单相逆变电源控制系统硬件设计毕业论文

单相逆变电源控制系统硬件设计毕业论文
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
1 绪论 (1)
1.1 引言 (1)
1.2 国外研究现状及趋势 (2)
1.2.1 逆变电源研究的技术现状 (2)
1.2.2 逆变电源技术研究的发展趋势 (3)
1.3 本文的研究目的及容 (4)
1.4 逆变电源的控制策略 (6)
2 SPWM控制原理 (10)
2.1 PWM概述 (10)
2.2 PWM波形的基本原理 (11)
2.3 SPWM的调制方式 (11)
2.3.1单极性SPWM调制 (12)
2.3.2双极性SPWM调制 (13)
2.4 SPWM实现方式 (14)
2.4.1 比较器实现SPWM (14)
2.4.2 专用集成电路实现SPWM (14)
2.4.3 单片机实现SPWM (14)
2.4.4 DSP实现SPWM (14)
3 逆变电路建模及主电路参数计算 (16)
3.1 单相全桥式逆变电路拓扑图及等效电路 (16)
3.2 单相全桥逆变电路的数学模型 (17)
3.2.1 连续状态空间模型 (17)
3.3 单相逆变器主电路设计 (18)
3.3.1 负载参数计算 (18)
3.3.2 输出 LC 滤波器的设计 (19)
3.3.3 IGBT 模块的选择 (19)
4 控制策略及系统仿真 (21)
4.1 PID概述 (21)
4.2 数字PID控制 (21)
4.3 PID参数的整定原则 (22)
4.4 双闭环控制的原理 (23)
5 硬件电路设计 (27)
5.1 控制芯片选择 (27)
5.2 采样与信号调理电路 (29)
5.3 IGBT驱动电路设计 (31)
5.4 保护模块设计 (33)
5.5 其他辅助电路 (33)
5.5.1 时钟电路 (33)
5.5.2 复位电路 (34)
5.5.3 仿真器连接JTAG (35)
5.5.4 故障保护单元 (35)
5.5.5 SCI接口电路 (35)
5.6 电磁兼容设计 (35)
结束语 (38)
致谢 (39)
参考文献 (40)
附录 (42)
1 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。

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 国外研究现状及趋势
1.2.1逆变电源研究的技术现状
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，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，在输出电压质量、效率诸方面有着明显的优点。

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(SVM)、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SPWM正弦脉宽调制法。

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，它是1964年由A．Schonung和H．Stemmler把通讯系统的调制技术应用到逆变器而产生的，后来由Bristol大学的S．R．Bower等于1975年对该技术正式进行了推广应用。

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。

在正弦波逆变电源数字化控制方法中，目前国外研究得比较多的主要有数字
PID控制、无差拍控制、双环反馈控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制以及神经网络控制等。

PID控制是一种传统控制方法，由于其算法简单成熟，设计过程中不过分依赖系统参数，鲁棒性好和可靠性高，在模拟控制的正弦波逆变电源系统中得到了广泛的应用。

随着微处理器技术的发展，具有较快的动、静态响应特性数字PID算法获得应用。

1.2.2逆变电源技术研究的发展趋势
电源系统是现代电子设备不可或缺的重要组成部分。

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：
(1)高频化。

理论分析和实践经验表明：电器产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。

所以当我们把频率从工频50Hz提高到20KHZ，提高400倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5～10％，其主要材料可以节约90％甚至更高，还可以节电30％甚至更多。

由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，原材料消耗显著降低、电源装置小型化、系统的动态反应加快，更可以深刻体现技术含量的价值。

(2)模块化。

模块化有两方面的含义，其一是功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。

我们常见的器件模块，含有一单元，两单元，六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。

近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也集成到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块(IPM)，不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。

有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM)，它把一台整机的几乎所
有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引线连接，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高了系统的可靠性。

