基于DSP组合式三相逆变电源单极倍频SPWM研究
2024-08-10
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维普资讯 http://www.cqvip.com 第41卷第6期 电力电子技术 Vo1.41.No.6 2007牟6月 Power Electronics June,2007 基于DSP组合式三相逆变电源单极倍频SPWM研究 易小强,裴雪军,侯婷,康 勇 (华中科技大学,湖北武汉430074) 摘要:针对大功率逆变电源,提出了组合式三相逆变电路结构加单极倍频正弦脉宽调制技术;介绍了利用数字处理器 TMS320LF2407实现单极倍频SPWM的具体方法。试验结果证明,该方案实用可行,试验波形良好,谐波畸变THD<I%。 关键词:逆变电源;脉宽调制;数字控制 中图分类号:TM464 文献标识码:A 文章编号:1000—100X(2007)06—0077-03 Study of Single Pole Double Frequency SPWM of Combinatorial Three Phase Inverter on DSP YI Xiao—qiang,PEI Xue-jun,HOU Ting,KANG Yong (Huazhong 而e of Science and Technology,Wuhan 430074,China) Abstract:For high power inverter,this paper brings forward a technique which is the combination of three phase inverter circuit and single pole double frequency Sine Pulse Width Modulation(SPWM),introduces a idiographic method using DSP of TMS320LF2407 to CalTy out the single pole double ferquency SPWM.At last,the experimental result is analyzed. Keywords:inverted power supply;pulse width modulated;digital control 1 引 言 器组成,每个单相变压器的次级有中点相连,因而可用 在逆变电源的研究中.全数字化处理与控制已 于大电流的船载电源及需要大功率的UPS等情况下。 占主导地位。在主电路的选择上,三相桥式电路的应 用广泛.但在大功率逆变电源中。主电路功率器件上 的电流比较大,可达数百安培,甚至上千安培。对此, 由于组合式三相逆变电路的结构特点。使其较适合 l 用于大功率逆变电源。目前,对于脉宽调制技术的研 究而言。SVPWM技术的应用广泛。但无论是采用模 I旺薹 ,oc 拟电路,还是采用数字化电路。要实现这种调制方法 都比较复杂。相对于空间矢量调制方法,单极倍频 图1组合式三相逆变电源主电路 SPWM的实现比较简单.且非常实用,针对组合式三 3单极倍频正弦脉宽调制原理 相逆变电路采用单极倍频SPWM方法,其效果也比 以单相全桥为例,图2示出单相全桥逆变电路。 较好。因此,介绍了在组合式三相逆变电源中利用 图3示出单极倍频 TMS320LF2407芯片实现单极倍频SPWM的方法. 正弦脉宽调制驱动 并在样机上调试,得出试验波形。理论和实际应用表 信号的形成电路。 明.在组合式三相逆变电路中采用单极倍频正弦脉 单极倍频正弦脉宽 宽调制技术,方法简单,且容易实现数字控制。此外, 调制与单极SPWM 逆变器的输出波形也比较好。 控制是完全一样的,只是三角波为双极性三角波。图 2组合式三相逆变器主电路 4示出单极倍频SPWM电压波形。 图1示出由3个单相全桥逆变电路组合而成的 在图3中,①当瞬时值/Zr ̄U 时,比较器A的输 一个三相逆变电源主电路.称其为组合式三相逆变电 入端 为正;当VT.有驱动信号UgVI'I时, 为负, 路。该电路的拓扑结构简单,适合用于大电流应用场 VT2截止。②当瞬时值Ur<U 时,比较器A的输入端 合。由于它特殊的电路结构,即输出端由3个单相变压 为负;当VT 截止时, 为正,VT2有驱动信号 定稿日期:2006—09—20 UgVI2。③当瞬时值 + >O时,比较器B的输出端 作者简介:易小强(1983一),男,江西吉安人,硕士研究生。 为正;VT4有驱动信号 时, 为负,VT 截止。④ 研究方向为电力电子与电力传动。 