三相逆变器DSP控制技术的研究

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1、浙江大学硕士学位论文i硕硕 士士 学学 位位 论论 文文论文题目论文题目 三相逆变器三相逆变器 DSP 控制技术的研究控制技术的研究 作者姓名作者姓名 杨杨成成林林 指导教师指导教师 徐德鸿徐德鸿教授教授 学科学科(专业专业) 电力电子与电力传动电力电子与电力传动 所在学院所在学院 电气工程学院电气工程学院 提交日期提交日期 2004 年年 3 月月 浙江大学硕士学位论文ii浙江大学硕士学位论文浙江大学硕士学位论文三相逆变器三相逆变器 DSP 控制技术的研究控制技术的研究学位申请人：学位申请人：杨杨成成林林 导师：导师： 徐德鸿徐德鸿教授教授 浙江大学电气工程学院电力电子与电力传动研究所浙江大

2、学电气工程学院电力电子与电力传动研究所2004 年年 3 月月Thesis Submitted to Zhejiang University for M.s. Degree浙江大学硕士学位论文iiiStudy on DSP Control for Three Phase InverterYang Chenglin Supervisor: Prof. Xu DehongInstitute of Power Electronics College of Electronical EngineeringZhejiang University, Hangzhou, P.R. ChinaMarch, 2

3、004浙江大学硕士学位论文目录i目录目录目录目录.I摘要摘要.IABSTRACT.II第一章第一章 绪论绪论.11.1背景.11.2不间断供电系统（UPS）概述.11.2.1后备式 UPS .21.2.2在线式 UPS .21.2.3在线互动式 UPS .31.3逆变器控制策略.41.4逆变器数字控制技术.71.4.1数字控制的特点.81.4.2数字信号处理器（DSP）的结构及内部资源（TMS320LF2000）.91.5本文选题意义与研究内容.11第二章第二章 三相逆变器系统设计三相逆变器系统设计.122.1三相逆变器系统结构.122.1.1逆变器主电路.132.1.2逆变器同步及与电网切换

4、逻辑.142.2三相逆变系统的数字化.172.2.1DSP 中 SPWM 的实现.182.2.2数字锁相的实现.202.2.3 DSP 与上位机 MCU 的通讯 .242.3本章小结.25第三章第三章 控制器设计控制器设计.26浙江大学硕士学位论文目录ii3.1被控对象模型.263.2逆变输出滤波器设计.283.3控制参数设计.333.3.1瞬时值内环参数设计.333.3.2平均值外环设计.363.4模拟控制器的离散化.393.5本章小结.44第四章第四章 软硬件实现及实验结果软硬件实现及实验结果.454.1电路的硬件实现.454.1.1控制及驱动电路.454.1.2死区电路对输出波形的影响分

5、析.464.1.3数字采样调理电路.494.1.4保护电路.504.2功能实现的程序流程图.514.3实验结果.594.4本章小结.62第五章第五章 总结总结.63参考文献参考文献.64致谢致谢.69浙江大学硕士学位论文摘要III摘要摘要随着近年来对高质量，高可靠性电源系统的需求发展，不间断电源系统（UPSUninterruptible Power System）正越来越广泛地被选用，以保护一些对供电敏感的负载如电脑系统、通讯系统、医疗系统等。而逆变器是整个不间断电源系统的核心，必须具有输出高质量电压波形的能力。高性能数字信号处理器（DSP）的飞速发展，也使逆变器的数字控制成为今后的发展潮流。

6、本文主要介绍了基于 DSP 控制三相逆变器系统的总体设计方案，其中包括SPWM 控制的数字实现、逆变器输出电压的数字锁相、逆变器与旁路间的切换逻辑及逆变器与上位机的通讯。然后在分析逆变器模型的基础上，设计了逆变器的输出 LC 滤波器参数。在逆变器控制策略上采用电压瞬时值内环和平均值外环的双环控制方法,并用 TMS320LF2407 实现数字控制。电压瞬时值内环保证输出电压波形的正弦度，平均值外环实现对输出电压幅值的控制。电压内外环匀采用 PI 控制器，文中给出了 PI 控制器控制参数比较详细的设计过程。接着介绍了该三相逆变器系统的硬件实现电路及 DSP 控制软件的流程图。另外还分析了逆变桥上下

7、管驱动信号上的死区对输出电压波形的影响。最后给出了实验波形。关键词：关键词：不间断电源系统逆变器数字控制DSP瞬时值控制AbstractNowadays, with the requirement of high quality and reliable power system, UPSs ( Uninterruptible power supplies) are widely selected for the protection of sensitive loads such as PC, communication systems and medical equipments. Inv

8、erter is the core of UPS and is required to have 浙江大学硕士学位论文摘要IVhigh quality output waveform. With quick increase of the performance of DSP (Digital signal processing), Digital control are becoming more popular in inverter system.This thesis introduce the design of DSP control for three phase inverte

9、r, witch includes digital realization of PWM control, digital PLL, swap control between inverter and utility, and communication with MCU. Base on inverter model, inverter output L-C filter is investigated. and double-loop control scheme with TMS320LF240 are selected. The instantaneous voltage inner

10、loop is used to control output voltage waveform to track a sinusoidal waveform. And the outer average voltage loop guarantees accuracy of output voltage. Both outer and inner loops adopt PI controller. Detail design of controller parameters, circuits and DSP software are given. In addition, we analy

11、se the dead time effects of PWM control on the output waveform. In the end the experimental results are provided.Keywords: Uninterruptible power supply; inverter; digital control; DSP; instantaneous control浙江大学硕士学位论文第一章绪论1第一章第一章绪论绪论1.1背景背景1现代全球化通信技术和高精尖的精密加工工业的发展而带动起来的信息产业正以前所未有的速度发展着，所有这一切对当今社会发展，经

