1、 本科毕业设计 (论文 ) (201 届 ) 论文题目 单相逆变电源设计 (英文 ) The design of single-phas inverter power supply 所在学院 电子信息学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 日 摘 要 随着新型电力电子器件和数字信号处理器的飞速发展，数字控制的逆变电源应用日益广泛。因为数字控制相对于模拟控制有着显著的优点：简化了硬件电路设计，克服了模拟电路中参数温度漂移的问题，控制灵活且易实现先进控制等，使得所设计的电源产品不仅性能可靠，且易于大批量生产。因此，数字化控制电源己成为当今开关电源产品设
2、计的潮流。本文采用 TI 公司的 TMS32OLF2406A的控制芯片和由 IGBT 开关管组成的功率模块 (IPM)，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。 本文介绍了逆变电源的发展现状及趋势。提出了适合数 字控制的软开关电路拓扑结构和系统的总体设计框架；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电压电流双环PI 控制方法。 关键词 ： 正弦脉宽调制 ； 逆变器 ； IGBT； PI 控制 Abstract With the development
3、of the new Power electronic devices and the digital signal processors， digital control inverters are widely used. Because it has significant advantages compared with the analog control: Simplify hardware circuits design，overcome the parameters of temperature drift in the analog circuits， flexibly co
4、ntrol and easily realize the advanced control and so on. It makes power products designed not only reliable but also easy to make the mass production. Therefore， digital control power has become the trend of switching power product design from now on. The paper designs a digital control system of th
5、e single-phase inverter based on sine width modulate with Ti company TMS320LF2406A control chips and power Module composed of the IGBT switches. The paper presents the current situation and deve1opment trends of the inverters. It puts forward the control of the soft switches circuit configuration an
6、d system design framework; 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 PI
7、D digital control， then presents voltage current dual-loop PI control methods based on the speciality of the single phase inverter. Key word： SPWM； Inverter； IGBT； PI control 目 录 第 1 章 绪论 . 6 1.1 引言 . 6 1.2 国内外研究现状及趋势 . 6 1.3 本文的研究目 的及内容 . 7 第 2 章 SPWM 控制原理 . 9 2.1 PWM 概述 . 9 2.1.1 脉宽调制技术 . 9 2.1.2
8、冲量等效原理 . 9 2.1.3 正弦波脉宽调制 SPWM 概述 . 10 2.2 PWM 波形的基本原理 . 10 2.3 SPWM 的调制方式 .11 2.4 SPWM 信号的生成方法 . 13 2.4.1 模拟生成法 模拟比较法 . 14 2.4.2 数字生成法 1 自然采样法 . 14 2.4.3 数字生成法 2 规则采样法 . 14 2.4.4 本设计采用的 SPWM 具体实现方案 . 15 第 3 章 系统的硬件设计 . 17 3.1 系统的整体方案设计 . 17 3.1.1 AC/DC 整流环节 . 17 3.1.2 .输出整流滤波电路 . 19 3.1.3 .逆变电路模块 .
9、19 3.2 功率模块电路设计 . 20 3.2.1 桥式逆变器基本原理 . 20 3.2.2 电路参数设计 . 20 3.3 控制模块电路设计 . 23 3.3.1 TMS320LF2406A 芯片介绍 . 23 3.3.2 控制电路图 . 24 3.4 辅助部分设计 . 25 3.4.1 电源模块电路设计 . 25 3.4.2 检测与保护电路的设计 . 26 第 4 章 基于 DSP 的系统软件实现 . 28 4.1 开发环境介绍 . 28 4.2 DSP 的 EV 单元介绍 . 28 4.3 DSP 的 EV 实现方式 . 29 4.4 系统的初始化 . 30 4.5 系统的主程 序流程
10、图 . 31 4.6 系统的中断控制流程图 . 32 第 5 章 结束语 . 33 参考文献 . 34 致谢 . 35 第 1 章 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。在逆变 电源系统中必须用到电力电子开关器件。 电力电子开关器件也称为功率半导体器件 (Power Semicon
11、ductor Device)是电力电子技术中用来进行高效电能形式变换、功率控制与处理，以及实现能量调节的新技术核心器件。 1957 年世界上第一支晶闸管研制成功，使半导体技术在工业领域的应用发生了革命性的变化，有力的推动了大功率电子器件多样化应用的进程。在随后的二十多年里，功率半导体器件在技术性能和应用类型方面又有了突飞猛进的发展，先后分化并制造出功率逆导晶闸管、三端双向晶闸管和可关断晶闸管等。在此基础上为增强 功率器件的可控性，还研制出双极性大功率晶体管，开关速度更高的单极 MOS 场效应晶体管和复合型高速、低功耗绝缘栅双极晶体管，从此功率半导体器件跨入了全控开关器件的新时代。进入 90 年
