由于市电电网存在着波动,干扰现象较为严重,会给一些重要的仪器带来不可估计的冲击,而一些设备对于电源频率有特殊要求。根据实际需要,通过对调制方法的选择,对硬件电路的设计和软件的编程,设计并制作了一台三相逆变电源,实验结果基本满足要求

徐欣歌

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机电技术                                     2011 年 6 月 74                   作者简介：徐欣歌(1986-)，女，硕士研究生，研究方向：电子技术研究及嵌入式系统应用。 一种智能三相逆变系统的设计 徐欣歌 （厦门大学机电工程系，福建 厦门 361005） 摘 要：由于市电电网存在着波动，干扰现象较为严重，会给一些重要的仪器带来不可估计的冲击，而一些设备对于电源频率有特殊要求。根据实际需要，通过对调制方法的选择，对硬件电路的设计和软件的编程，设计并制作了一台三相逆变电源，实验结果基本满足要求。 关键词：SVPWM；双环控制；电源管理  中图分类号：TM464   文献标识码：A   文章编号：1672-4801(2011)03-074-04 随着信息技术的飞速发展，现代化的设备对电源系统的质量提出了新的要求，促使了逆变电源的出现。逆变电源，即是把不符合设备要求或是不能很好的满足设备需要的原始电能转换为高质量的符合设备工作要求的电能，其核心技术部分为调制方式的选择以及后续滤波器及控制器的设计。本文根据实际设计了一台三相逆变电源。 1  逆变电源控制策略 逆变电源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 THD（Total Harmonic Distortion）和负载突变时的动态响应水平。而在实际应用中，THD 是最重要的指标，一般要求电源在带阻性负载满载时 THD 小于 2%，非线性满载的 THD 小于 5%。实现这一要求的关键是逆变电源的控制技术。 在调试应用中，逆变电源系统的控制方法通常会有 PID 控制、滞环控制、电压电流双闭环控制、无差拍控制、滑模控制、模糊控制、神经网络控制等，本文采用双环控制法。 2  逆变电源系统硬件设计 整个系统的设计思想包括以下几点：(1)稳定性；(2)准确性；(3)网络性；(4)低成本；(5)扩展性。三相逆变电源系统的结构框图如图 1 所示，主要包括 DSP 控制板、驱动级电路、三相逆变桥电路、输出滤波器、数据采集电路。DSP 控制板主要是产生调制信号，采集输出数据，通过 RS485与上位机实现通信，以及预留 CAN 接口以备将来并联之用。  图 1  三相逆变电源系统的结构框图 2.1处理器控制电路设计 逆变电源系统的设计当中，调制方式的选择是保证其输出电源质量的决定性因素。本文采用电压空间矢量调制技术（SVPWM）。SVPWM 是从电机的角度出发，目的在于使交流电机产生圆形磁场，它以三相对称正弦波电源供电时交流电机产生的理想磁链圆为基准，通过选择逆变器的不同开关模式，使电机的实际磁链尽可能逼近理想磁链圆，从而产生 SVPWM 波。 本文选择 TI 公司公司推出的 32 位定点 DSP芯片 TMS320F2812 作为主控芯片，用到了其中的一个事件管理器EVA，利用其自身全比较器PWM单元，产生 6 路互补 SVPWM 调制信号，输出到逆变桥驱动电路。利用其中的一个标准的 UART（异步串行通信）SCI 接口，连接到 RS485 接收器上，实现与上位机的通信；采用 9 通道的 12 位ADC，对逆变器输出的电流（3 路）、逆变器输出滤波器电容电压（3 路）及逆变器输出滤波器的电感上的电流（3 路）进行数据的采集，以供给DSP 输出 SVPWM 调制信号的调整及串口通信模块使用；看门狗定时器用于复位系统；增强型的第 3 期                             徐欣歌：一种智能三相逆变系统的设计 75CAN 模块（eCAN）作为以后扩充电源容量预留。 在 SVPWM 具体的实现上，本文采用的是“七段法”来实现 SVPWM 的输出。 2.2逆变电源驱动电路及输出电路设计 DSP 产生六路对称的 SVPWM，主要是用于控制功率开关管的导通和关断，而 DSP 管脚输出的控制信号高电平只有 3.3V，因此需要在输出功率逆变桥前面加入驱动级电路。对应于前面的SVPWM 信号的产生，逆变桥三桥臂的控制信号如图 2 所示。  图 2  逆变桥对应于 DSP 输出控制信号图 逆变桥电路的设计主要是桥电路结构的选择，同时在选定结构后，结合实际的设计需要对开关功率管进行选择。本文选择的电路结构是三相四线式的逆变桥结构，由于这种桥电路不仅具有很好的不平衡负载能力，易于控制，同时功率元件少，更重要的是，它能够很好的为以后的并联供电提供支持。