12、济和金融活动，甚至对我们每个人的生活质量都带来了极其深刻的影响。现在已为人们愈来愈认识到的事实是：由于计算机和通信设备等为代表的非线性负载在运行过程中计算机和通信设备等为代表的非线性负载在运行过程中所产生的所产生的“谐波污染谐波污染”造成当今普通电网的供电质量的普遍恶化。造成当今普通电网的供电质量的普遍恶化。大量的运行实践说明：电网电压和频率的急剧波动，供电的瞬时和长期中断，在电网上所出现的各种人们无法预料和控制的干扰和高能浪涌都有可能造成计算机的硬件损坏或导致计算机的计算错误和数据丢失。为了满足有些部门，如：银行结算中心和证券交易系统中的计算机网络通信系统，电信和移动电话通信系统，航空管理系

13、统，大规模集成电路生产线及各种自动生产流水线，医用临床系统，公路和铁道调度和售票系统等对高质量，高可靠电源系统的需求，近年发展起来的 UPS (Uninterruptible Power System) 不间断电源系统正越来越广泛地被选用。1.2不间断供电系统（不间断供电系统（UPS）概述）概述12 所谓不间断供电电源是指电网（市电）输入发生异常或中断时，仍可以继所谓不间断供电电源是指电网（市电）输入发生异常或中断时，仍可以继续向负载供电，并能够保证供电质量，使负载不受影响的电源装置。续向负载供电，并能够保证供电质量，使负载不受影响的电源装置。早期的不间断电源采用柴油（或汽油）发电机电动机发电

14、机组来实现电能变换的。随着可控硅（晶闸管）制造工艺的完善、质量的提高和价格的降低，便开始出现了用可控硅作为功率变换主要元件的可控硅不间断电源装置。但可控硅是一种没有自关断能力的器件，而逆变器是以直流电源为输入能源，因此就必须给每只可控硅设计一套由电容和电感等元件组成的换向单元电路，这使得整个不间断供电系统很庞大而且笨重。到了 80 年代，利用具有可控关断能力的功率晶体管来替换可控硅来作逆变器的开关器件，这样就省去了换向电路，减小系统浙江大学硕士学位论文第一章绪论2体积，提高功率变换的效率，改善了动态性能，也提高了可靠性。近年来，随着功率半导体器件的迅速发展，各种高频化全控型器件不断问世，如功率

15、场效应管（MOSFET） 、绝缘门极晶体管（IGBT） ，MOS 控制的晶闸管（MCT）等。这些新型的全控型功率半导体器件具有开关速度快，控制和驱动方便等一系列优点，利用它们制作的不间断电源装置具有重量轻、效率高、噪声小、操作控制灵活等一系列优点。图 11 为 UPS 的系统框图，主要由三个部分组成：整流器（AC/DC） 、逆变器（DC/AC） 、充电器（DC/DC） 。整流器输出的直流电源向逆变器和充电器供电。逆变器把直流电源变换成所需的交流电（一般为 50Hz、60Hz）向负载供电。充电器向储能单元（蓄电池）输送能量，作为后备能量加以存储，在市电异常或中断时向逆变器直流侧供电。UPS 按其

16、运行方式，可以分成以下三种类型：后备式（Off-line）UPS、在线式（On-line）UPS、在线互动式（Line-interactive）UPS。1.2.1后备式后备式 UPS这种 UPS 在市电正常时，由电网直接向负载供电；而在市电掉电时，由蓄电池经过逆变器向负载供电。这种 UPS 对电网的畸变和干扰没有抑制作用，而且逆变输出一般为方波，供电质量差，因而仅作为一种应急电源使用。后备式UPS 的结构如图 12 所示。 滤滤波波器器逆逆变变器器充充电电器器市市电电输输入入图 12 后备式 UPS 结构1.2.2在线式在线式 UPS在线式 UPS 在市电正常时，通过整流器、逆变器向负载供电，

17、同时向电池充电；在市电超出整流器允许范围，或市电掉电时，由电池向逆变器供电。当整整流流器器逆逆变变器器充充电电器器输输入入输输出出图 11UPS 系统框图浙江大学硕士学位论文第一章绪论3逆变器出现故障时通过旁路开关切换到电网，由电网向负载供电。在线式 UPS的结构图，如图 13 所示。在线式 UPS 一般以 PWM 方式输出，输出电压THD 一般在 5%以内。从主电路的结构上可以把在线式 UPS 分为高频链式结构（高频机）和带工频变压器的工频机。高频机有成本低，重量轻等优点，在小容量场合（120KVA）得到广泛应用。而在大型配电系统中，为确保电源安全而在大型配电系统中，为确保电源安全可靠，可靠

18、，UPS 的输出必须配备变压器进行隔离。的输出必须配备变压器进行隔离。 旁旁路路开开关关逆逆变变器器整整流流器器图 13在线式 UPS 结构1.2.3在线互动式在线互动式 UPS在线互动式 UPS 在市电正常时，由电网向负载供电，同时 UPS 对电网进行有源补偿，保证供电质量；在市电断电的情况下，通过逆变器向负载供电，保证供电的可靠性。在线互动式 UPS 结构如图 14 所示。变变换换器器1 1市市电电输输入入输输出出变变换换器器2 2图 14在线互动式 UPS 结构在线互动式在线互动式 UPS 实际上是一种补偿式结构，实际上是一种补偿式结构，对于不同容量等级和不同应用浙江大学硕士学位论文第一

19、章绪论4场合有不同的补偿结构，常见的补偿方法有并联补偿和串并联补偿。它的最大优点是具有较好的输入特性，具有很高的输入功率因数和较低的输入谐波电流。但它不是真正的在线式结构，对电网的补偿能力有限，所以它的输出特性一般比在线式 UPS 差，而且抗电网扰动的能力也较差。1.3逆变器控制策略逆变器控制策略逆变器的控制目标是提高逆变器输出电压的稳态和动态性能逆变器的控制目标是提高逆变器输出电压的稳态和动态性能。稳态性能主稳态性能主要是指输出电压的稳态精度和提高带不平衡负载的能力；动态性能主要是指输要是指输出电压的稳态精度和提高带不平衡负载的能力；动态性能主要是指输出电压的出电压的 THD（Total H

