一种数字控制SPWM逆变器的设计

一种数字控制SPWM逆变器的设计

王伟，尹真，黎昌浪

(西北工业大学，陕西西安710072)

摘要：研究了一种数字控制逆变器，采用智能功率模块Ps21865，减少了系统的复杂性，提高系统的可靠性。分析了单极性sPwM控制策略的优点和应用场合，给出了基于转速／电流双闭环控制的sPwM 阈制策略，完成了对直流变频空调压缩机的控制，并给出实验波形。

关键词：sPwM逆变器；单极性；智能功率模块；双闭环控制

O引言

随着电力电子技术的发展，各种逆变器在各行业中应用十分广泛。具有高速运算能力的DsP的问世，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。目前正弦脉宽调制技术SPwM是应用最广泛的技术。与PwM方波驱动相比，正弦波驱动时无刷直流电动机的机械特性和转矩特性并无明显变化，但是采用正弦波驱动方式的无刷直流电动机，具有效率高、转矩波动小、噪声低、响应快、调速特性好、运行可靠、控制特性优良等优点。sPwM 制驱动又可以分为单极性驱动和双极性驱动两种。双极性驱动适合于对效率没有要求的高精度伺服应用场合，而对于像家电这类对系统能效有较高要求而调速控制精度要求不是很高场合，更适合采用单极性驱动。本文设计了一种数字控制逆变器，采用智能功率模块和单极性sPwM控制策略，完成了转速／电流双闭环控制。

l逆变器电路设计

常用的电力电子全控型功率半导体器件有晶闸管、功率场效应管、双极型晶体管等。功率场效应管具有开关速度高、电压控制实现简单等优点，但是器件导通时压降较大，且电压、电流容量相对较小；双极型晶体管的优缺点则正好与功率场效应管的优缺点相反。绝缘栅一双极型复合晶体管(以下简称IGBT)是功率场效应管与双极型晶体管所形成的复合器件，综合了两者的优点，广泛应用于各种大中型电力电子装置当中。

各种分立型功率器件需要设计专门的驱动电路才能实现使器件工作在开关状态并获得较低的动静态

损耗的效果，而随着功率器件工作频率不断提高，分立元件固有的引线电感、寄生电容等对器件造成了更

大的电应力，主要表现为过电压、过电流尖峰。本设计采用的IPM智能功率模块是以IGBT为功率器件，并同时将驱动电路和各种保护电路集成到同一模块内的新型混合集成电路，较好地解决了寄生电感和电容的影响。IPM模块对电源电路和驱动电路的引线设计进行了优化处理，所以浪涌电压、门极振荡、噪声干扰等问题得到有效控制，能够实现更快的开关速度，降低系统的复杂性并提高系统的可靠眭。

本文控制系统的输入电压为220 V(AC)，整流以后的直流电压最大值为311 V(Dc)，控制对象为直流变频空调压缩机，其功率为800 w，该压缩机电机的结构为无刷直流电动机结构。考虑到系统的通用性和扩展性，选择了600 V／20 A的IPM模块，型号为三菱公司的PS21865。图1中的PS21865采用的是上桥臂IGBT管单独配置驱动电路，下桥臂三管共用驱动电路的方式。这样简化了电路的设计，同时在内部电路设计时方便了布线。

图1是逆变器功率电路原理图，由于DsP是弱电部分，工作电压仅为5 V，而尽管IPM的输入信号与DsP的电平兼容，但是为了保护DsP以及弱电电路，在DSP和IPM之间使用了光电耦合器实现电气隔离。本设计必须使用高速光电耦合器才能满足驱动信号变化迅速的要求，在此使用的是6N136，即图中的ul～u6。而故障输出则可以采用通用光电耦合器如Pc817，以降低成本。在图1中，由于Ps21865输入信号自带有下拉电阻，因此在6N136后又接一级缓冲电路(采用集成总线缓冲器74Hc244)来驱动IPM模块工作。

R10作为母线采样电阻，采集母线电流，经过由C1、R9构成的低通滤波器送人PS21865。c2控制故障输出的低电平宽度，一般取值为2．2 nF，对应的时间为1．8 ms。

2单极性SPwM技术

sPwM逆变器，即期望其输出电压是纯粹的正弦波形，那么，可以把一个正弦半波分成N等分，如图2所示，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样，由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。

sPwM驱动可以分为单极性驱动和双极性驱动两种。单极性驱动是指对于逆变器的同一个桥臂．在一个PwM周期内只有一个功率管导通，另外一只功率管处于关断状态。而双极性驱动则是指在一个PwM周期内，同一桥臂的上、下两只功率管都会开通，两只功率管的开通与关断为互补关系。

逆变器的输出与电机绕组相连接，因此逆变器桥臂中两只功率管的工作方式会对电机的工作造成明显的影响。即在单极性sPwM驱动和双极性sPwM驱动状态下，逆变器输出的正弦波的平滑程度、绕组电流的波形都会不一致。之所以会造成这种结果，是由于单极性驱动在一个PwM周期内桥臂只有一只功率管开通，使得绕组上存储的能量没有泻放通道，绕组电压只能朝一个方向变化。而对于双极性，由于一个PwM 周期内两种功率管都会开通，给绕组储能提供了泻放回路，因此输出波形比较光滑。两种驱动方式下逆变器输出的正弦波分别如图3a、图3b所示。从图中可以看出，单极性驱动方式下所获得的正弦波并不够光滑，即使考虑到这是因为输出频率太低而导致滤波效果不是很理想；而双极性驱动输出的波形较为光滑，可以看出是一个光滑的正弦波。因此，仅仅从输出波形上看，电机采用双极性驱动方式能够获得更好的驱动与控制效果。但是双极性驱动在一个PwM周期内使得两只功率管都得到了开通与关断，大大增加了功

率元件的开关损耗，因此，双极性驱动更适合于对效率没有要求的高精度伺服应用场合，而对系统能效有较高要求但调速控制精度要求不高的情况下适合采用单极性驱动．

脉冲波形的宽度可以通过一系列算法得到，作为控制逆变器中开关器件通断的依据。人们引入通讯技术中的“调制”这一概念，以所期望的波形作为调制波，而受它调制的信号称为载波。本设计由dsPIc30F6010产生的三相sPwM控制脉冲，经驱动放大电路放大后，控制开关逆变桥功率管的通断，将整流滤波后的单相直流电压逆变为三相交流电压拖动电机，改变调制信号的周期与幅值，也就改变了主开关的输出脉冲周期与占空比，从而实现电机的变频变压控制。

3系统控制策略

本设计以微星公司的dsPIc30F6010为主控芯片，IPM模块为三菱公司的Ps21865。采用电流／转速双闭环控制。电流／转速双闭环调速系统能够做到既有转速和电流两种负反馈作用，又使它们只能分别在不同的阶段起主要作用，实现最大电流起动，对负载扰动和电网电压扰动都有较好的抗于扰效果，是目前调速系统的重要控制手段。在该设计中以转速环作为外环，依据系统输出和给定输入进行控制；电流环作为内环，其输人为转速环的输出，用来调节系统的工作电流保持恒定状态。转速调节器和电流调节器可以采用PID调节方式，其动态结构图如图4所示。

随着控制理论的发展，各种现代控制技术如神经网络控制、变结构控制、专家系统等得到了很大的发展和应用，但是这些智能控制理论主要还是用于科学研究，在工程实际应用中得到最广泛应用的还是PID 控制技术。