孫思雅, 向付偉, 張海亮, 王航杰, 鄭思凡

(西安科技大學(xué) 電控學(xué)院, 陜西 西安 710054)

SPWM技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用十分廣泛,同時(shí)PWM技術(shù)是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程。針對(duì)理論學(xué)習(xí)不能滿足實(shí)踐的缺陷,設(shè)計(jì)了應(yīng)用SPWM調(diào)制PI控制的逆變電源[1-3]綜合實(shí)驗(yàn)。學(xué)生首先要根據(jù)單相逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路；其次為了使逆變輸出的方波變?yōu)楣ゎl50 Hz的正弦波,需要計(jì)算并確定LC低通濾波器參數(shù)[4]；然后對(duì)逆變電源輸出進(jìn)行采樣,通過AD采樣模塊輸送至TMS320F28335控制器進(jìn)行處理,最后利用處理后的電壓有效值設(shè)計(jì)PI控制算法[5-6],實(shí)現(xiàn)逆變電源的恒壓輸出。課程中需要學(xué)生將理論設(shè)計(jì)制作成實(shí)物,組裝并上電調(diào)試,最終使逆變頻率和電壓基本穩(wěn)定,達(dá)到逆變要求。

綜合實(shí)驗(yàn)課程能加深學(xué)生對(duì)電力電子技術(shù)中DC-AC變換、SPWM調(diào)制原理、PI調(diào)節(jié)原理等基本知識(shí)的理解。學(xué)生將所學(xué)的零碎知識(shí)運(yùn)用在實(shí)驗(yàn)中,將知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)地整理,起到了強(qiáng)化知識(shí)的目的。此實(shí)驗(yàn)過程完全由學(xué)生自主設(shè)計(jì),對(duì)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和解決問題的能力起到了積極的作用。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

SPWM調(diào)制PI控制的單相逆變電源能夠?qū)崿F(xiàn)將直流電信號(hào)轉(zhuǎn)化為交流電信號(hào)。方案中主控制器采用TMS320F28335,將直流穩(wěn)壓源電信號(hào)接入單相逆變橋,經(jīng)LC濾波器輸出給負(fù)載；DL-PT2021H精密電壓互感器對(duì)輸出電壓采樣,采樣信號(hào)由AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器傳輸至TMS320F28335控制器；設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)SPWM波的占空比,調(diào)制后的SPWM波經(jīng)高速光耦6N139和驅(qū)動(dòng)器IR2110驅(qū)動(dòng)開關(guān)管,實(shí)現(xiàn)逆變電源工頻50 Hz和恒壓輸出功能。逆變電壓有效值、占空比和調(diào)節(jié)系數(shù)由液晶屏LCD12864顯示。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 單相逆變電路分析

單相逆變電源[7-8]的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單相逆變電源主電路

直流側(cè)并聯(lián)電容C1,其目的是提供穩(wěn)定直流電壓和抑制尖峰電壓；4支功率開關(guān)管選用IRF540,并聯(lián)二極管選用快速恢復(fù)型FR207,二極管作用是為無功電流提供流通回路,以起到續(xù)流的作用；開關(guān)管GS極并聯(lián)10 K電阻,其作用是給功率開關(guān)管的等效電容提供放電通道；輸出端接入LC低通濾波器,濾除逆變輸出的高頻諧波,實(shí)現(xiàn)工頻50 Hz輸出。其中全橋逆變電路在工作時(shí)需要注意：SPWM調(diào)制波上升下降沿,需加入死區(qū),其目的是避免同一橋臂2支開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通造成電源短路故障,根據(jù)IRF540數(shù)據(jù)手冊(cè)死區(qū)時(shí)間可設(shè)置為100 ns。

1.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及計(jì)算

驅(qū)動(dòng)電路由高速光耦合驅(qū)動(dòng)模塊組成,如圖3所示。高速光耦型號(hào)為6N139、驅(qū)動(dòng)芯片型號(hào)為IR2110。R1、R2為限流電阻,R3、R4為上拉電阻,C1、C2、C3、C4和C5為濾波電容,R5、R6為驅(qū)動(dòng)電阻,C6為自舉電容,D7為自舉二極管。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路

根據(jù)6N139數(shù)據(jù)手冊(cè)計(jì)算參數(shù),2號(hào)引腳輸入電流IF<20 mA,6號(hào)引腳輸出電流IO<60 mA,EPWM引腳輸入為3.3 V,光耦供電電壓為5 V。