20、armonic Distortion）和负载突变时的动态响应水平。）和负载突变时的动态响应水平。在这些指标中输出电压 THD 要求比较高，对于三相逆变器，一般要求阻性负载满载时 THD 小于 2%，非线性满载（整流性负载）的 THD 小于 5%。这些指标与逆变器的控制策略息息相关。逆变器控制技术的发展主要经历了四个阶段3：1.早期逆变桥采用阶梯波形式输出，主要通过功率电路的设计改善输出电压波形，如通过输出变压器的特殊设计提高输出电压波形的正弦度。2.脉宽调制技术（PWM）出现后，通过开环的脉宽调制方法使输出电压波形大幅度改善，使逆变技术产生了一个飞跃。3.随着控制技术的发展，采用模拟的闭环控制

21、方法和 PWM 技术相结合，使逆变器输出电压质量得到进一步提高。4.近年随着具有高速运算能力的 DSP（Digital Signal Processor）问世，使逆变器控制的全数字化成为现实，许多先进的现代控制理论和方法在逆变器中得到应用，使逆变器的稳定性和可靠性大幅度提高。逆变电源的控制技术从总体上可以分为两大类：基于周期的控制、基于瞬时的控制。基于周期的控制、基于瞬时的控制。基于周期的控制是通过对前一周期或多个周期的输出波形进行处理，利用所得到的结果对当前的控制进行校正的控制方法。从本质上看，基于周期的控制是通过对误差的周期性补偿，实现稳态的无静差效果。早期的逆变器控制是采用输出电压有效值

22、反馈的方法进行控制，控制框图浙江大学硕士学位论文第一章绪论5如图 15 所示。这种方法通过输出电压有效值与给定的电压有效值的参考值比较，误差信号经 PI 调节后与固定的正弦信号相乘的结果作为 SPWM 的调制信号。这种控制方法仅对输出有效值进行控制，而 SPWM 部分为开环状态，无法对输出波形的正弦度进行调节。因而这种方法的输出波形稳压精度较高，稳定性好，但最大的缺陷在于逆变器的动态响应很差，输出电压的波形质量无法控制，完全依靠逆变器的自然特性。当负载为非线性负载时，由于逆变器输出阻抗的影响，输出电压波形的 THD 比较大。PIVrmsrefV0整流滤波正弦信号逆变桥G(s)Kf图 15有效值

23、反馈控制框图在数字控制系统中一种典型的基于周期控制方法就是重复控制4567。重复控制 的基本思想来源于控制理论的内模原理，图 16 为重复控制框图，虚框中为重复控制器（N 为载波数） ，C(z)为补偿器，G(z)为控制对象模型。VrmsV0正弦信号G(s)KfC(s)Z-N重复控制器图 16 重复控制系统控制框图在重复信号发生器的作用下，控制器进行着一种逐周期点对应式的积分控浙江大学硕士学位论文第一章绪论6制，通过对波形误差的逐点补偿，稳态时可实现无静差控制效果。与积分环节相类似，重复控制信号发生器对误差进行累加，只不过重复控制信号发生器以周期为步长，而积分控制是对误差进行连续时间的累加。在重

24、复控制中，补偿量是记忆的，所以它不像传统 PID 控制是依靠当前误差状态进行控制，只要每个周期的扰动出现在固定位置，重复控制就可以通过几个周期的调整算出合适的补偿量，能够将扰动量完全消除。重复控制对于周期性扰动的负载具有很好的校正作用，但是对于非周期性扰动校正作用较差，并且在周期扰动出现时，校正过程较长，动态性能比较差，这是重复控制的一个重要缺陷。在实际应用中重复控制一般与其它控制策略相结合，以得到较好的输出波形和动态响应。为了提高逆变器输出电压波形的动态响应速度，出现了瞬时值反馈的控制方法。基于瞬时控制是根据当前误差对输出波形进行有效的实时控制，可以分为单闭环 PID 控制8，单闭环滞环控制

25、9，瞬时值内环控制，电压电流双闭环控制101112，无差拍控制131415，滑模控制16等等。PID 调节器是按误差信号的比例，积分和微分进行控制的调节器，是技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。其结构简单，参数易于调整，在长期的工业应用中已积累了丰富的经验。在实际应用中，根据实际工作经验在线整定PID 各参数，往往可以取得较为满意的控制效果。逆变器的 PID 控制框图如图17 所示。VrmsV0正弦信号G(s)KfC(s)d图 17PID 控制框图框图中 G(S)为被控对象，在逆变器中即为 SPWM 脉冲发生器、逆变桥及输出 LC 滤波器。C(S)为经典的 PID 控制器，其传递函数如下：（1

26、1）( )ipdKC SKKSS、分别为比例、积分、微分系数。其中增大可以加快系统响pKiKdKpK浙江大学硕士学位论文第一章绪论7应时间，减小系统稳态误差，提高控制精度，但也会使系统相对稳定性降低，甚至造成系统不稳定；积分的作用可以消除或减小控制系统的稳态误差，但积分也有可能使系统的响应变慢，并可能使系统不稳定。减小积分作用有利于增加系统的稳定性，减小超调量，但系统静态误差的消除会随之变慢。微分的加入，可以在误差出现或变化瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，起到一个早期修正的作用，有利于增加系统的稳定性，加速系统的动态响应。但微分作用也可以放大系统的噪声，降低系统抗干扰能力。滞环控制如图 18

27、所示，其中 G(s)为被控对象，C(s)为控制器。输出电压和参考正弦波电压比较，误差信号经过控制器 C(s)，其输出与滞环宽度相比较，输出信号绝对值大于滞环宽度时，改变门极信号，这样就可以使得输出和参考给定在一定的误差范围内。当滞环宽度越小，输出和参考给定也就越接近，但是系统的开关频率也就越高。滞环控制实现起来比较简单，无需建立精确的主电路模型，稳定性好，但是也有明显的缺陷：开关频率不固定，当主电路参数及负载参数变化时，开关频率会随之改变。针对这个缺点，出现了很多恒频的滞环控制，但是实现起来较复杂。C(s)G(s)VrmsdV0Kf正弦信号图 18 滞环控制框图瞬时值内环反馈双环控制框图如图

