单相400Hz逆变电源设计研究

２０１４年２月　第３７卷第１期　舰船电子对抗　ＳＨＩＰＢ０ＡＲＤ　ＥＬＥＣＴＲ０ＮＩＣ　Ｃ０ＵＮＴＥＲＭＥＡＳＵＲＥ　Ｆｅｂ．２０１４　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．１　单相４０　０　Ｈｚ逆变电源设计研究　张小伟　（船舶重工集团公司７２３所，扬卅Ｉ　２２５００１）　摘要：研究了基于数字信号处理（ＤＳＰ）的单相电压型脉宽调制（ＰＷＭ）逆变电源的实现方案，给出了逆变电源的系　统框图，利用状态空间平均法建立了逆变器数学模型，使用输出电压和滤波电感电流瞬时值作为双闭环反馈的控制　策略，利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立逆变电源的仿真模型。仿真结果表明。基于双环控制的逆变器动态响应快，鲁棒性强，能够　产生较好的稳态输出电压及较低的总谐波畸变率。　关键词：数字信号处理器；双闭环控制；逆变电源；仿真　中图分类号：ＴＭ９１０．２　文献标识码：Ｂ　文章编号：ＣＮ３２—１４１３（２０１４）０１—０１００—０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｎｔｏ　Ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ　４００　Ｈｚ　Ｉｎｖｅｒｓｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｗｅｉ　（Ｔｈｅ　７２３　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｔ　ＣＳＩＣ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ　２２５００１。Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｐｕｌｓｅ—ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕ—　ｌａｔｉｏｎ（ＰＷＭ）ｉｎｖｅｒｓｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（ＤＳＰ），ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｉｎｖｅｒｓｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ，ｓｅｔｓ　ｕｐ　ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｓｔａｔｅ—ｓｐａｃｅ　ａｖｅｒａｇｅ　ｍｅｔｈｏｄ，ｕｓｅｓ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ　ｖａｌｕｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｏｆ　ｄｕａｌ　ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ　ｆｅｅｄｂａｃｋ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｉｎ—　ｖｅｒｓｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｗｉｔｈ　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｂｙ　ｄｕａｌ　ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ　ｈａｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｒａｐｉｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ａｎｄ　ｓｔｒｏｎｇ　ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ，ｃａｎ　ｇｅｎｅｒａｔｅ　ｂｅｔ—　ｔｅｒ　ｓｔｅａｄｙ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｌｅｓｓ　ｔｏｔａｌ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；ｄｕａｌ　ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｉｎｖｅｒｓｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　０　主控制芯片的逆变电源。