毕业论文---单相逆变电源的设计(含外文翻译) (1)

本科毕业设计任务书
一、毕业设计题目单相逆变电源的设计
二、毕业设计工作自 2012 年 11 月 19 日起至 2013 年 6 月 20 日止
三、毕业设计进行地点:501-108
四、毕业设计内容：
(1) 掌握单相电压型PWM逆变器的工作原理；
(2) 建立单相电压型逆变器的数学模型；
(3) 完成单相电压型PWM逆变器的谐波分析；
(4) 完成单相电压型逆变器反馈闭环控制系统控制规律研究；
(5) 完成单相电压型PWM逆变器系统仿真；
(6) 完成系统调试，并对实验结果进行分析。

指导教师教研室自动化教研室
教研室主任（签名）批准日期
接受论文（设计）任务开始执行日期学生签名
目录
1绪论 (1)
1.1 逆变技术的定义 (1)
1.2 逆变技术的发展过程 (1)
1.3 逆变技术的应用前景 (3)
1.4 逆变技术存在的难点 (3)
1.5逆变电源的发展趋势 (2)
1.6 逆变器的分类 (3)
1.7 逆变技术指标 (4)
1.8 逆变器的单片机控制 (5)
1.9 本文研究内容 (7)
本文研究的主要内容如下： (7)
2逆变电路 (9)
2.1 逆变电路的基本工作原理 (9)
2.2逆变电路的换流方式 (10)
2.3 电压型逆变电路 (12)
2.4 逆变电路的调制方式 (14)
三、系统组成及各部分原理 (20)
3.1系统控制方案 (20)
3.2 系统框图 (20)
3.2.1主电路硬件结构及工作原理 (20)
3.3 系统各级供电电源设计 (21)
3.4IGBT的特点及选取 (21)
3.5 TMS320F2812 DSP简介 (22)
3.5.1 DSP的概念 (22)
3.5.3 A/D转化单元概述 (24)
3.6 IGBT驱动电路 (25)
3.7输出滤波器的设计 (26)
3.7.1 滤波器的理论分析及参数选取 (26)
3.8 闸管导通死区硬件电路设计 (27)
3.9输出电压采样电路 (28)
四、PWM控制技术 (15)
4.1 PWM控制的基本原理 (15)
4.2 正弦脉宽调制的生成 (16)
4.3规则采样法 (18)
4.4 同步调制和异步调制 (19)
4.5 TMS320F2812DSP PWM信号的产生 (19)
5 系统数学模型与控制方案......................................................... 错误！未定义书签。

5.1系统数学模型建立 (28)
5.2系统仿真 (31)
5.3 闭环自动控制系统组成 (32)
5.4 控制方案选择 (33)
5.4.1单一控制方式的效果 (33)
5.4.2 比例积分微分控制(PID) (33)
6 实验 (35)
6.1 实验数据分析 (35)
6.2 实验结果总结 (36)
6.3 实验中硬件照片 (37)
6.4系统的进一步设计及方向 (38)
参考文献 (41)
科技外文文献原文 (43)
致谢 (39)
附录1 (52)
单相电压型逆变电源设计总程序 (52)
第一章绪论
1.1 逆变电源基本概念
逆变就是将直流电能转化成交流电能的过程。

近年来，随着电力电子技术和自动化水平及控制技术的发展，各行各业对电力的供给提出了更高的要求。

提供稳定的、高可靠性的、高效率的、节能环保的电力供给就成为了能量领域研究的重点之一。

在目前已有的电源中，如蓄电池和太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时就需要将直流电转变成交流电供负载使用。

逆变器就是这种能进行电能转化的装置。

逆变器也称逆变电源，是太阳能、风力发电中一个重要部件。

它能将直流电变为定频定压或调频调压交流电，传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路实现，但由于其含有较大成分低次谐波等缺点，近十余年来，由于电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器件BJT，IGBT，MOSFET，GTO 等的发展和PWM的控制技术的日趋完善，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机等数字控制领域，使得SPWM逆变器得以迅速发展并广泛使用。

PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术，SPWM控制技术又有许多种，并且还在不断发展中，但从控制思想上可分为四类，即等脉宽PWM法，正弦波PWM法（SPWM法），磁链追踪型PWM法和电流跟踪型PWM法等等。