28、19 所示，内环为瞬时值环，用来控制输出电压波形的正弦度，从而减小输出电压波形的畸变率。外环采用平均值环控制，以保证波形的幅值与参考值一致。浙江大学硕士学位论文第一章绪论8PIPIVrmsV0整流滤波正弦信号VrefKf2逆变桥G0(s)Kf1图 19 瞬时值内环反馈双环控制框图电压电流双闭环控制最先用在直流调速系统中，采用转速，电流双闭环调速系统，转速调节器对转速的扰动进行调节并使之稳态无误差，其输出的限幅值决定允许的最大电流；电流调节器实现电流跟随，过电流自动保护和及时抑制电压扰动。这样的系统具有很好的动静态性能。逆变系统中通过采样输出电感电流（如图 110 所示，Cu(s)、Ci(s)分

29、别为外环和内环控制器）或电容电流和输出电容电压，将外环电压调节器的输出作为内环电流环的给定，通过调节电流使得输出电压跟踪参考电压值，提高系统的动态响应。在设计上，认为电流内环速度快于电压外环，在设计电压外环时，可将电流内环看成一个比例环节，这样电压外环的设计可以大大简化。实践中，由于两个环的互相影响，参数整定比较困难。K Kf f1 11 1R RV Vr rm ms sV Vf fV Vo oi iL Li io oi ic c逆逆变变桥桥V Vi iC Cu u( (s s) )C Ci i( (s s) )1 1L Ls s+ +r rL L1 1/ /C Cs s+ +r rc cK

30、Kf f2 2正正弦弦信信号号图 110电压电流双闭环控制框图近年随着微机运算处理能力的提高，许多先进的现代控制理论和方法在逆变器中得到应用，如无差拍控制、滑模控制、模糊控制、神经网络控制等等。浙江大学硕士学位论文第一章绪论91.4逆变器数字控制技术逆变器数字控制技术传统的电源都是采用模拟控制系统，模拟控制经过多年的发展，已经非常成熟。然而，模拟控制有着固有的缺点：需要大量的分立元件和电路板，元器件数量很多，制造成本比较高；大量的模拟元器件使其之间的连接相当复杂，从而使系统的故障检测与维修比较困难。模拟器件的老化问题和不可补偿的温漂问题，以及易受环境（如电磁噪声，工作环境温度等）干扰等因素都会

31、影响控制系统的长期稳定性17。专用模拟控制集成芯片的使用大大简化了控制系统，能方便实现一些电路控制，但是其控制环路中的反馈控制网络仍需外接大量的电容电阻等模拟器件。除存在以上所述模拟控制的缺点外，专用芯片的控制不够灵活，要实现复杂、先进的控制算法很困难。随着微电子技术的飞速发展，数字处理器的运算速度越来越快，集成度越来越高，功能更加强大，而成本也随着大规模的生产而下降，数字控制己成为当今电源发展的方向。1.4.1数字控制的特点数字控制的特点数字控制电源与传统模拟控制相比，有如下特点：1.数字控制可以简化硬件电路，解决模拟控制元器件老化和温漂带来的问题，抗干扰能力也大大的增强。2.易实现先进控制

32、，改善电源系统的控制效果。3.通用性强，可以在几乎不改变硬件的情况下，通过修改软件来实现不同的控制算法或提高系统的性能，易于实现大规模产品生产。4.采用数字控制可以更好地与信息化接轨，使电源系统的操作使用界面更加人性化，可以给用户提供更完整的操作和历史数据，还能实现故障自诊断等功能。另外，可以通过通讯口，把电源系统接入 PC 机，实现远程监控等功能。在数字控制系统中要注意以下几个问题18：AD 转换的精度和速度，采样频率的选取、PWM 载波频率，计算精度，控制算法的延时等。浙江大学硕士学位论文第一章绪论10AD 转换器不可避免存在量化误差，而这种量化误差对系统来说是一个不利影响。选择高精度的

33、AD 无疑能提高系统的控制精度，但是也同时增加了系统的成本。根据采样定理，信号的采样频率至少为被控电路系统带宽的两倍，才不会出现混叠效应。提高采样频率能提高控制系统的实时性，但是这通常受到 AD 采样芯片的速度及微处理器速度的限制。PWM 信号频率与功率开关的性能、开关损耗、微处理器的运算能力等息息相关。PWM 信号频率越高，开关损耗越大，留给微处理器的运算时间越少。所以在系统设计时要认真考虑所选用的 PWM 频率。在运算过程中，数据最初来自 AD 转换器，AD 转换器的位数即采样的分辨率首先影响后面计算所能得到的最大精度。另外，在数据处理及计算中，不可避免地存在需要对数据进行截尾等处理，这也

34、会影响最后的控制精度。字长效应及计算精度也是影响系统控制精度指标一个重要因素。在数字系统中不可避免地存在采样和计算延时问题。这些延时对系统影响很大，不但影响系统的控制精度和实时性，还可能造成系统不稳定。这将在后面具体分析。由于采样和计算所引起的数字延时，会使系统的带宽变窄，动态响由于采样和计算所引起的数字延时，会使系统的带宽变窄，动态响应速度变慢应速度变慢13。为了解决数字延时问题，一些设计者提出了带观测器的控制方法如无差拍控制（Dead-bead control） 。这些方法虽然在一定程度上解决了数字延时问题，但功率电路微处理器(MCU)采样网络AD门极驱动电路PWM口外围电路接口电路DA或

35、IO口外围电路外设浙江大学硕士学位论文第一章绪论11图 111数字控制系统的一般框图观测器的建立需要有比较精确的被控对象模型，而且计算量也比较大，这在一些运算速度要求比较高的场合下无法实现。另外，由于被控对象模型的不确定性（如负载变化等） ，使这些控制方法在系统稳定性与负载适应性等方面存在一些问题。数字控制系统的一般框图，如图 111 所示。在设计数字控制系统中，应根据系统的性能指标选择合适的微处理器和 AD 转换器及其外围设备，以达到性价比最高。1.4.2数字信号处理器（数字信号处理器（DSP）的结构及内部资源（）的结构及内部资源（TMS320LF2000）1819目前，随着计算机和信息产业