ＤＳＰ的实时数字比例积　口　分（ＰＩ）调节器实现整个电路的稳态与暂态特性，它　采用电压外环控制、电流内环控制的双闭环控制策　略，并将其离散化作用于数字控制系统，最终输出含　极少谐波的４００　Ｈｚ正弦波。　近年来，４００　Ｈｚ交流电源作为国防工业中的一　种重要供电电源已大量应用于航天、雷达、通讯以及　机车等设备中，其最关键的部分就是逆变电源。这　就要求它能同时具有高质量的输出电压波形，又具　有高精度、高稳定性和高可靠性，而对输出电压波形　的控制则是逆变电源的难点所在Ｌ１］。先前的逆变电　控制方案的分析设计　１．１　电路结构　源多采用模拟器件控制的方式，而模拟器件的温漂　导致系统性能不稳定以及存在控制电路元件多、灵　活性差等缺点，数字化控制则易于采用先进的算法，　逆变电源系统框图如图１所示，直流电压经逆　变桥输出正弦脉宽调制（ＳＰＷＭ）波，经过ＬＣ滤波　器滤波后输出４００　Ｈｚ正弦波供给负载。逆变桥的　具有高可靠性等特点，数字化控制的逆变电源将成　为逆变电源的发展趋势，应用将越来越广泛。　开关信号由三角载波和调制波产生的ＰＷＭ信号方　式生成。　因此，本文设计了基于数字信号处理（ＤＳＰ）为　收稿日期：２０１３一Ｏ８一Ｏ４　第１期　张小伟：单相４００　Ｈｚ逆变电源的研究与设计　１Ｏ１　控制器时必须在空载情况下进行。当逆变电源空载　时，负载电流ｉ。一０，输入到输出的电压传递函　数为：　ｓ）一　一　等　图１逆变电源系统框图　（３）　对上式传递函数的各个变量进行分析后，得到　逆变器的等效框图如图３所示。　１．２　单相电压型逆变器数学模型的建立　图２中Ｌ为输出滤波电感，Ｃ为输出滤波电　容，ｒ为等效电阻，它包括线路电阻，综合考虑了管　压降和死区的电阻以及滤波电感的等效电阻，“　为　逆变输出电压，ｉ　为电感电流，Ｕ　为逆变后的输出　电压。逆变器采用双极性ＰＷＭ方式，电源Ｅ通过　开关器件向负载提供交流电，在调制波的半周期内　载波有正有负，所得到的ＰＷＭ也有正有负，逆变桥　的输出电压Ｕ　可以取２个值：＋Ｅ和一Ｅ。　图３逆变器等效框图　从图３中可知，该逆变器为一个线性二阶系统，　有２个输入和１个输出量，Ｕ　和ｉ。为逆变器的输　入。图３中Ｚ（ｓ）为负载阻抗，因为Ｚ（ｓ）的多样性，　所以即便负载上的电压为标准的正弦波，负载电流　也可能为任意波形。如果把负载电流ｉ。当作逆变　Ｚ　控制器的一个干扰信号，当逆变器带有非线性负载　时，负载的非线性也只是表现在扰动的非线性上，基　于此建立的数学模型不仅形式简单而且对负载类型　无依赖。由于等效电阻ｒ非常小，系统空载时逆变　器可当做无阻尼二阶振荡环节。这时，系统的动态　性能很差，稳定裕度较小且整个系统具有振荡性，如　果采用合适的控制策略可以增大系统阻尼，并能满　足系统稳定性的要求。　１．３双闭环控制策略　［　］一『＿　１］［　］＋『　一　］［　］ｃ　）一　１　双闭环控制一般指内外环控制，由电压外环控　制器和电流内环控制器组成。电压外环由给定电压　与反馈电压相比较后产生的误差再经过ＰＩ调节器　产生的误差经过比例放大后，再与三角波进行比较，　作为电流内环的给定。给定电流与反馈电流比较后　ｓ）＋　ｓ　从而得到适合的ＳＰＷＭ信号控制功率开关器件，以　保证逆变输出的电压平稳，形成双闭环控制　］。单　相逆变器双环控制系统框图如图４所示。　图４双环控制系统框图　１０２　系统双闭环的波特图如图５所示。　Ｏ　舰船电子对抗　件控制流程图如图６所示。　第３７卷　曲　避．５０　馨　．…‘－　！‘…：　…‘　一‘　　。……　幅值环控　开始　寄存器、变量初始化　现场保护　’　有效值转换运算　，　幅值环Ｈ运算　●　ｌ　’　“‘　。。　．　、　＼　＼　ＥＶＡ、ＡＤ、ＳＣＩ等　模块初始化　’　中断服务设置　●　开中断　上　生成基准正弦信号　的调制度　调制度限制　状态扫描　●　现场恢复　图５双闭环控制时的波特图　　．