另外，大功率的开关电源，由于器件容量的限制和增加冗余、提高可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块电源并联工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其他模块再平均分担负载电力。

这样，不但提高了功率容量，在器件容量有限的情况下满足了大电流输出的要求，而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块，极大的提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为电源修复提供充分的时间。

(3)数字化。

现在数字式信号，数字电路越来越重要，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。

(4)绿色化。

随着各种政策法规的出台，对无污染的绿色电源的呼声越来越高。

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。

随着电子电源的集成化、模块化、智能化的发展和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。

1.3 本文的研究目的及容
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、读数据以及执行指令等多个操作从而大大减少指令执行周期。

另外，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DSP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。

逆变电源采用数字控制相对模拟控制，具有以下明显优点：
(1)控制电路结构简洁紧凑，大大简化了硬件电路的设计，提高了系统的抗干扰能力；
(2)设计和制造灵活，每台电源间的一致性好，一旦改变了控制方法，只需修改程序即可，无需变动硬件电路，大大缩短了设计研制周期：
(3)易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得逆变电源的智能化程度更高，性能更完美；
(4)控制系统的可靠性高，避免了某些模拟元件可能产生的漂移；
(5)系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便的通过特定接口或USB接口进行调试、故障查询、历史纪录查询、软件修复、控制参数的在线修改等，甚至还可以通过网线远程操作，提供远程服务；
(6)易组成高可靠性的大规模逆变电源并联运行系统，实现各模块之间的均流控
制和通讯。

可见，数字化是逆变电源发展的主要方向，然而，也存在着挑战。

原因是逆变电源是一个复杂的电力电子装置，是一个多变量、非线性、时变的系统，因此对它的控制存在着困难。

目前的困难主要来自于：
(1)逆变电源的输出要跟踪的是一个按正弦规律变化的给定信号。

它不同于一般的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)逆变电源的输出滤波器对系统的模型影响很大，输入电压的波动幅度和负载的性质、大小的变化围往往比较大，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一个周期之末来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。

当然，正是有着众多的优点，而问题又存在，才使得逆变电源的数字化控制在国外引起了广泛的关注。

1.4 逆变电源的控制策略
PID控制
PID控制以其结构简单、鲁棒性好、参数易于整定等特点广泛应用于工程实践中。

PID控制是将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

控制偏差量由给定值与实际输出量构成。

PID控制算法包括了动态控制过程中过去、现在和将来的信息：比例环节蕴含了动态控制过程中现在的主要信息，能够校正偏差；积分环节代表了过去积累的信息，能消除静差，改善系统的静态特性；微分环节代表了将来的主要信息，可超前控制信号变化，在过程开始时强迫过程加速进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。

逆变器采用模拟PID控制时，如果只是输出电压的瞬时值反馈，其动态性能和带非线性负载时的性能不会令人满意；如果是输出滤波电感或输出滤波电容的电流瞬时值引入反馈，其性能将得到较大改进。

然而，庞大的模拟控制电路使得控制系统的可靠性下降、调试复杂、不易于整定．数字信号处
理芯片的出现使得这个问题迅速得以解决，如今各种补偿措施及控制方式可以很方便地应用于逆变电源的数字PID控制中，控制器参数修改方便，调试简单。

但是，数字PID控制算法应用到逆变电源的控制中，不可避免的产生了一些局限性：一方面，系统的采样量化误差降低了算法的分辨率，使得PID调节器的精度变差；另一方面，采样和计算延时使得被控系统成为一个具有纯时间滞后系统，造成PID 控制器的设计困难，稳定性减小。

无差拍控制
状态变量的无差拍控制早在1959年就由Kalman提出，但是直到80年代中期无差拍控制才在逆变电源上得以应用。

随着高性能处理器的出现和无差拍理论研究的深入，针对逆变电源的无差拍控制已经广泛开展起来。

无差拍控制是一种基于微处理器实现的P州方案。

它根据逆变电源系统的状态方程和输出反馈信号来计算逆变器的下一个采样周期的脉冲宽度。

此算法中，每个采样间隔发出的控制量是根据当前时刻的状态向量和下一采样时刻的参考正弦值计算出来的，由负载扰动或非线性负载引起的输出电压偏差可在一个采样周期得到修正。

