基于DSP的单相逆变器的研究

摘 要 本文首先设计了单相逆变器的主电路及以DSP为控制器的控制电路，重点关注PWM逆变器的关键技术之一输出电压波形质量，研究了基于状态空间的单相PWM逆变器双环数字控制技术，采用了带负载电流前馈的双环数字控制策略，其中输出电压外环、电感电流内环都采用PID控制器。仿真与实验结果表明该控制方案动态特性好，非线性负载时输出电压波形畸变率THD较低。

【关键词】DSP SPWM 状态空间 PID闭环控制

1 硬件系统设计

单相逆变器的硬件电路如图1-1所示，包括主电路和控制电路两大部分。

主电路中逆变桥采用智能功率模块IPM，IPM内集成了IGBT驱动电路，在IPM的控制信号输入口与DSP的PWM输出口之间使用高速光耦HCPL-4505进行隔离，由于IPM中的IGBT高电平截止，低电平导通，为了保证驱动信号的可靠性，本文应用了非门芯片74HC04。IPM模块具有过电压、过电流和过热等故障检测功能，并可将故障信号通过IPM的FO引脚经光耦隔离送至DSP的功率驱动保护引脚PDPINT，实现软件中断，所有事件管理器的引脚均被设置为高组态实现对IPM进行保护。

控制电路的核心为DSP，本文选用TMS320F2812。电流采样使用穿心式电流互感器，输入额定电流为100A，输出额定电流为50mA，电压互感器选用电流型电压互感器，输出额定电流为50mA。电压、电流互感器的输出信号经采样调理电路处理后经AD转换器将模拟信号转换成数字信号输入至DSP进行处理。

2 控制方案设计

2.1 技术要求

本文设计的单相逆变器在额定状态下的技术要求为：输出额定电压为220V；输出额定电流为50A；输出功率为11KW；输出电压波形畸变率THD小于等于5%。

2.2 单相逆变器的数学模型

对图1-1中逆变输出部分，以负载两端电压u0和滤波电感的电流ii作为状态变量，根据基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律，列写状态方程得：

上式中为ui为逆变桥输出电压，i0为负载电流，可得到状态空间表达式如下：

根据状态空间平均法，对逆变桥输出电压ui做平均得出：

其中Vrmsinωt为幅值为Vrm的调制波，Vcm为三角载波的幅值。

用代替状态空间表达式中的ui便可得到逆变器的连续状态空间平均模型：

本文中的数字控制器采取直接数字化方法设计，根据直接数字化方法的设计思想，由连续时间状态空间模型可以推导出离散状态空间模型：

其中，T为采样周期，ωd=为逆变器阻尼振荡频率。

2.3 控制方案

本文采用电感电流内环、输出电压外环的双环控制方式，双环均采用PID调节器，为了进一步改善系统抗负载扰动性能，引入负载电流前馈，双环控制框图如图2-2所示。

在双环数字控制策略下，电压调节器GV和电流调节器GI的连续域传递函数离散化后的表达式为：

将上式代入连续域下系统传递函数可得到离散域下的系统传递函数为：

利用离散状态空间模型和离散域下的系统传递函数，在离散域下采用直接数字设计法设计电压PID调节器的参数KVP、KVI、KVD，电流PID调节器的参数KIP、KII、KID。

本文所设计逆变器是采用单极倍频SPWM调制方式，在仿真中没有考虑死区的影响。开关频率T=10KHz，采样频率Ts=20KHz，滤波电感L=0.48mh，等效阻尼电阻r=0.1Ω，滤波电容C=140uf，选取希望阻尼比ζ= 0.8，调制波角频率ω = 2500rad/s，极点数n=10。根据系统控制参数的设计方法计算出六个控制器参数分别为：KVP=1.025、 KVI=3064、KVD=1.186×10-3 、KIP=3.578、 KII=7989、KID=7.872×10-6。

2.4 仿真分析

根据计算出的PID参数，利用MatLab分别针对系统在突加/突卸负载和非线性负载两种情况，即系统的动态和非线性负载两种情况进行仿真，得到仿真波形分别如图2-2和图2-3所示。

在图2-2中，当突加/突卸满载时，突加满载的电压变化率和调节时间分别为Δu = ?14.7%，动态响应调节时间t = 1.8ms，这表明该控制方案动态特性好。

在图2-3为非线性负载电流有效值接近额定时电压电流输出波形，仿真中得到负载额定电流Io=50.43A，输出电压Uo=221.7V，输出电压波形畸变率THD = 2.20%，满足技术要求。

3 软件系统设计

本文的软件部分采用模块化编程，主要包括系统各部分的初始化、SPWM波产生程序、电压电流采样程序、PID环节计算等模块程序，主程序流程如图3-1所示。

4 实验结果

4.1 动态实验波形及分析

如图4-1所示。

突加半载时，电压变化率为-10.29%，响应时间为2.3ms，表明系统动态响应较快。

4.2 非线性负载实验波形及分析

如图4-2、4-3所示。

其中负载电流峰值为78A，负载电流有效值为25.6A，输出电压有效值220.7V，输出电压波形畸变率THD为1.56%，满足技术要求。

5 结束语

本文设计了基于DSP控制的单相逆变器的硬件电路，研究了基于状态空间的单相PWM逆变器双环数字控制技术，采用了带负载电流前馈的PID/PID双环数字控制策略，通过仿真表明该控制方案动态特性好，非线性负载时输出电压波形畸变率THD较低，最后通过实验验证本文设计的单相逆变器能较好的满足逆变电器的性能要求。

参考文献

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作者简介

程绪长（1983-），男，山东省济宁市人。硕士学位。现为山东理工职业学院助理讲师。

作者单位

山东理工职业学院 山东省济宁市 272067