各种现代控制理论如棒棒控制，自适应控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。

随着信息处理技术的发展，尤其是计算机的广泛应用，供电系统的可靠性要求越来越高，因此对不间断电源（UPS）技术指标的要求越来越高。

UPS的核心部分是一个恒压恒频逆变电源，也称为逆变器，由于传统模拟控制器需要使用大量的分立元器件，老化和温漂严重影响了系统的长期稳定性。

而微机数字化控制技术填补了这一缺陷，同时增加了控制的方便性，提高了整个系统的稳定性和可靠性。

本文设计了一种基于DSP控制的逆变电源.并在逆变电源设计中采用PWM控制方法，PWM技术在晶闸管时代就已经产生，但是为了使晶闸管通断付出了很大的代价，因而难以得到广泛应用。

以IGB T、电力MOSFE T等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础，推动了这项技术的迅猛发展，使它应用到整流、逆变、直-直、交-交的所有四大类变流电路中。

PWM技术在逆变带电路中的应用最具有代表性，可以说，正是由于PWM控制技术在这类电路中广泛而成功的应用，才奠定了PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位。

1.2 逆变技术的发展现状和发展趋势
1.2.1 逆变电源的发展过程
1956-1980年为传统发展阶段。

1956年，第一只晶闸管问世标志着电力电子学的诞生，在这个时代，逆变器继整流器之后开始发展，首先出现的是可控硅SCR电压源型逆变器。

1961年，W．McMurrav与B．D．B edford提出了改进型SCR强迫换向逆变器，为SCR逆变器的发展奠定了基础。

1962年，A．Kemick提出了“谐波中和消除法”，这标志着正弦波
逆变器的诞生。

1963年，EG．Tumbull提出了“特定谐波消除法”，为后来的优化PWM法奠定了基础，以实现特定的优化目标，如谐波最小，效率最优等。

1980到现在为高频化新技术阶段。

20世纪80年代初，美国弗吉尼亚电力电子技术中心(VPEC)对谐振技术进行了改进，提出了准谐振变换技术，即把LC回路在一个开关周期中的全谐振改变为半谐振或部分谐振，这才使软开关与PWM技术的结合成为可能，并在DC／DC变换器中普遍采用。

软开关技术研究的最终目的是实现脉宽调制PWM(Pulse．Width Modulation)软开关技术，也就是将软开关技术引进到PWM逆变器中，使它既能保持原来的优点，又能实现软开关功能。

为此，必须把LC与开关器件组成一个谐振网络，使PWM逆变器只有在开关转换过程中才产生谐振，实现软开关转换，平时则不谐振，以保持PWM逆变器的特点。

PWM软开关技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一，是实现电力电子高频化的最佳途径，也是一项理论性最强的研究工作。

它的研究对于逆变器性能的提高和进一步推广应用，以及对电力电子学技术的发展，都有十分重要的意义，是当前逆变器的发展方向之一。

1.2.2 逆变电源的发展趋势
在电力电子技术的应用及各种电源系统中，变频电源技术均处于核心地位。

近年来，现代变频电源技术发展主要表现出以下几种趋势：
(1) 高频化
提高变频电源的开关频率，可以有效地减小装置的体积和重量，为了进一步减小装置的体积和重量，去掉笨重的工频隔离变压器，采用高频隔离，并可消除变压器和电感的音频噪声，同时改善了输出电压的动态响应能力。

(2) 高性能化
高性能主要指输出电压特性的高性能，它主要体现在以下几个方面:稳压性能好，空载及负载时输出电压有效值要稳定；波形质量高，不但要求空载时的波形好，带载时波形也好，对非线性负载性要强；突加或突减负载时输出电压的瞬态响应特性好；电压调制量小；输出电压的频率稳定性好；对于共相电源，带不平衡负载时相电压失衡小。

(3) 模块化
当今逆变电源的发展趋向是大功率化和高可靠性.虽然现在已经能生产几千KVA的大型逆变电源，完全可以满足大功率要求的场合。

但是，这样整个系统的可靠性完全由单台电源决定，无论如何可靠性也不可能达到很高。

为了提高系统的可靠性，就必须实现模块化，模块化意味着用户可以方便地将小容量的模块化电源任意组合，构成一个较大容量的变频电源。

模块化需要解决逆变电源之间的并联问题，变频电源的并联要比直流电源的并联复杂，它面临着负荷分配、环流补偿、通断控制等多方面的问题。

(4) 数字化
现在数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、提高系统抗干扰能力、便于软件包调试和遥感遥测遥调、也便于自诊断，容错等技术的植入，同时也为电源的并联技术发展提供了方便。