12、代，单个器件的容量明显增大，控制功能更加灵活，价格显著降低，派生的新型器件不断涌现，功率全控开关器件模块化和智能化集成电路已经形成，产品性能和技术参数正在不断的改进和完善。 目前，逆变电路中已经被广泛应用的电力电子开关器件主要有 SCR、 GTO、GTR、 MOSFET 和 IGBT。由于它们的电流容量和开关速度各不相同。我们可以根据实际系统的 技术性能情况来确定选择哪一种开关器件。 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
13、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
14、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 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，
15、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。 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(SVPWM)、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，因此主要讨论正弦脉宽调制法 (Sinuosidial PWM) 3。 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
16、是 1964 年由 A.Shcnoung 和 H.Stennnler 把通讯系统的调制技术应用到逆变器而产生的。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。 电源系统是 现代电子设备不可或缺
17、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：高频化、模块化、数字化和绿色化。 随着电子电源的集成化、模块化、智能化的发展和
18、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、低电磁千扰和小型化、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。 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、执行指令等多个操作从而大大减少指令执行周期。另外
19、，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 DPS 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
20、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。其主要的 研究内容： (1)讨论了逆变器的 PWM 调制技术的原理和特点。 (2)合理设计主电路的拓扑结构，依据电路理论确定所选元件的参数；并结合相关硬件电路实现 SPWM 逆变。 (3)讨论了基于 DSP 的软件设计流程 ;并分析了其控制的死区。 (4)确定一种合理的控制方案，对系统进行电压电流双闭环 PI 控制，使逆变系统能够实现稳定的交流正弦波输
21、出，并可以调节输出电压的幅值和频率 。 第 2 章 SPWM 控制原理 2.1 PWM 概述 2.1.1 脉宽调制技术 所谓脉宽调制技术 （ PWM） ，就是在周期不变的条件下，利用改变脉冲 宽度(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
22、数。 2.1.2 冲量等效原理 实际上， PWM 的基本原理可以由冲量等效原理进行描述：冲量相等而形状不同的窄 脉冲加在具有惯性的环节上时，其惯性环节的输出基本相同。这里所谓的“冲量”是指窄脉冲的面积，而“惯性环节的输出基本相同”是指输出波形的频谱中，低频段基本相同，以下所示窄脉冲与连续正弦波加载惯性环节上的输出就是基本相同的。 2.1.3 正弦波脉宽调制 SPWM 概述 在技术日新月异的 PWM 调制领域，有着特定谐波消除的 PWM(SHEPWM),正弦波脉宽调制技术（ SPWM） ,电流跟踪 PWM（ CFPWM）以及电压空间矢量 PWM（ SVPWM）等等。基于本课题的要求，综合考虑，选
23、取正弦波脉宽调制技术（ SPWM）对开关管 进行控制。 SPWM 法就是用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形即SPWM 波形控制逆变电路中开关器件的通断 ,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等 ,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值 。具体而言， 把 上图 的正弦半波分成 N 等份，就可以把正弦半波看成是由 N 个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 /N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如 果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲
24、和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部分面积（冲量）相等，就得到图所示的脉冲序列 ,这就是 PWM 波形。可以看出各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦波规律变化的。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，也可以用同样的方法得到 PWM 波形。像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 SPWM（ Sinusoidal PWM）波形。要改变等效输出的正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各 脉冲的宽度即可 。 2.2 PWM 波形的基本原理 逆变器 与 整流器 正好相反，它的功能是将直流电转换为交流电。这种对应于整流的逆向过程，称之为 “逆变 ”，其作用是通过功率半导体开关器件的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能。 逆变器的种类很多，各自的具体工作原理、工作过程不尽相同，但是最基本的逆变过程是相同的。下面以最简单的单相桥式逆变电路为例，具体说明逆变器