无差拍控制有极高的动态性能，输出能够很好地跟踪给定值，但是其系统鲁棒性不强，瞬态超调量较大，当负载变化，非线性负载或者温度、运行条件等原因出现参数波动，都容易造成系统的不稳定或者输出性能恶化。

重复控制
重复控制是一种基于模原理的控制方法，模原理是把作用于系统外部信号的动力学模型植入控制器，以构成高精度反馈控制系统的一种设计原理。

其控制思想是假定前一周期出现的输出电压波形畸变将在下一周期的同一时刻再次出现，控制器根据参考信号和输出电压反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后，在下一个基波周期将此校正信号叠加在原控制信号上，这样就可以消除输出电压的周期性畸变。

因此，重复控制能很好的消除非线性负载及其他周期性干扰引起的波形畸变并且具有极佳的稳态性能。

但由于延迟因子的存在，重复控制得到的控制指令并不是立即输出，而是滞后一个参考周期后才输出，这样，如果系统部出现干扰，消除干扰对输出的影响至少需要一个参考周期，干扰出现后的一个参考
周期，系统对于干扰并不产生任何调节作用，这一个周期系统近似处于开环状态，因此重复控制系统的动态响应较差，故重复控制一般和其他控制方式相结合，用来改善输出电压波形。

状态反馈控制
利用状态反馈，即将逆变器中的状态变量通过适当的系数反馈，可以合理地配置系统的极点，改变系统的阻尼比，提高系统的动态特性。

从控制理论的角度来说，闭环系统性能与闭环极点密切相关。

经典控制理论用调整开环增益及引入串、并联校正装置来配置闭环极点来改善系统性能；而在状态空间的分析中，除了利用输出反馈以外，主要利用状态反馈来配置极点，它能提供更多的校正信息，从而得到最优的控制规律，抑制或消除扰动的影响。

从状态空间角度分析，单闭环控制系统性能不佳的原因可以解释为：单独的输出反馈未能充分利用系统的状态信息。

如果将输出反馈改为状态反馈，应该能够改善控制效果。

与双闭环控制类似，状态反馈波形控制系统也需要两个反馈变量，但是并不用它来构成独立的闭环控制回路，而是在状态空间概念上通过合理选择反馈增益阵来改变对象的动力学特性，以实现不同的控制效果。

状态反馈控制的最大优点是可以大大改善系统的动态品质，因为它可以任意配置闭环系统的极点。

由于建立逆变器状态模型时很难将负载特性完全考虑在，所以状态反馈控制只能针对空载或假定阻性负载进行，如果不采取相应措施(增设负载电流前馈补偿，预先进行鲁棒分析等)，则负载的变化将导致稳态偏差的出现和动态特性的改变。