(5) 绿色化
绿色电源的含义有两层:首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因。

为了使电源系统绿色化，电源应加装高效滤波器，还应在电网输入端采用功率因数校正技术和软开关技术。

提高输入功率因数具有重要意义，不仅可以减少对电网的污染，降低市电的无功损耗，起到环保和节能的效果，而且还能减少相应的投资，提高运行可靠性。

提高功率因数的传统方法是采用无源功率因数校正技术，目前较先进的方法是:单相输入的采用有源功率因数校正技术，三相输入的采用SPWM高频整流提高功率因数。

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、低电磁干扰和小型化、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。

1.2.3 逆变技术的应用前景
逆变电源输出的交流电可用于各类设备，可以最大限度地满足移动供电场所或无电地区用户对交流电源的需要。

有了逆变器，就可利用直流电转换成交流电为电器提供稳定可靠得用电保障，如笔记本电脑、手机、数码相机以及各类仪器等；逆变器还可与发电机配套使用，能有效地节约燃料、减少噪音；在风能、太阳能领域，逆变器更是必不可少。

这种能量的变换对节能、减小环境污染、降低成本和提高产量等方面均起着非常重要的作用。

随着逆变技术成熟，使得其应用领域也达到了前所未有的广阔，广泛应用于电力系统、家用电器、交通运输、工业电源和航空航天等领域并且随着计算机技术和各种新型功率器件的发展，逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。

高性能逆变电源要求满足：高逆变效率、高速动态响应、高稳态精度、高智能化、高系统稳定性和高可靠性。

1.2.4逆变技术存在的难点
数字化是逆变电源发展的主要方向，但还是需要解决以下一些难题：
①逆变电源输出要跟踪的是一个按正弦规律变化的给定信号，它不同于一般开关电源的常值控制。

在闭环控制下，给定信号与反馈信号的时间差就体现为明显的相位差，这种相位差与负载是相关的，这就给控制器的设计带来了困难。

②逆变电源输出滤波器对系统的模型影响很大，输入电压的波动幅值和负载的性质，大小的变化范围往往比较大，这些都增加了控制对象的复杂性，使得控制对象模型的高阶性、不确定性、非线性显著增加。

③对于数字式PWM，都存在一个开关周期的失控区间，一般是在每个开关周期的开始或上个周期之后确定本次脉冲的宽度，即使这时系统发生了变化，也只能在下一个开关周期对脉冲宽度做出调整，所以现在逆变电源的数字化控制引起了广泛的关注。

1.3 逆变电源的分类
逆变器的种类很多，可按照不同的方法进行分类。

⑴按逆变器输出交流电能的频率，可分为工频逆变器，中频逆变器和高频逆变器。

工频逆变器的频率为50-60HZ的逆变器；中频逆变器的频率一般为400HZ到十几KHZ；高频逆变器的频率一般为十几KHZ到MHZ。

⑵按逆变器输出的相数，可分为单相逆变器，三相逆变器和多相逆变器。

⑶按照逆变器输出电能的去向，可分为有源逆变器和无源逆变器。

凡将逆变器输出的电能向电网侧输送的逆变器，称为有源逆变器；凡将逆变器输出的电能向电能负载输送的逆变器称为无源逆变器。

⑷按逆变器主电路的形式，可分为单端式逆变器，推挽式逆变器、半桥式逆变器和全桥式逆变器。

⑸按逆变器主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变器、晶体管逆变器、场效应管逆变器和绝缘栅双极晶体管(IGBT)逆变器等。