Ω

(1)

(2)

根據(jù)以上計(jì)算值選取,R1=330 Ω,R3=330 Ω。

由IR2110數(shù)據(jù)手冊(cè)可知,VOFFSET-MAX=500 V,VBSUV+=8.6 V,VBSUV-=8.2 V。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)電路分析,自舉電容C6電壓大于8.6 V才能驅(qū)動(dòng)MOS管。為了使兩路PWM工作在互補(bǔ)方式,電容選取非常重要,通常選用濾波效果好、漏電流較小的鉭電容,自舉二極管作用給自舉電容C6充電。為了減小損耗,通常選用反向漏電流較小的快速恢復(fù)二極管,驅(qū)動(dòng)電阻選擇R5=5 Ω。

IRF540充分導(dǎo)通時(shí)所需的柵極電荷Qg=104 nC(由數(shù)據(jù)手冊(cè)查得),Vcc=15 V。

(3)

式中：Vcc驅(qū)動(dòng)器供電電壓,V1為自舉電容驅(qū)動(dòng)開關(guān)管所需電壓；V2為回路電壓降。

結(jié)合理論計(jì)算值和實(shí)際測試自舉電容取值為3.3 μF。

1.3 LC濾波參數(shù)計(jì)算

由于逆變電源以高頻SPWM方式工作,輸出為高頻方波。LC低通濾波器[9]的作用是濾除高次諧波分量,使輸出波形接近正弦波。對(duì)LC低通濾波器分析如下：

LC低通濾波器傳遞函數(shù)為：

(4)

5f1

f1為基波頻率。

逆變電源輸入直流電壓Udc=24 V,輸出電壓有效值U0=16 V,占空比D按正弦規(guī)律變化,SPWM工作頻率fc=30 kHz,Io為輸出電流,設(shè)電感峰值電流約為1.2Io,Ton為開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間,L為濾波器電感量,R為負(fù)載電阻。于是得：

(5)

由式(5)得：

(6)

文中設(shè)計(jì)逆變輸出功率24 W,式(6)可得,輸出電壓越小,需要電感越大,假設(shè)輸出電壓取U0=0.5Udc,假設(shè)最小負(fù)載為滿載的15%，則：

Ω

(7)

將數(shù)據(jù)代入公式(6)中,計(jì)算電感量L為：

(8)

綜合考慮截止頻率取fL=450 Hz。

由諧振角頻率可計(jì)算電容值C為：

=1.25×10-4F

(9)

結(jié)合理論值和實(shí)際測試LC濾波器參數(shù)選擇L=1 mH,C=120 μF。

1.4 PI閉環(huán)控制分析

為了實(shí)現(xiàn)逆變電源的恒壓輸出,設(shè)計(jì)采用PI閉環(huán)控制。其中逆變器的閉環(huán)控制方法有電壓有效值單閉環(huán)控制、電壓瞬時(shí)值單閉環(huán)控制、電壓電流雙閉環(huán)控制,為了簡化控制方案,文中選用電壓有效值單閉環(huán)控制。將利用采樣的有效值實(shí)現(xiàn)PI算法的設(shè)計(jì),使輸出電壓有效值恒定且可調(diào)節(jié)。逆變電源控制框圖如圖4所示。

圖4 電壓有效值單閉環(huán)控制框圖

電壓單閉環(huán)PI調(diào)節(jié)原理[10]：在一個(gè)正弦周期中,對(duì)電壓瞬時(shí)值的若干個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算得到電壓有效值,將正弦電壓有效參考值與采樣得到的有效值相減,得到偏差值,利用偏差值進(jìn)行數(shù)字PI調(diào)節(jié),并改變調(diào)制度M的大小,最終實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。

PI控制在逆變器閉環(huán)控制中最為常見,其輸出量為：

(10)

將公式(10)離散處理,第n拍的輸出為：

(11)

令積分項(xiàng)第n拍的輸出為：

ui(n)=ki×T×e(n)-ui(n-1)

則離散后n拍的輸出為：

u(n)=kpe(n)+ui(n)

(12)

由式(12)可得,系統(tǒng)第n-1拍的輸出為：

u(k-1)=kpe(n-1)+ui(n-1)