36、的飞速发展，信号处理学科不但在理论上，而且在方法上都获得了迅速发展。特别是信号处理器（DSPDigital Signal Processor）的诞生与快速发展，使各种数字信号处理算法得以实时实现，为数字信号处理的研究和应用打开了新局面。由于 DSP 具有丰富的硬件资源、改进的并行结构、高速数据处理能力和强大的指令系统，已经成为世界半导体产业中紧随微处理器与微控制器之后的又一个热点，在通信、航空、航天、雷达、工业控制。网络及家用电器等各个领域得到了广泛的应用。浙江大学硕士学位论文第一章绪论12DSP 具有下列主要结构特点：1.采用改进型哈佛结构，具有独立的程序总线和数据总线，可同时访问指令和数据

37、空间，允许数据在程序存储器和数据存储器之间进行传输。2.高度的操作“并行性”，在一个指令周期内可以完成多重操作，一般能够完成一次乘法和一次加法。3.支持流水处理。TI 公司的 TMS320 系列支持四级流水线，如图 112 所示。4.片内含有硬件乘法器和高性能的运算器及累加器。5.片内集成了 RAM，ROM，FLASH 及双口 RAM 等存储空间，并通过不同的片内总线访问这些空间，因此不存在总线竞争和速度匹配问题，大大提高了数据读/写文章的速度。6.新型的 DSP 不但具有数据处理能力，而且集成了越来越多的其它部件，如 A/D,比较器，捕获器，PWM，串行口及看门狗等，为将 DSP 应用于智能

38、测控，电机控制，电力电子技术等领域提供了资源条件。NN1N2N3N1NN1N2N2N1NN1N3N2N1N取指令译码取操作数执行图 112TI 公司 TMS320 系列的四级流水线本课题中采用的控制芯片是 TI 公司专门为电机控制设计的TMS320LF2407A。这款 DSP 控制芯片有以下特点：采用高性能静态 CMOS 技术，使供电电压降为 3.3V，减小了控制器的功耗；40MIPS 的执行速度，提高了控制器的实时控制能力。片内有 32K 字的 FLASH 程序存储器和 1.5K 字的数据/程序 RAM，544字双口 RAM（DASRAM）和 2K 字的单口 RAM（SARAM） 。两个事件

39、管理模块 EVA 和 EVB，每个事件管理模块包括两个 16 位通浙江大学硕士学位论文第一章绪论13用定时器；8 个 16 位的脉宽调制（PWM）通道。可编程的 PWM 死区控制。看门狗定时模块（WDT） 。10 位 A/D 转换器，最小转换时间为 500nS。可以以两个 8 通道的双排序方式采样，或一个 16 通道排序方式采样。一个控制局域网络（CAN）2.0B 模块。串行通信接口（SCI） 。16 位的串行外设接口模块（SPI） 。40 个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚（GPIO） 。1.5本文选题意义与研究内容本文选题意义与研究内容本课题所要研究的 DSP 控制三相逆变系统主要用在

40、中等功率等级（10KVA30KVA）UPS 的逆变输出级。考虑 UPS 的特殊情况，该三相逆变系统输出电压要与电网电压实现同步跟踪，以满足 UPS 供电由逆变器与电网之间进行切换的要求。另外还要实现 UPS 的各种复杂的逻辑关系。逆变器的主要技术指标列在表 11 中。表 11三相逆变系统的主要技术指标项目参数项目参数输入直流电压380VDC失真（线性负载）2%直流电压波动范围5%失真（非线性负载）5%额定容量10KVA电压稳定度（静态）1%功率8KW电压稳定度（动态）4%额定输出电压380V/220V100%不平衡负载静态电压偏差2%相电压设置200240V输出频率50HZ/60HZ(自适应)

41、峰值因素3：1稳定度0.05%（非同步）波形正弦波频率同步窗口5%（2%，10%）面板控制平衡负载相位偏差1201100%不平衡负载相位偏差1202浙江大学硕士学位论文第一章绪论14过载能力100%/125%/150%维持时间 300S/10S/1S短路电流（0.5S）：200%本文的主要内容包括以下几个方面：第一章介绍 UPS 的概况，逆变器控制的常用控制策略及采用数字控制的特点，并介绍了数字信号处理器 DSP 的特点。第二章根据本课题具体项目，介绍三相逆变系统的结构，与 UPS 相关的同步及切换逻辑，并探讨如何用 DSP 实现 SPWM 调制及实现数字锁相。第三章分析逆变器的建模，并根据具

42、体电路，设计电压内外环的控制参数。第四章介绍一些硬件电路的实现与 DSP 软件编程，并给出逆变器的实验波形。第五章是对本文的总结和展望。浙江大学硕士学位论文第二章三相逆变器系统设计15第二章第二章三相逆变器系统设计三相逆变器系统设计2.1三相逆变器系统结构三相逆变器系统结构三相逆变系统的结构框图如图 2-1 所示，主要包括三相逆变器、输出滤波器、DSP 控制板（包括 RS485 和 CAN 接口） 、信号调理电路、双向可控硅组成的旁路切换开关。SWMB 为维修旁路开关，TL1 为逆变输出接触器，SWS 为输出开关，FBY 为旁路供电开关。三相逆变器采用三相半桥拓扑。DSP 控制板中的 RS48

43、5 接口是与上位机（MCU 系统）进行通讯所用，上位机主要负责键盘操作，显示及与微机（PC 机）通讯。CAN（现场控制总线）接口主要是为以后UPS 并机所留。信号调理电路主要是对反馈信号进行调理，以便于 DSP 对信号进行 AD 采样。双向可控硅组成的旁路切换开关使 UPS 可以由旁路供电切换到逆变输出供电或由逆变输出供电切换到旁路供电。把该三相逆变系统框图简化后如图 2-2 所示，可以看出加上蓄电池的充电电路，就是一个完整的 UPS 系统。浙江大学硕士学位论文第二章三相逆变器系统设计16三三相相P PF FC C三三相相半半桥桥逆逆变变器器输输出出滤滤波波输入滤波图2035旁旁路路开开关关P