滑模变结构控制
滑模变结构控制是利用某种不连续的开关控制策略来强迫系统的状态变量沿着相平面中某一预先设计好的。

滑动模态轨迹运动，从而达到预期的性能。

滑模变结构控制系统的最大优点是其对参数变化和外部扰动不敏感，具有强鲁棒性，而且其固有的开关特性吸引了众多学者将它应用于逆变电源的控制之中。

早期的滑模变结构多采用模拟控制技术，这存在着控制硬件电路复杂、控制功能有限的弱点，严重阻碍了它的发展，然而用微处理器通过软件可以比较方便的实现滑模
变结构控制。

离散滑模变结构控制包括两个部分：前馈控制和滑模控制。

前馈控制保证系统输出电压有较好的跟踪质量，滑模控制不是连续控制，而是一种开关控制，它使系统运行于一种滑动模态，保证系统较强的鲁棒性。

选取适当的状态变量，利用状态空间法可求出滑模控制。

但是滑模变结构控制存在着控制系统稳态效果不佳、理想滑模切换面难于选取、控制效果受采样率的影响等不足。

另外，就波形跟踪质量来说，滑模控制又不及重复控制和无差拍控制。

模糊控制
模糊控制的最大特征是它能将操作者或专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统。

复杂的电力电子装置是一个多变量、非线性、时变的系统，系统的复杂性和模型的精确性总是存在着矛盾。

而模糊控制能够在准确和简明之间取得平衡，有效地对复杂事物做出判断和处理。

近年来，它在电力电子领域中的应用引起了人们的重视。

模糊控制器的设计过程中不需要被控对象的精确数学模型，查找模糊控制表只需要占用处理器的很少的时间，而且模糊控制器有着较强的鲁棒性和自适应性。

模糊控制从模仿人的思维外特性入手，模仿人的模糊信息处理能力。

理论上已经证明：模糊控制可以任意精度逼近任何非线性函数，但受到当前技术水平的限制，模糊变量的分档和模糊规则数都受到一定的限制，隶属函数的确定还没有统一的理论指导，带有一定的人为因素，因此模糊控制的精度有待于进一步提高。

综上所述，逆变电源的各种控制策略各有所长。

因而，各种控制策略取长补短、相互渗透，构成复合控制器，是一种趋势所在。

并且随着信息技术及微电子技术的高速发展，对逆变电源的性能提出了更高的要求，使得高性能、智能化的控制技术应用于逆变电源的控制之中成为可能。

随着研究的深入进行，将会有更多、更适合逆变电源控制的新型控制策略
2 SPWM控制原理
2.1 PWM概述
所谓PWM技术就是用功率器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲系列，以实现变压变频及控制和消除谐波为目标的一门技术，也就是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制，达到调节输出脉冲宽度的一种方法(这里所谓相当于基波分量的信号波并不一定指正弦波，在PWM优化模式控制中可以是预畸变的信号波)，当然不同信号调制后生成的PWM脉宽对变频效果，比如输出基波电压幅值、基波转矩、脉动转矩、谐波电流损耗、功率半导体开关器件的开关损耗等的影响差异很大。

PWM技术最初应用于直流变换电路，随后将这种方式与频率控制相结合，产生了应用于逆变电路的PWM控制技术。

用改变调制信号频率实现输出电压基波频率的调节；用改变调制信号幅值实现输出电压基波幅值的调节。

具体来说，就是用一种参考正弦波为“调制波”，而以N倍于调制波频率的三角波为“载波”。

由于三角波或锯齿波的上下宽度是线性变化的波形，因此它与调制波相交时，就可以得到一组幅值相等，而宽度正比于调制波函数值的矩形脉冲序列用来等效调制波，用开关量取代模拟量，并通过对逆变器开关管的通断控制，把直流电变换成交流电。

随着逆变器在交流传动、UPS电源和有源滤波器中的广泛应用，以及高速全控开关器件的大量出现，PWM技术己成为逆变技术的核心，因而受到了人们的高度重视。

尤其是最近几年，微处理器应用于PWM技术和实现数字化控制以后，更是花样翻新，到目前为止仍有新的PWM控制方式在不断出现。

目前已经提出并得到应用的PWM控制技术就不下十种。

尤其是微处理器应用于PWM技术之后，PWM技术得到了进一步的发展，从追求电压的正弦波到电流的正弦波，再到磁通的正弦波；从效率最优到转矩脉动最小，再到噪音最小等，PWM控制技术经历了一个不断创新和不断完善的过程。

PWM控制技术可分为三大类，即正弦PWM(包括以电压，电流和磁通的正弦为目标的各种PWM控制技术)，最优PWM及随机PWM。

从实现方法上大致有模拟式和数字。