也可以将其归纳为“半控型”逆变器和“全控型”逆变器两大类。

其中半控型器件不具备自关断能力，元器件在导通后即失去控制作用，故称之为“半控型”，晶闸管属于这一类器件。

而全控型器件具有自关断能力，即器件的导通和关断均可由器件的控制极加以控制，电力场效应管和绝缘栅双极晶体管（IGBT）及MOSFET 都属于这一类器件。

⑹按直流电源类型，可分为电压源型逆变器（VSI）和电流源型逆变器（CSI）。

⑺按逆变器输出电压或电流的波形，可分为正弦波输出逆变器和非正弦波输出逆变器。

⑻按逆变器环流方式分，可分为负载换流式逆变器和自换流式逆变器。

1.4 逆变技术指标
1. 额定输出电压
在规定的输入直流电压允许的波动范围内，它表示逆变器能输出的额定电压值。

对输出额定电压值的稳定准确度一般有如下规定：
①在稳态运行时，电压波动范围应有一个规定，例如逆变器输出电压偏差不超过额定值的±3%或±5%。

②在负载突变（额定负载0%→50%→100%）或有其他干扰因素影响的动态情况下，逆变器输出电压偏差不应超过额定值的±8%或±10%。

2. 输出电压的波形失真度
当逆变器输出电压为正弦波时，应规定允许的最大波形失真度（或谐波分量）。

通常以输出电压的总波形式失真度表示，其值不应超过5%（单相输出允许10%）。

3. 额定输出频率
逆变器输出交流地那英的频率应是一个相对稳定的值，通常为工频50HZ。

正常工作条件下其值应在±1%以内。

4.保护
1）过电压保护：对与没电压稳定措施的逆变器，应有输出过电压防护措施，以使负载免受输出过电压的损害。

2）过电流保护：逆变器的过电路保护，应能保证在负载发生短路或电流过允许值时及时动作，使其免受浪涌电流的损伤。

7.启动特性
逆变器带负载启动的能力和动态工作时的性能。

逆变器应保证在额定负载下可靠起动。

8.噪声
电力电子设备中的变压器、滤波电感、电磁开关等部件均会产生噪声。

逆变器正常运行时，其噪声应不超过80DB,小型逆变器的噪声应不超过65DB.
1.5 逆变器的DSP控制
总体来说，逆变器就是利用数字控制器的定时器的操作产生一种PWM波，进而控制晶闸管的导通与关断，为了使输出波形在带载时更加精确，在现在控制中一般采用闭环控制方法。

逆变电源的控制方法有传统的PID控制，模糊控制、滞环控制、状态反馈控制、无差拍控制和重复控制。

与模拟控制电路相比，逆变电源采用微机数字化控制具有以下优势:①温度漂移小，抗干扰能力强，可靠性高，稳定性好。

②数字式部件结构牢固，体积小，重量轻，耗能少，易于标准化。

③提高了信息存储、监控、诊断以及分级控制的能力，使系统更趋于智能化，系统维护方便。

④控制策略灵活，可以方便实现许多复杂、智能的算法提高性能。

但同时也有如下问题：①信号反馈中的量化误差使系统精度有所下降。

②数字处理器采样、计算延时带来的变频电源最大占空比受限问题，对环境温度要求较高等等，这些问题使得数字控制在变频电源性能提高的发挥中受到了阻碍，但是这些问题依然不能阻挡微机控制在电力电子中的使用，逆变电源微机控制技术也日趋成熟。

1）单闭环PID控制
早期的逆变控制器多为模拟PID控制，单纯采用输出电压的瞬时值反馈。

采用模拟PID 控制器进行调节，其动态性能特别是非线性负载的时候，不能令人满意。

对于要求较高的系统，还没有做到满足系统要求的动态特性和稳态精度。

随着DSP的出现，逆变器的瞬时值反馈数字PID控制成为可能。

但是，数字PID控制不可避免地存在一些局限性。

PID控制的精度取决于比例项和积分项，这两项越大控制精度越高，一方面逆变器空载时振荡性很强，积分项易产生相位滞后，另一方面离散化系统的量化误差也对稳定性产生影响，因此比例项和积分项不能取得太大。

由于数字控制的采样、计算延时的影响，引入了相位滞后，减小了最大可得到的脉宽，结果势必造成稳态误差大，输出电压波形畸变高。

采用高速A/D和高速处理器以及提高开关频率可以一定程度上改善数字PID控制的效果，但实现起来有一定困难。

并且PID控制无法实现对正弦指令的无静差跟踪，逆变器系统实际上往往增设外环均值反馈以保证系统的稳态精度。

2）模糊控制
与传统的控制方式相比，智能控制最大的好处是不依赖控制对象的数学模型。

模糊控制器的设计不需要被控对象的精确数学模型，有着较强的鲁棒性和自适应能力；查找模糊控制制表只需要占用处理器很少的时间，因而可以采用较高的采样率来补偿模糊控制规则和实际经验的偏差。