当Ur-. ̄-u。<O时,比较器B的输出端 为负;当VT4截 77 维普资讯 http://www.cqvip.com 第41卷第6期 2007年6月 电力电子技术 Power EleCtronics Vo1.41.No.6 June,2007 止时,u 为正,VT,有驱动信号u 。 考正弦波)比较得出PWM输出,当CMPRx的值大于 T1CNT的值时,对应的PWM输出高电平,否则输出 低电平。然后通过改变CMPRx的值就能得到不同的 PWM信号去驱动IGBT开关管。 IF弦波“ 二伯波“c 在软件构造中。程序先将采样得到的三相电压 经过坐标转换到d,q轴下,再在d,q轴下进行诸如 重复控制、PI控制等一系列控制后,经2R/3S坐标 图3 单极倍频SPWM驱动信号形成电路 变换到三相。这时得出的三相电压值就是用来控制 PWM信号的。现以A相为例,根据组合式逆变电路 如图4所示。单极倍频SPWM控制输出波形在 正半周只有正脉冲电压,负半周只有负脉冲电压,故 的特点。对应A相桥的正弦参考波值放到CMPR 和 它是单极性SPWM控制,但是又因其三角波为双极 CMPR4中.设最后得出的A相控制电压为UAJB, 性。在载波比相同时,其输出电压中的脉波数大约比 程序实现为:若UA_TB>0,CMPR_ZERO/2+UA_TB, 单极SPWM调制时多了一倍,也即用同样的开关频 相当于(T1PR/2+T1PR/2)Msintot(M为调制比)一 率.单极倍频调制可把输出电压中的脉波数提高一 CMPR ;CMPR_ZERO/2一 lA1B,相当于(T1PR/2一 倍.这对减少开关损耗和改善输出电压波形质量都是 T1PR/2)Msintot--*CMPR4。CMPR1与CMPR4相当于 有益的。尤其在大功率的逆变电源中,开关损耗比较 取反向的参考正弦波。其中,CMPR_ZERO=T1PR,用 大.因此在设计中需重点考虑。这种情况下采用单极 到了CMPR_ZERO是因为计数器是从零到T1PR计 倍频SPWM调制对于减少开关损耗效果更加明显【1J。 数.在单极倍频SPWM中,相当于三角载波是关于 X:T1PR/2对称的。但是正弦波是关于 轴对称的, 故加上CMPR_ZERO/2是用来抬高正弦波,使比较 能正常完成,图5示出程序原理图。单极倍频SPWM 波形的计算和输出是在定时器下溢中断中完成的。 图6示出以A相为例的中断子程序流程图。 三角学波 . v, 、八 图4单极倍频SPWM电压波形 4 单极倍频SPWM在TMS320LF2407 /\ 上的实现 TMS320LF2407芯片是DSP控制器24x系列的 图5单极倍频SPWM程序原理图’ 新成员.对电机数字化控制非常有用【2J。几种先进的 图中 一载波,每个载波的时间为256 ̄s l『一参考波 外设被集成到该芯片内,以形成真正的单芯片控制 而 器 TMS320LF2407芯片带有双事件管理器,高性能 l装载计算得到的参Il0位模数转换器,提供多达l6路的模拟输入。 考Ⅱ垒!!.三弦波值UA TB1 I 在TMS320LF2407上实现单极倍频SPWM的 输出途径有:①通过芯片内部的事件管理器模块生 ◇’ 成PWM信号;②用软件构造PWM信号。这里采用 r————●————__1Y 软件构造法。TMS320LF2407有两个事件管理器 菝商波 CM并PU TB 取R RZE —I考0/2“7 II厂— lI uA—TB+CMPR—ZERO/向 青止强.披 抬高参考正弦波 CM PR ZER0/2一 (EVA。EVB)。也即共有6个比较单元(EVA: UA TB 处 后的参考正弦波 处理后的参考J】:弦波 Compare1~Compare3,EVB:Compare4~Compare6),利用 值放到比较寄存器 值放到比较寄存器 CMPR4中 CMPRl }I l抬高并取反参考』I!弦 这6个比较单元可生成l2路PWM波形。这里采用 l波CMPR ZERO/2+ 计数器连续增减模式。计数器从零开始连续增计数到 兰 处 后的参考正弦波l T1PR的值。再从T1PR连续减至零(相当于三角载 值放到比较寄存器l CMPR 4q。 l 波)。在此期间,与比较寄存器CMPRx的值(相当于参 图6单极倍频SPWM中断子程序流程图 78 .维普资讯 http://www.cqvip.com 基于DSP组合式三相逆变电源单极倍频SPWM研究 5试验控制系统 恒定的_△量,完全抵消扰动的作用。以达到无静差。 对于三相组合式逆变电路.该试验选择了三相统 一个稳定的反馈控制系统,如果前向通道包含有积 一控制。统一控制将n。b,C三相系统等效为d。