(13)

則

Δu(n)=kpe(n)-e(n-1)+ki×T×e(n)

(14)

PI算法常采用增量式控制算法,系統(tǒng)當(dāng)前輸出與上拍輸出之間的偏差只與前一拍值e(n-1)和當(dāng)前值e(n) 有關(guān)。系統(tǒng)輸出偏差與上拍輸出值相加即可得到當(dāng)前輸出值。

u(n)=u(n-1)+Δu(n)

(15)

2 控制算法流程圖

軟件開發(fā)環(huán)境使用CCS6.1,仿真器使用XDS100V3。軟件控制直接關(guān)系到輸出交流電壓電流信號(hào)的質(zhì)量,為了得到平滑、穩(wěn)定、安全的單相正弦信號(hào),將程序分為主程序、SPWM生成程序和采樣程序、電壓外環(huán)PI控制4大部分。采集到的電壓電流信號(hào)由A/D采樣程序處理,把處理后的信息用于SPWM的生成[11-12],使整個(gè)系統(tǒng)處于閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)?？刂浦鞒绦蛄鞒虉D如圖5所示。

圖5 程序流程圖

單相逆變電源共需產(chǎn)生4路EPWM波控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷,根據(jù)載波頻率fc=30 kHz和fr=50 Hz,計(jì)算給出TBPRD=1250和數(shù)組SinTable[i],通過比較TBCTR與SinTable[i]的值,控制PWM端口輸出電平。由與功率開關(guān)管開通關(guān)斷有一定的延時(shí),所以在PWM波的上升沿和下降沿加入死區(qū)DBRED=5,DBFED=5。

設(shè)置

EPwmxRegs.TBCTL.bit.HSPCLKDIV=0,

EPwmxRegs.TBCTL.bit.CLKDIV=1。

(16)

TBPRD計(jì)數(shù)方式為增減計(jì)數(shù)模式,TBPRD=1250,其周期為

Tc=(2×TBPRD)×TTBCLK=0.0333 ms

調(diào)制信號(hào)周期為

Tr=0.0333×600=20 ms

3 硬件測試結(jié)果

3.1 硬件連接及波形測試

硬件模塊焊接完畢后,進(jìn)行單相逆變電源組裝調(diào)試。硬件主要由以下幾部分組成,即TMS320F28335主控制器、驅(qū)動(dòng)電路板、逆變主電路板、電壓采樣電路板、直流電壓源和負(fù)載。將各模塊連接完畢后,檢測無誤后,進(jìn)行上電測試,其硬件連接見圖6。調(diào)試過程中,通過改變電壓給定值和PI控制算法,實(shí)現(xiàn)逆變電源恒壓和工頻正弦信號(hào)輸出。其輸出逆變波形見圖7。

圖6 實(shí)物連接圖

圖7 測試波形圖

3.2 測試數(shù)據(jù)

在測試中,選擇了2種工作模式,即開環(huán)工作模式和閉環(huán)工作模式。開環(huán)空載測試結(jié)果如表1所示,閉環(huán)測試時(shí),負(fù)載電阻50 Ω,測試結(jié)果如表2所示。

表1 開環(huán)測試數(shù)據(jù)

表2 閉環(huán)測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

采用TMS320F28335作為控制器設(shè)計(jì)的單相逆變電源,雖然提高了逆變電源輸出的波形精度,但是距離實(shí)際應(yīng)用還需很大改進(jìn)。需要改進(jìn)的地方有幾點(diǎn)：

(1) SPWM生成程序需要進(jìn)一步優(yōu)化。

(2) LC濾波參數(shù)和負(fù)載的參數(shù)需進(jìn)一步優(yōu)化。

(3) 逆變電源還需保護(hù)電路,以提高工作可靠性。

通過綜合實(shí)驗(yàn),可以使學(xué)生發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性,培養(yǎng)以下能力：

(1) 學(xué)生設(shè)計(jì)電路圖和運(yùn)用知識(shí)的能力。

(2) 學(xué)生設(shè)計(jì)產(chǎn)品的基本能力。

(3) 學(xué)生解決實(shí)際問題能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

學(xué)生解決實(shí)際問題能力顯著提高,緩解了學(xué)生就業(yè)難的問題,電氣專業(yè)已成為學(xué)校報(bào)考熱門專業(yè)。