由图５可见，与开环控制系统相比，双闭环控制　Ｉ　故障处理　（＿＿　时的波特图在谐振频率处的谐振尖峰已被消除，这　说明双闭环控制系统能消除开环时的系统震荡问　题，并且闭环系统的稳定裕度也有较大的提高。将　图６数字控制逆变电源系统软件框图　图４逆变电源的双闭环控制系统结构离散化后即可　设计逆变器的控制程序。　３　逆变电源的仿真与分析　在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ下建立的逆变电源仿真模　型如图７所示，该模型主要包括三部分：主功率电　２　逆变电源数字控制的实现　本电源的数字控制部分采用数字信号处理器　ＴＭＳ３２ＯＦ２８１２，实现对逆变电源系统的实时控制。　控制软件采用前／后台模式的结构，对于高实时性的　部分则采用中断程序执行。逆变电源的输出电压、　负载电流等经过采样后送给ＤＳＰ处理，ＤＳＰ对取样　路、控制电路和ＰＷＭ信号生成模块。控制器实现　电压电流双闭环控制，为产生ＰＷＭ脉冲提供调制　信号。根据整个系统的闭环传递函数综合考虑到逆　变电源系统的性能要求，在此基础上确定的最终系　统仿真参数为：输入直流电压Ｅ一３１１　Ｖ，输出滤波　电感Ｌ一０．５６　ｍＨ，滤波电容Ｃ一２８．８　ｔｘＦ，滤波电　感的等效串联电阻ｒ一０．５，开关频率为２Ｏ　ｋＨｚ。仿　真后输出电压如图７所示。　后的信号进行相应的算法处理，输出经处理后的　ＳＰＷＭ控制信号，使得输出合适的电压ｌ４Ｊ。ＤＳＰ软　—Ｌ　图７逆变电源仿真模型　第１期　张小伟：单相４００　Ｈｚ逆变电源的研究与设计　ｌＯ３　仿真后输出电压如图８所示。　由仿真波形可看ｍ，基波为４００　Ｈｚ的电压有效　值为１ｌ５　Ｖ，且总谐波含量为２．３１％，因此，由本文　设计的逆变系统对直流电压进行逆变后，可以得到　谐波含量较少的４００　Ｈｚ电压。　４　结束语　本文研究了基于ＤＳＰ技术的单相４００　Ｈｚ逆变　电源数字化实现过程，建立了逆变电源的数学模型，　比较了开环与双闭环控制的原理与特点，建立了　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型。仿真结果表明，数字化方法实　现的双闭环控制的逆变电源系统既有优良的静态输　罔８输ｍ电压波形　出，又有较好的动态特性。设计的数字化逆变电源　快速傅里叶变换（ＦＦＴ）分析如图９所示。　在国防等领域具有一定的推广应用价值。　参考文献　［１］陈江辉．谢运祥．陈兵．逆变电路的控制技术与策略　ＥＪ］．电气应用．２００６．２５（９）：１０２—１０６．　Ｅ２］王归新，康勇，陈坚．基于状态空间平均法的单相逆变　器控制建模ＥＪ］．电力电子技术．２００４。３８（５）：９—１　２。　［３］　杨会敏，宋建成．基于双环控制的单相电压型ＰＷＭ逆　变器建模与仿真［Ｊ］．电气传动　动化，２００９，３１（１）：　１５—１８．　［４］薛法洪。陈其丁，汀明．基于ＤＳＰ的双闭环ＳＰＷＭ逆　变器研究ＥＪ］．机电一ｒ　程，２００７．２４（１２）：６３—６５．　图９输出电压的ＦＦＴ分析　（上接第９９页）　等对调速精度要求不高的系统具有广泛适用性。　参考文献　［１］辜承林，陈乔夫，熊永前．电机学（第３版）［Ｍ］．武汉：　华中科技大学出版社。２Ｏ１０．　Ｅ２］汤蕴，张奕黄．范瑜．交流电机动态分析［Ｍ］．北京：机　械Ｔ业出版社，２００４．　Ｅ３］ＭＣ　３ＰＨＡＣ／Ｄ　Ｄａｔａ　Ｓｈｅｅｔ［ＥＢ／ＯＩ　］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．　｛ｒｅｅｓｃａｌｅ．ｃｏｍ，Ｍｏｔｏｒｏｌａ　Ｉｎｅ，２０１　３—０７—０１．　ｌ冬Ｉ　５』ｘＬ机相ｌ司电压波彤　Ｅ４］王成元，夏加宽，孙宜标．现代电机控制技术［Ｍ］．北　京：机械Ｔ业　版社。２００８．　５　结束语　设计了一款基于ＭＣ３Ｐ单片智能电机控制芯　片的ｌ一相笼型异步电机变频调速器，并在风力发电　变流器的散热系统中得到应用。运行结果表明，该　Ｅ５］　王富东．智能三相感应电动机变频．控制芯片　ＭＣ３ＰＨＡＣ及其应用ＥＪ］．机床电器，２００５（１）：４８—５１．　Ｅ６］　王兆安，刘进军．电力电子技术（第５版）［Ｍ］．北京：机　械Ｔ业出版社．２００９．　变频器电路简洁．变速平滑，运行稳定，对风机、泵类