————

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certain period of time.During this time, sampling the output amplifier with low input voltage sampling, closed-loop regulation characteristics of the system will force the switching of the transistor conduction time lengthened, so that switching transistor during this period will tend to continuous conduction, and easily damaged.To this end, the requirements of this paragraph in the boot time, the switch to switch the output modulation circuit transistor base drive signal of the pulse width modulation, can guarantee the switching transistor by the cut-off switches are becoming more and more normal state, therefore the protection of the setting up of a boot to tie in with the soft start.4、over-current protection When the load short-circuit, overload control circuit failure or unforeseen circumstances, such as would cause the flow of switching voltage regulator transistor current is too large, so that increased power tubes, fever, if there is no over-current protection device, high power switching transistor may be damaged.Therefore, the switching regulator in the over-current protection is commonly used.The most economical way is to use simple fuse.As a result of the heat capacity of small transistors, general fuse protection in general can not play a role in the rapid fuse common fuse.This method has the advantage of the protection of vulnerable, but it needs to switch transistor in accordance with specific security requirements of the work area to select the fuse specifications.This disadvantage is over-current protection measures brought about by the inconvenience of frequent replacement of fuses.Linear voltage regulator commonly used in the protection and current limiting to protect the cut-off in the switching regulator can be applied.However, according to the characteristics of switching regulators, the protection circuit can not directly control the output transistor switches, and overcurrent protection must be converted to pulse output commands to control the modulator to protect the transistor switch.In order to achieve over-current protection are generally required sampling resistor in series in the circuit, this will affect the efficiency of power supply, so more for low-power switching regulator of occasions.In the high-power switching power ——————————————————————————————————————————————

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supply, by taking into account the power consumption should be avoided as far as poible acce to the sampling resistor.Therefore, there will usually be converted to over-current protection, and under-voltage protection.5、over-voltage protection Switching regulator's input over-voltage protection, including over-voltage protection and output over-voltage protection.Switching regulator is not used in DC power supply voltage regulator and rectifier, such as battery voltage, if too high, so switching regulator is not working properly, or even damage to internal devices, therefore, it is neceary to use the input over-voltage protection circuit.Using transistors and relays protection circuit.In the circuit, when the input DC power supply voltage higher than the voltage regulator diode breakdown voltage value, the breakdown voltage regulator tube, a currentflowing through resistor R, so that V turn-on transistor, relay, normally closed contact off open, cut off the input.Voltage regulator voltage regulator which controls the value of Vz = ESrmax-UBE.The polarity of input power with the input protection circuit can be combined with over-voltage protection, polarity protection constitute a differential circuit and overvoltage protection.Output over-voltage protection switching power supply is eential.In particular, for the 5V output of the switching regulator, it is a lot of load on a high level of integration of the logic device.If at work, switching regulator sudden damage to the switch transistor, the output potential may be increased immediately to the importation of non-regulated DC power supply voltage value, causing great lo instantaneous.Commonly used method is short-circuit protection thyristor.The simplest over-voltage protection circuit.When the output voltage is too high, the regulator tube breakdown triggered thyristor turn-on, the output short-circuit, resulting in over-current through the fuse or circuit protective device to cut off the input to protect the load.This circuit is equivalent to the response time of the opening time of thyristor is about 5 ~ 10s.The disadvantage is that its action is fixed voltage, temperature coefficient, and action points of instability.In addition, there is a voltage regulator control parameters of the discrete, model over-voltage start-up the same but ——————————————————————————————————————————————

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has different values, difficult to debug.Esc a sudden increase in output voltage, transistors V1, V2 conduction, the thyristor conduction.Reference voltage Vz by type.6、under-voltage protection Output voltage below the value to reflect the input DC power supply, switching regulator output load internal or unusual occurrence.Input DC power supply voltage drops below the specified value would result in switching regulator output voltage drops, the input current increases, not only endanger the switching transistor, but also endanger the input power.Therefore, in order to set up due to voltage protection.Due to simple voltage protection.When no voltage regulator input normal, ZD breakdown voltage regulator tube, transistors V conduction, the relay action, contact pull-in, power-switching regulator.When the input below the minimum allowable voltage value, the regulator tube ZD barrier, V cut-off, contact Kai-hop, switching regulator can not work.Internal switching regulator, as the control switch transistor circuit disorders or failure will decrease the output voltage;load short-circuit output voltage will also decline.Especially in the reversed-phase step-up or step-up switching regulator DC voltage of the protection due to over-current protection with closely related and therefore more important.Implementation of Switching Regulators in the termination of the output voltage comparators.Normally, there is no comparator output, once the voltage drops below the allowable value in the comparator on the flip, drive alarm circuit;also fed back to the switching regulator control circuit, so that switching transistor cut-off or cut off the input power.7、over-temperature protection Switching regulator and the high level of integration of light-weight small volume, with its unit volume greatly increased the power density, power supply components to its work within the requirements of the ambient temperature is also a corresponding increase.Otherwise, the circuit performance will deteriorate, premature component failure.Therefore, in high-power switching regulator should be set up over-temperature protection.Relays used to detect the temperature inside the power ——————————————————————————————————————————————

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