逆变桥中用到 6 个开关功率管，基于元件击穿电压值、开关频率、通过电流以及成本等方面的综合考虑，本文选择三菱公司的CT60AM-18F。在考虑了 IGBT 逆变桥驱动要求后，选用 IR2132 作为驱动芯片。加上驱动级电路的逆变桥电路图如图 3 所示。  图 3  驱动级电路与逆变桥电路 经计算后，电路图 3 中的 C1-C3 选择为 0.47 µF/40 V 钽电容，D1-D3 选择为 FR307 快速回流二极管，滤波电感和电容参数分别为 600 µH 和22 µF。 本设计还加入了逆变电源的隔离电路，因为逆变电源部分可分为强电及弱电两个部分，即控制部分为弱电侧，驱动电路、逆变桥电路及 LC整流部分为强电侧。要使得弱电部分正常的输出驱动信号，必须在强电与弱电之间加入隔离电路，以防止控制电路部分器件损坏。 2.3 与数据采集相关的电路设计 本设计需要对输出滤波器的电容电压及滤波电感的电流进行采样，以作为反馈信号来控制调制信号的输出。由于DSP的AD转换电压为 3.3V，而输出的电压为正弦波，有正有负，因此在采样后，要在电路中加入一个正的电压偏置，这样才能保证不损坏处理器。本文采样电路基准芯片采用 TL431A，由它给出 Vref=3V 的偏置电压，电压检测调理电路如图 4-a 所示。逆变电源输出电感电流检测使用 LEM 公司的传感器，型号为LA58-P。由于本设计采用的 DSP 芯片的 A/D 采样是单极性的，因此在经过比例和滤波后，还要加一个直流偏置，偏置量为 A/D 转换参考电压的一半。为了防止采样电流超出 A/D 采样范围，在送入 DSP 前还需增加一级限幅电路。电流检测电路如图 4-b 所示。  图 4  电压、电流检测调理电路 所采集到的数据被送入到 DSP 中，并由 DSP根据负载的变化实时的改变电压电流双环控制的参数，调整输出的幅值系数，以使电源系统输出的电压符合设备的要求。 为了确保逆变电源系统能够稳定的运行，对机电技术                                     2011 年 6 月 76 于周围环境的温度及湿度的监测显得尤为重要。本设计用于采样的温湿度传感器为 SHT15，在每个逆变模块上均有一个芯片，而一个机房的温湿度值则是将机房内所有模块的监测温度进行均值处理后得出，在各个模块之间，采用了串行口通讯。此部分的数据被读取到 DSP 中，如果温度或湿度超过设定的值，则机组将发送两次数据到上位机后关闭输出，以保护元件。 3  逆变电源系统的软件设计 本文设计的三相逆变电源主要包括如下功能：逆变器调制波产生，逆变模块工作环境状态监测，利用串口与上位机实现通信。硬件系统软件设计包含的子程序及其功能如表 1 所示。系统整体程序框架图如图 5 所示。  图5  DSP整体程序框架图 表1 硬件系统软件中包含的子程序 子程序名称 实现功能 SVPWM产生子程序 实现SVPWM调制波的产生 ADC子程序 获得电压及电流反馈值 定时中断子程序 实现三相电压外环，电流内环控制算法 RS485通信子程序 接收上位机的命令，根据上位机请求，发送数据到上位机 4  实验结果及分析 逆变电源输出电压波形的照片如图 6 所示，其中 a 图为空载时逆变器输出波形，b 图为半载即输出电流为 5 A 时的逆变器输出波形，c 图为满载即输出电流为 10 A 时的逆变器输出波形。各次谐波的百分比，电压畸变率（THD）通过 MATLAB 2010A 仿真得到，分别为 0.473%、0.469%和0.466%。    图6  逆变器输出波形（50 V/格，5 mS/格） 由上述的实验结果中可以看出，本文设计的三相逆变电源系统基本满足原先提出的设计指标。 5  结束语 本设计主要是从三相电源的基本结构入手，选择合适的主控芯片，设计出以 SVPWM 调制方式实现的三相逆变电源，并利用瞬时值法中的电流内环电压外环反馈方式保证逆变电源输出的稳第 3 期                             徐欣歌：一种智能三相逆变系统的设计 77定，并用 LC 滤波器保证输出电源的质量。根据设计的参数，利用 DSP 开发板及手工焊接，做出单台的逆变电源并进行实验，实验结果基本达到预期目标。但是本设计并没有实现多机运行，因此也没有能实际测试多个逆变电源模块工作状况的实时反馈到上位机中。参考文献： [1] 赵晓青,罗耀华.基于DSP的三相SPWM逆变系统研究[J].应用技术,2008(7):24-26. 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一种智能三相逆变系统的设计

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