44、WMPWM6D DS SP P控控制制信信号号调调理理电电路路I IG GB BT T驱驱动动电电路路同步信号SCR控制信号S SC CR R驱驱动动电电路路旁路输入电压Inver输出电流(IL)Inver输出电压(VAC)旁路输出电压电压电流信号输输出出滤滤波波RS485总线R RS S4 48 85 5接接口口并并机机接接口口CAN总线S SW WI IN NS SW WM MB BF FB BY YT TL LI IS SW WS S输出电流(IBY)输入直流电压电压(VDC)图 2-1三相逆变系统框图网侧输入PFCINVERTER旁路输入开关FBY整流输入开关SWIN维修开关SWMBU

45、PS输出开关SWS输出接触器TLI静态开关输出供电图 2-2 三相逆变系统简图三相逆变系统中的前级（AC/DC）是采用三相双开关三电平 PFC（功率因数校正） ，如图 2-3 所示，三相 PFC 输出的直流侧电压为370V 左右。由于AC/DC 部分不是本课题研究的重点，在这里只对三相双开关三电平 PFC 电路做一个简单的介绍。该三相 PFC 电路可以看成是上下两个 BOOST 电路串联在一起，这两个 BOOST 电路的 BOOST 开关和续流二极管分别是 S1，Ds1和S2，Ds2。电路工作在 CCM（电流连续方式）时，通过开关 S1 和 S2 分别控制浙江大学硕士学位论文第二章三相逆变器系

46、统设计17正向电压最大相和负向电压最大相的电流来实现功率因数校正。当开关 S1 合上时正向电压相对应的电感电流近似线性上升；S1 断开时，Ds1续流，在输出直流电压 VDC和相电压的作用下，电感承受反相电压，电感电流下降。同样S2 和 Ds2控制反向电压相对应的电感电流。VaVcVbD1D3D5D2D4D6C1LbLaLcDs1S1S2Ds2C2VDC+VDC-Neut图 2-3三相 PFC 主电路2.1.1逆变器主电路逆变器主电路三相逆变器采用三相四线式逆变拓扑，主要由直流侧、逆变桥及输出 L-C滤波器组成，如图 2-4 所示。在这种电路中直流母线（电池）中点作为输出的零线，输出为三相四线制

47、，这种三相四线式结构可以很好地与前级三相双开关三电平 PFC 电路结合起来。由于三相四线式电路的每一相都是独立的，相互之间不存在耦合关系，因而可以把三相逆变器看成是三个输出电压相位互差 120的单相半桥逆变器组合在一起。由于三相之间没有耦合关系，因而控制相对比较简单，单相逆变器的控制方法可以直接用在这里。一般采用单电压环或电压电流双环的控制方法。负载浙江大学硕士学位论文第二章三相逆变器系统设计18图 2-4三相四线式逆变器主电路拓扑2.1.2逆变器同步及与电网切换逻辑逆变器同步及与电网切换逻辑2021不间断电源（UPS）常见的旁路切换框图如图 2-5 所示。UPS 中设置旁路切换电路的目的主要

48、是：（1）提高应急能力。当逆变器因故障失效时，只要旁路电源（市电或备用独立电源）尚处于正常状态，UPS 即可通过切换电路迅速由逆变状态转换成旁路电源供电状态，从而提高 UPS 电源系统供电的可靠性。（2）提高 UPS 的过载能力。由 UPS 供电的大多数负载在起动时会有浪涌电流，在工作中会出现短时严重过载。若在选择容量时使逆变器具有承受上述电流的能力，这无论在经济上是不妥当的。有了旁路切换电路，逆变器便可以只承担正常负载电流（保持适度的过载能力） ，而浪涌电流由旁路电源提供。UPS逆变器负载逆逆变变输输出出接接触触器器输输出出开开关关静静态态开开关关维维护护旁旁路路开开关关交交流流旁旁路路电电

49、源源维维护护旁旁路路电电源源图 2-5 旁路切换结构图UPS 的旁路切换有两种情况：顺切换（由逆变器向旁路电源切换）和逆切换（由旁路电源向逆变器切换） 。顺切换时，要检测旁路电压和频率是否在要求范围内，逆变输出电压与旁路电源电压间相位是否锁定在允许的范围，只有满足这些条件才允许切换。逆切换时，要检测旁路电源与逆变输出是否“三同”，即同频，同相，同压。图 2-6 是开关切换的等效电路，其中 V1,V2 分别表示旁路电源和逆变输出电源，K1，K2 表示切换开关，R 表示负载，r1，r2 分别为电网和逆变器的内阻。无论是顺切换还是逆切换，由于开关 K1，K2 不是理想的，所以很难实现一个浙江大学硕士

50、学位论文第二章三相逆变器系统设计19开关刚断开，另一个开关刚好合上。如果一个开关已经断开，而另外一个还未合上，则会造成供电的瞬时中断。如果中断时间为负载所容许，则问题不大，如果中断时间过长，就失去了不间断供电的意义。此外，如果一个开关已经合上，而另外一个开关还未断开，就会出现旁路电源和逆变输出同时向负载供电的情况。这时，如果旁路电源和逆变输出不是同频，同相，同压，造成两者之间有瞬态压差，使它们之间存在环流。如果瞬态压差过大（如高于 25V） ，则可能因环流过大而引发事故，造成 UPS 工作失效。这对本身要求高可靠性的 UPS来说是不允许的。V1V2K1K2Rr1r2图 2-6 旁路与逆变输出切

51、换的等效电路在线式 UPS 中，旁路电源与逆变输出之间进行顺切换和逆切换时为避免出现环流，就要通过锁相环来实现逆变器输出电压与旁路电压同步，使逆变输出的电压的频率和相位时刻跟踪旁路电压的频率和相位。在旁路和逆变器同时供电时，两者如果频率和幅值相同而相位不同：旁路电压： 式 2-11sin()mVVt逆变电压：式2sin()mVVt2-2两者电压差：式 2-3sin()sin()2sin( ) cos()22mmmVVtVtVt 电压差的幅度：式 2- max2sin( )2mVV4上面各式中，为电压幅值，为两者相位差。mV浙江大学硕士学位论文第二章三相逆变器系统设计20根据式 2-4，图 2-

