正弦逆变器控制软件设计

    摘要：介绍单相全桥逆变器的工作原理，阐述产生SPWM波和实现PI控制的算法，给出以DSP(数字信号处理器)实现控制的软件流程。实验表明利用软件完成逆变器控制是可行的。

    关键词：正弦逆变器；控制；SPWM；PI；DSP

目前，正弦逆变器的控制通常采用模拟电路或数字电路实现。由于硬件的固有缺点和不能实施先进的控制策略，致使逆变器的性能不能极大的提高。随着高速微处理器的问世，特别是具有高速运算、处理和控制能力的DSP的出现，使得对正弦逆变器采用新的控制方法成为可能。文中将重点介绍采用DSP实现正弦逆变器控制的方法。

图1

1 全桥正弦逆变器

图1示出单相全桥逆变器的原理电路及波形。其中H桥和滤波电路完成直流到交流的变换,滤去谐波，获得交流电；控制电路完成对H桥中开关管的控制，并使输出交流电的电压、频率和波形稳定。

SPWM的生成原理及波形如图2所示。由于采用正弦波调制波(Ussintωst)与三角波载波(幅值为Uc的正三角波，频率为ωc)相交来获得SPWM波，因此，基波频率为调制波的频率，基波幅值与调制比M(M=Us/Uc)成正比关系，谐波含量少。正弦逆变器常采用SPWM控制，利用调制波控制输出波形频率，调整M来控制输出电压幅值。

工作时，H桥中Vl、V4在前半周期内以图2中的SPWM信号闭合，V2、V3断开；在后半周期内V1、V4断开，V2、V3以SPWM信号闭合。故在整个周期内H桥输出波形如图1(b)所示。这样，对该波形进行滤波，即可获得频率为ωs。，幅值正比M与调制比M的正弦交流电。

2 H桥控制方案和信号的数字化

2．1 控制方案

对逆变器的控制主要包括对SPWM的控制(即H桥开关管开关方式)和对SPWM脉宽的控制(即调整M，使输出电压稳定的反馈控制，一般采用平均电压控制技术，即PI控制)二部分。

SPWM的控制方式可分为单极性和双极性二种。在传统的单极性或双极性控制方式中，开关管均工作在高频条件下，这样虽然可以得到较理想的正弦输出电压波形，但也产生了较大的开关损耗，且频率越高，损耗越大。

图3所示的混合型单极性控制方式(HSPWM UVI～Uv4)波形分别对应图1(a)中V1～V4．开关管的驱动信号)可较好地解决这一矛盾，既能得到理想的正弦波形，又能适当地减小开关损耗。在这种工作方式下．工作在较高开关频率的2只功率管互补导通，得到理想的正弦波形，另外2只功率管工作在输出基波频率条件下，从而减小了开关损耗。

2．2 SPWM波生成数字化

图4示出采用三角波作为载波的规则采样获得的SPWM波，在三角波零峰tD时刻对正弦调制波采样得到D点，过D点作水平直线与三角波分别交于A点和B点，在A点的时刻tA和B点的时刻b间输出高电平，其他时刻输出低电平。根据三角关系，可以得出

其中σ为脉冲宽度。

逆变器控制信号中，调制波和载波频率一定，tD时刻为n倍三角波周期(n=1，2，…，N。N=Ts／Tc，N为载波比，E为正弦波周期)，如果一个周期内有Ⅳ个矩形波．则第n个矩形波的占空比D为：

2．3 PI调节器数字化

图5为模拟PI调节示意图，可以计算出

离散化后整理可得：

3 基于DSP的控制软件

实现逆变器控制主要依靠DSP的事件管理模块和A／D转换模块。事件管理模块由通用定时器f提供时间基准)、非对称／对称波形发生器、可编程的死区发生单元、输出逻辑控制单元等组成，以实现SPWM波。A／D转换模块采样输人的平均电压并转换为数字信号。

    3．1 HSPWM控制方式软件实现

如图4所示，SPWM波是用三角波和正弦波相交比较而得到的。采用DSP产生SPWM波的设置如下：

三角波的获得是将事件管理器计数模式设置为连续增减计数，其计数从0增到TxPR再减到0，其周期为2TxPR，即载波的周期为2TxPR。由于正弦波采用在线计算会影响运行速度，所以采用离线计算方法。在程序开始时．按照规则采样法计算nTe处的正弦值(即三角波和正弦波比较点的值)，并存于数组中，需要时通过中断调用该值。

SPWM波的获得是在DSP事件管理器的比较单元工作时，通用定时器的计数器TxCNI’的值与比较寄存器CMPRx的值不断进行比较。当二者匹配时，PWM电路按照输出逻辑输出二路极性相反的PWM波。在逆变器控制中，载波比固定，半个周期内输出的脉冲个数、占空比固定，TxPR值固定，形成SPWM正弦波的CMPRx的值为TxPRMsinomTc(即图4中D点正弦值)，所以，在计数器计数最大时(TxCNll-TxPR，即三角波凸点处)中断．更新CMPRx的值，就可以输出SPWM。

在图3中HSPWM控制信号Uvi与Uv2、Uv3与Uv4极性相反。在DSP中只需要两个全比较单元。如UV1与UV2控制信号，在前半周期，CMPRx设置为0，则输出相对应的高、低电平控制信号，在后半周期，利用中断更新CMPRx的值即可获得图3所示的UVI与Uv2控制信号UV3与UⅥ控制信号。同理可获得。产生HSPWM控制信号的软件流程如图6所示。

3．2 PI算法的软件

采用平均电压反馈的逆变器，需要采样输出电压的平均值。电压采样值低于3．3V可直接输入DSP的A／D通道进行转换以获得Vf(k)，再确定Kp和K1即可。

    在实际应用中，还需对PI调节器加以限制．当偏差值输入较大时，输出值会很大，可能会使输出饱和，这样对开关管有很大的冲击，而且会导致系统不稳定。所以需要对PI调节器的输出限幅，即当I u(k)

|>umax时，令u=umax或u=umin。

另外，PI控制器中积分环节的目的主要是消除静差、提高精度。但在电压大幅度变化如启动、结束时，在短时间内系统输出有很大的偏差．会造成PI运算的积分积累，从而引起较大的超调．导致系统的振荡。根据实际情况，设定阈值δ>0。当le(k)I>δ时．

图7

    采用P控制，这样可避免过大的超调，而且保持较快的响应速度。当le（k)|≤ω时，采用PI控制，可保证系统的控制精度。具体程序流程如图7所示。

4 实验及结论

以DSP控制4kW、230V、400Hz逆变器时的各部分波形如图8所示。实验结果表明，基于DSP控制的逆变器可以满足要求。