q旋转 分环节1 。则该系统对于阶跃型指令可作到无静差 坐标系。在d,q旋转坐标系下控制变量只有两个。易 跟踪,同时可完全抵消掉所有作用于积分环节之后 于实现数字化控制。程序中要求的存储空间小。速度 的阶跃型扰动对稳态输出的影响。 快。理论上可实现无静差调节;控制上可省去一个均 传统的PI调节器不仅原理简单。而且非常实用。 值环,控制系统简单。其次,在diq坐标系下, , P调节器能快速抑制瞬时扰动:I调节器能抵消持续 Q=uJ ̄.可方便地实现有功和无功的瞬时值控制。 扰动。在此,瞬时 控制方法采用瞬时值反馈控制加重复控制。为了 值控制器选用了 改善SPWM逆变器输出电压波形的质量,必须引入 PI调节器。图8示 输出电压瞬时值闭环控制技术。在各种控制方案中, 出其结构框图。 图8 PI调节器加重复控制框图 重复控制技术具有明显的优点。对于重复控制, 6试验结果 Francis和Wonham提出的内模原理131起了重要作用。 针对上述调制与控制方法.在样机功率为 内模原理指出。若产生信号的发生器包含在一个稳定 10kW的逆变电源上进行了试验。逆变电源的功率 的闭环系统中.被控量的输出能无误差地跟踪参考信 开关管采用IGBT。开关频率设为3.9kHz。额定电压 号。重复控制器就像一个信号发生器那样,持续提供 为380V.带阻性负载。图9a示出A相桥1和A相 与实际外部信号相一致的输出信号。以供控制器其它 桥2的PWM驱动电压UgI ̄VM 和UgPWM2试验波形。可 部分作为选择合适的输出控制量时参考。, 见,UgPWM 波形是驱动VT 的; 删波形是驱动VT3 重复控制充分利用了重复性这一系统扰动的唯 的。图9b.C示出经过1/3分压后带载或空载时 A相 一已知特性。控制简单.稳态时可得到很好的波形质 电压U。和A相电流i。的试验波形。可见,输出电压 量.而且只需 约为378V。接近额定电压值。图9d,e示出突加负载 检测输出电 或突减负载时A相电压U。和A相电流i。的试验波 形。可见。在突变负载的情况下,波形仍然比较好,没 图7重复控制器的结构框图 压。图7示出 一图中e——误差 个重复控 有较大的振荡。而且对逆变器的冲击也小。图9f示 Ⅳ-一一个正弦周期中的采样拍数 制器[41的结构 出谐波分析图。可见,谐波很小,THD<I%。 L周期延迟环节 框图。 Q( )——滤波器 可坊 G )——重复控制环路补偿器 ‘ ’ ,)——重复控制器在下一周期输出 制延迟一个周 的控制量 期起作用。设 置z 可以等效实现超前环节;Q(z)用于改进内模; t/2.5ms/格 C( )可提供幅值补偿和相位补偿,以保证重复控制系 (a)ZigPWMI和 gPWM2波形 _- ● ^ ● _ 鞋 统的稳定性。但是,重复控制的动态响应欠佳。所以可 l l_ 。●_ i/ 《 2 采用瞬时值反馈控制加重复控制的混合式控制方案 蝗 予以解决。 P调节器。检测到误差即扰动信号。立即响应产 3 U 0 生相反的作用,以抵消误差。消除扰动影响。对瞬态 t,/{Ores/格t/2Ores/格 (c)空载时的“ 波形 (d)突加负载时的“a年【Iia波形 扰动。P能起到很好的抑制作用。但对持续存在的稳 态扰动。一旦P的调节作用使得系统达到无差.P的 ; 作用消失。扰动又重新起作用。P则再次响应去抑制 误差,如此反复。因此.P调节器的响应虽然比较快, 星; 1 但无法达到静态无差,一直处于动态调节过程。 I调节器,若某时刻系统因扰动作用r(t)而使输 t/1Oms/格 (e)突减负载时的lfa丰uia波形 (f)谐波分析图 出变化了△,反馈控制系统检测到扰动作用,则I调 图9试验结果 节器以一定的步长累积.直至稳态时,I作用产生了 由试验波形可见,该试验采用的(下转第101页) 79 维普资讯 http://www.cqvip.com P型SiC欧姆接触高温可靠性的研究进展 化学反应,所以接触热稳定性达不到应用的要求【31。 3.2加保护层 500%时持续100h稳定,以及在950%时,退火5min 得到的最低阻值为9.6x10-5 ̄・cm 和在600%时持续 S K Lee等人的研究结果表明,在欧姆接触工艺 后蒸发一层Au或Pt可起到保护作用,所得到的样 品在真空600%下能稳定100h以上。 3.3多层金属作为接触材料 欧姆接触要具有良好的力学性质,因而在制作 100h稳定的研究。但是,对满足更高工作温度,即 600%~650%,或更长可靠运行时间,即大于100h,或 更高电阻量级,即lO ・cmz等的欧姆接触还有待进 一步发展,它可从材料和工艺两方面继续改进。 