52、7 给出了旁路电源和逆变输出同压（311V 峰值）下，相位差引起的最大瞬态压差。相位差引起的瞬态压差往往比电压峰值差引起的瞬态压差更为致命。180 150 120 9060300306090 120 150 180050100150200250300350400450500550600650700750800瞬态电压（V）相位差（度）图 2-7 相位差引起的最大瞬态压差UPS 逆切换和顺切换的流程图分别如图 2-8 和图 2-9 所示（SWIN、FBY、SWMB 参见图 2-2。在逆切换中，为了使逆变器输出电压与旁路电压的瞬态压差尽可能小，在逆变器软启动过程中，除了输出电压的频率和相位跟踪旁路

53、电压的频率和相位外，还要求输出电压有效值跟踪旁路电压的有效值。在逆切换前，如果检测到逆变输出电压与旁路电压没有“三同”（同频，同相，同压） ，则旁路可控硅立刻关断，逆变器的输出接触器吸合。由于输出接触器吸合时，有几十毫秒的延时，所以供电有一个短暂中断。而在逆变输出电压与旁路电压“三同”的情况下，则允许逆变器与旁路有短暂的交叠时间。在顺切换时，同样需要检测逆变输出电压与旁路电压是否同频同相。在同频同相的情况下，封锁逆变器输出，并触通旁路可控硅。否则，封锁逆变浙江大学硕士学位论文第二章三相逆变器系统设计21器输出后，经过 0.5S 的延时才触通旁路可控硅。逆变器失效情况包括：输出短路、散热器温度过

54、高、直流母线过欠压、输出过久压、IGBT 模块失效等。检测旁路（电压，频率）YN开通旁路可控硅关断旁路可控硅逆变起动完毕后合上SWIN，FBY，DSP得电检测旁路与逆变“三同”YN输出接触器吸合旁路可控硅延时30mS关断旁路可控硅立即关断，输出接触器吸合图 2-8 逆切换流程图判断同频，同相旁路电压范围YN封锁逆变器输出接触器释放封锁逆变器输出接触器释放旁路可控硅导通旁路可控硅延迟0.5S导通逆变失效或SWMB合上浙江大学硕士学位论文第二章三相逆变器系统设计22图 2-9 顺切换流程图图 2-10 给出的是在逆变器与旁路“三同”的情况下，UPS 逆切换的输出电压实验波形。从图中可以看出，旁路正

55、常切换到逆变器供电时，由于交叠时间的存在，可以实现 UPS 的“零时间”切换。逆变供电旁路供电图 2-10“三同”时 UPS 逆切换输出电压波形2.2三相逆变系统的数字化三相逆变系统的数字化在该三相逆变系统中，所有的控制都是由一块 TMS320LF2407 来完成。根据 1.4.2 节介绍的 DSP 片内资源并结合该三相逆变系统，图 2-11 中给出了 DSP片内资源在该三相逆变系统中的作用。DSP 有两个独立的事件管理模块，在该系统中，用事件管理模块 A 来实现三相逆变器所需的六路 PWM 控制；事件管浙江大学硕士学位论文第二章三相逆变器系统设计23理模块 B 用它的信号捕获功能来捕获逆变输

56、出所需的同步信号；局域网络（CAN）留作以后的并机通讯接口；串行通讯接口（SCI）用来与上位机进行通讯；可编程的 I/O 口用来作状态的输入/输出口；程序存储在片内的 FLASH中，用片内的 RAM 作程序变量存储器；利用 DSP 集成的 ADC（模数转换，16通道，10 位）来作信号采样；用片内的 WATCHDOG（看门狗）来实现程序自复位。从图 2-11 及上文中可以看出 TMS320LF2407 作为一款专为电机控制设计的DSP 几乎集成了数字控制系统所需的所有外围接口电路，这使得硬件电路设计简化了许多。事件管理模块A事件管理模块B状态信号输入/输出口与上位机通讯接口并机通讯接口捕获同步

57、信号实现三相PWM控制程序复位暂无信号AD采样程序变量存储程序存储局域网络（CAN）模块串行通讯接口（SCI）40个单独/复用的I/O口片内FLASH片内RAM16通道10位ADC16位串行外设接口看门狗WDG图 2-11DSP 片内资源在该三相逆变系统中的作用浙江大学硕士学位论文第二章三相逆变器系统设计242.2.1DSP 中中 SPWM 的实现的实现在模拟电路中，SPWM 的实现如图 2-12 所示。在 SPWM 电路中把振荡器产生的高频载波（三角波或锯齿波）和调制波（正弦波）分别送入比较器的同向端和反向端，经比较器输出的波形即为 SPWM 波。+ +- -载波调制波PWM波图 2-12模

58、拟电路中 SPWM 的实现在 TMS320LF2407 中，六路 SPWM 的产生是通过事件管理模块（EVM）的全比较来实现。全比较的框图如图 2-13 所示。全比较主要包括硬件比较器、定时器、全比较寄存器 CMP1、全比较寄存器 CMP2、全比较寄存器 CMP3。把定时器的计数模式设置成连续增/减计数模式和连续增计数模式来模拟三角载波。载波的频率（开关频率）由定时器的定时周期和计数模式决定，具体的式子如下： 式 2-51spfn Tk其中，n 为周期寄存器的时间常数，为计时器时基周期，k 在连续增/减pT计数模式时取 2，而在连续增计数模式时取 1。在连续增/减计数模式下，计数器的值从“0”

59、开始计数，到达周期值时再往下计数。在这期间，三个全比较寄存器的值与计数器的值进行比较，在第一次相同时（增计数） ，对应的 PWM 输出脚（PWM1,2、PWM3,4、PWM5,6）的输出极性发生变化；第二次相同时（减计数） ，对应的 PWM 输出脚（PWM1,2、PWM3,4、PWM5,6）的输出极性再次发生变化，这样就实现了PWM 输出。DSP 的这些比较，全部由硬件实现，所以只要每个开关周期更新全比较寄存器的值，就可以实现 PWM 控制。图 2-14 中给出了采用 DSP 的全比较功能产生六路 PWM 的示意图。浙江大学硕士学位论文第二章三相逆变器系统设计25全比较定时器T1比较值CMP2