模糊控制在理论上可以任意逼近任何非线性函数，但是模糊控制的分档和模糊控制规则需要进一步的研究，并且隶属函数较难确定，因此模糊控制的精度有待遇进一步提高。

3）bang-bang控制
bang-bang控制方面的研究始于20世纪50年代。

在过去的20年中，鲁棒控制一直是国际自控界的研究热点。

所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。

根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。

以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。

由于工作状况变动、外部干扰以及建模误差的缘故，实际工业过程的精确模型很难得到，而系统的各种故障也将导致模型的不确定性，因此可以说模型的不确定性在控制系统中广泛存在。

如何设计一个固定的控制器，使具有不确定性的对象满足控制品质，也就是鲁棒控制，成为国内外科研人员的研究课题。

现代鲁棒控制是一个着重控制算法可靠性研究的控制器设计方法。

其设计目标是找到在实际环境中为保证安全要求控制系统最小必须满足的要求。

一旦设计好这个控制器，它的参数不能改变而且控制性能能够保证。

鲁棒控制方法适用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用，同时过程的动态特性已知且不确定因素的变化范围可以预估，对于有太多不确定因素的被控对象，鲁棒控制就不适应了。

(4) 无差拍控制
无差拍控制是一种基于微机实现的PWM方案，是数字控制特有的一种控制方案。

它根据逆变器的状态方程和输出反馈信号来计算逆变器在下一个采样周期的脉冲宽度，控制开关动作使下一个采样时刻的输出准确跟踪参考指令。

由负载扰动引起的输出电压偏差可在一个采样周期内得到修正。

无差拍控制有着非常快的动态响应，波形畸变率小，即使开关频率不是很高，也能得到较好的输出波形品质。

但是，无差拍控制的自身缺点也十分明显:无差拍控制效果取决于模型估计的准确程度，实际上无法对电路模型做出非常精确的估计，而且系统模型随负载不同而变化，系统鲁棒性不强;其次，无差拍控制极快的动态响应即是其优势，又导致了其不足，为了在一个采样周期内消除误差控制器瞬态调节量较大，一旦系统模型不准，很容易使系统输出振荡，不利于逆变器的稳定运行。

(5) 重复控制
重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理，内模原理是把作用于系统的外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度的反馈控制系统。

由内模原理可知，除非针对每一种指令或扰动信号均设置一个正弦函数内模，否则无法实现无静差，重复控制利用“重复信号发生器”内模巧妙地解决了这一问题。

重复控制采用数字方式实现。

逆变器重复控制的目的是为了克服死区、非线性负载引起的输出波形周期性畸变。

其基本思想是假定前一基波周期中出现的畸变将在下一基波周期的同一时间重复出现，控制器根据每个开关周期给定与反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后在下一基波周期同一时间将此信号叠加在原控制信号上，以消除以后各周期中将出现的重复性畸变。

重复控制能使逆变器获得低THD的稳态输出波形。

但其主要弱点是动态性能差，干扰出现后的一个参考周期内，系统对干扰不产生任何调节作用，这一周期系统近乎处于开环控制状态，消除干扰对输出的影响至少要一个参考周期。

此提出了自适应重复控制、伺服控制器和重复控制器组成的复合控制、状态反馈控制与重复控制组成的双环控制等多种方案改善系统的动态特性。

(6) 滑模变结构控制
滑模变结构控制最大的优势是对参数变动和外部扰动不敏感，系统的鲁棒性特别强。

早期逆变器采用模拟控制实现滑模变结构控制，存在电路复杂、控制功能有限的弱点。

基于微处理器的滑模变结构控制完全不同于常规的连续滑模控制理论，需要离散滑模控制技术，有些文献引入前馈改善离散滑模控制的稳态性能，有些通过自矫正措施改善负载扰动的影响。

但是滑模控制存在理想滑模切换面难以选取、控制效果受采样率的影响等弱点，它还存在高频抖动现象且设计中需知道系统不确定性参数和扰动的界限，抖动使系统无法精确定位，测定系统不确定参数和扰动的界限则影响了系统鲁棒性进一步发挥。

1.6 本文研究内容
本文研究的主要内容如下：
⑴掌握单相电压型PWM逆变器的工作原理。

⑵建立单相电压型逆变器的数学模型。

⑶完成单相电压型PWM逆变器的谐波分析。

⑷完成单相电压型逆变器反馈闭环控制系统控制规律研究。

⑸完成单相电压型PWM逆变器系统仿真。

⑹完成系统调试，并对实验结果进行分析。