已有的P型SiC欧姆接触高温稳定性测试都是 过程和后续工艺或使用过程中必须粘附坚固。通常 对于单层金属接触形成的SiC欧姆接触,由于器件 在氮气中进行的,还没有在真空或大气中进行的测 试,也没有通电流或不通电流的对比测试研究,这些 制备中接触层与Si的化学反应或原子间的扩散,使 都还需进一步探讨。关于合金对高温可靠性的改进 之很难满足应用的要求。因此,制备高温SiC欧姆接 也应进一步深入研究。 触的较好办法是采用金/难熔金属/SiC的多层接触 系统。在多层接触系统中,由于Cr,Ni,Ti,Ta和W 参考文献 等难熔金属与SiC形成的碳化物或硅化物变成致密 [11 Lisa M Porter,Robert F Davis.A Critical Review of Ohmic 和坚固的接触层,使Au难以越过这阻挡层向下扩 and Rectifying Contacts for Silicon Carbide[J].Mateirals 散,因而接触的物理、化学和电学性质非常稳定。 Science and Engineering,1995,(B34)'83~105. Roumen Kakanakov等人研究了600%时A i/ [21 S Hara,T Teraji,H Okushi,et .Pinning-controlled Ohmic SiC和A1SiTi/SiC接触的热稳定性,试验在600%氮 Contacts:Application to SiC(00O1)[J】、Applied Surface Science,1996,(107):218-221、 气中测试100h发现,A1/Si/SiC接触,在24h内保持初 【3】L Kassamakova,R Kakanakov,N Nordell,et .Study of the 始值为2.4xlo—lQ・cmz,之后上升到6.2x10 ̄・cm 。测 Electrical,Thermal and Chemical Properties of Pd Ohmic 试时间增加。导致性能恶化,100h后,恶化程度严 Contacts to P-type 4H—SiC:DepeI}dence on Annealing 重。然而。A1SiTi/SiC接触在寿命测试温度稳定运行 Conditions[J】.Materials Science and Engineering,1999, 100h后。阻值没有变化。试验结果表明,在接触材 (B61—62):291-295. 料中加钛可提高热稳定性。以确保在高温下应用[51。 [4] A A Iliadis,R D Vispute,T Venkatesan,et .Ohmic Met- 4结论 allization Technology for wide Band-gap Semiconductors 稳定的电接触是实现SiC高温应用及大功率应 [J].Thin Solid Films,2002,(420—421):478-486. [51 Roumen Kakanakov,Liliana Kassamakova,Ivan Kas- 用的关键。在高温条件下,应使接触电阻率或势垒高 samakov.et .Improved AI:Si Ohmic Contacts to P-type 度在长时间内保持稳定的电学特性。目前,已有700 ̄C 4H—SiC[J】.Materilas Science and Engineering,2001, 退火得到的欧姆接触电阻率为5.7x10 Q・cm 和在 (B80):374—377. (上接第79页) 方法.并结合组合式三相逆变电路设计的逆变电源具 调制方法和控制方法针对组合式三相逆变电路是非 有较好的抗负荷冲击能力。 常有效的。 7结论 参考文献 (1)单极倍频SPWM能有效减少开关损耗,且数 【1】 陈坚.电力电子学——电力电子变换和控制技术[M】. 字化实现比较简单。针对组合式三相逆变电路结构有 北京:高等教育出版社,2002. 较强的结合性。 [2】  ̄tlSn平.TMS320LF240xDSP结构、原理及应用[M】.北京: (2)TMS320LF2407芯片是目前用于逆变电源 北京航空航天出版社.2002. 【3】 孔雪娟,王荆江,彭力.基于内模原理的三相电压源型 控制较为理想的选择。在一般中高功率的逆变电源 逆变电源的波形控制技术[J】.中国电机工程学报,2003, 中采用DSP.以实现单极倍频SPWM调制加组合式 23(7):67-70. 三相逆变电路的策略是合适的。 【4】 胡兴柳.基于重复控制技术的逆变电源研究[J].电力电子 101