60、比较值CMP1比较值CMP3PWM1PWM2PWM3PWM4PWM5PWM6图 2-13DSP 中全比较功能框图CMP1值PWM1PWM2PWM3PWM4PWM5PWM600.51PWM x( )00.51T1 x( )CMP x( )CMP2值CMP3值计数器值图 2-14DSP 中 SPWM 波形的生成2.2.2数字锁相的实现数字锁相的实现222324由于在线式 UPS 需要进行逆变器供电与电网供电之间的切换，为了避免在切换时出现环流，要求逆变器输出电压与电网电压同步。在 UPS 中同步锁相控制应完成以下功能：在电网频率满足要求时，逆变器输出电压的频率和相位要浙江大学硕士学位论文第二章三相

61、逆变器系统设计26跟踪电网电压的频率和相位；电网电压频率超出精度要求范围或电网掉电时，逆变器输出基准频率（一般为 50Hz 或 60Hz） ；在锁相跟踪与自同步这两种状态之间转换时，要求逆变器输出电压的频率变化要平稳，以免造成转换过程中逆变器工作频率的剧烈抖动。在模拟电路中锁相环主要由鉴相器、滤波器、压控振荡器及分频器四个部分组成，如图 2-15。同步信号和经分频器后的反馈信号输入到鉴相器，鉴相器输出的相位误差信号经过滤波后作为压控振荡器的输入来改变振荡器的输出频率和相位，从而实现输入与输出的同步。鉴相器RC滤波压控振荡器（VCO）分频器TinTout图 2-15模拟电路中的锁相环实现在数字控

62、制的 UPS 中，逆变器输出相位滞后和超前两种情况下，数字锁相实现的示意图分别如图 2-16、图 2-17 所示。在逆变器输出相位滞后时，在第n1 个周期检测到逆变输出滞后相位为 Td（时间）时，则改变第 n 个周期逆变器输出的周期，使其由原来的 T 变为 TTd，这样在第 n1 个周期时，逆变器输出的相位便赶上了电网的相位，此时逆变器输出周期跟踪电网频率，这样就实现了同步。在逆变器输出相位超前时，检测到相位超前量 Ta 后，在下个周期改变逆变输出频率，使其由原来的 T 变为 TTa，以实现同步。 TTTTdT-TdLine_phaseInverter_outCapture1n-1nn+1浙江

63、大学硕士学位论文第二章三相逆变器系统设计27图 2-16逆变器输出相位滞后时，数字锁相实现示意图。TTTTaTT+TaLine_phaseInverter_outCapture1n-1nn+1图 2-17逆变器输出相位超前时，数字锁相实现示意图。捕获单元定时器T3T电网同步信号软件INV输出过零检测T3计时相位差信号电网周期信号电网电压过零检测图 2-18DSP 中电网频率和相位差的获得在 DSP 中，电网频率和相位差的获得主要是通过其捕获单元来实现的，如图 2-18 所示。电网电压经过过零检测电路变成方波信号，DSP 的捕获单元在电网同步信号的每个上升沿到来时，把定时器的计数值读到存贮器中，

64、然后在软件上把计数器的值重新归零，为下一周期计数做准备。这样捕获到的计数器的值，就是电网频率的周期。另外在检测到逆变器输出电压过零时，去读取定时器的计数值，这个值就是逆变器与电网之间的电压相位差。如果这个值小于半个周期，则逆变器电压相位滞后。反之，则逆变器电压相位超前。这两种情况浙江大学硕士学位论文第二章三相逆变器系统设计28可以分别见图 2-16 和图 2-17。在模拟锁相电路中，鉴相器的输出代表了相位与频率两种误差，只有在给定输入与反馈输入信号频率相等时，鉴相器输出的才仅仅是相位误差。鉴相器的输出量经滤波后对压控振荡器的控制是将频率与相位一起进行调整的。与模拟锁相相似，数字锁相（DPLL）

65、也必须对频率和相位分别加以修正，才能达到锁相的目的。在不考虑滤波作用时，对频率的一步修正为：( )(1)invnetTnTn式 2-6invT表示逆变器参考正弦波的周期，netT表示电网电压的周期。式 2-6 表示用上一周期电网电压的频率（周期）来作该周期逆变器参考正弦波的频率（周期） 。考虑图 2-19 的 RC 低通滤波器时，对图中的低通滤波器用后向差分法可以写出其离散化的表达式（即数字滤波器表达式）：RCX(t)Y(t)图 2-19RC 低通滤波器( )(1)(1)( )Y nA Y nAX n式 2-7式中A：滤波参数，为时间常数，为采样周期。()SATR CST( )Y n、 (1)

66、Y n为本次和前次滤波值。( )X n为本次采样输入值。在数字锁相中，将0( )T n作为滤波器的输入，( )T n作为滤波器的输出，按式 2-7 可得：浙江大学硕士学位论文第二章三相逆变器系统设计290( )(1)(1)( )T nA T nA T n式 2-8在数字锁相的算式中，仅考虑对频率修正是不够的，因为一旦同步信号的频率发生变化，必然会产生相位误差。数字锁相中，在调整频率时，也必须调整相位。如果一开始就不修正相位，而仅仅按式 2-8 修正频率，将( )T n作为逆变器参考正弦波的周期，则无法调整相位差，这也属于相位没有锁定。考虑频率和相位同时修正时，数字锁相的计算公式为：( )( )( )T nT nBn式 2-9式中为相位修正系数，。B01B根据式 2-8 和式 2-9 即可得数字锁相的计算公式： 式 2-100( )(1)(1)( )( )T nA T nA T nBn式中0T为捕获单元捕获到的电网电压周期。T为频率修正后的周期。为频率修正、相位修正后的周期（数字锁相环的输出频率，也就是T逆变器参考正弦波的周期）为逆变器与电网电压之间的相位差。为低通滤波器的滤波参数。A为