应用SPWM调制PI控制的逆变电源综合实验

2018-12-05孙思雅向付伟张海亮王航杰郑思凡

实验技术与管理 2018年11期

孙思雅, 向付伟, 张海亮, 王航杰, 郑思凡

(西安科技大学电控学院, 陕西西安 710054)

SPWM技术在工业生产中运用十分广泛,同时PWM技术是一门实践性较强的课程。针对理论学习不能满足实践的缺陷,设计了应用SPWM调制PI控制的逆变电源[1-3]综合实验。学生首先要根据单相逆变拓扑结构设计功率开关管的驱动电路；其次为了使逆变输出的方波变为工频50 Hz的正弦波,需要计算并确定LC低通滤波器参数[4]；然后对逆变电源输出进行采样,通过AD采样模块输送至TMS320F28335控制器进行处理,最后利用处理后的电压有效值设计PI控制算法[5-6],实现逆变电源的恒压输出。课程中需要学生将理论设计制作成实物,组装并上电调试,最终使逆变频率和电压基本稳定,达到逆变要求。

综合实验课程能加深学生对电力电子技术中DC-AC变换、SPWM调制原理、PI调节原理等基本知识的理解。学生将所学的零碎知识运用在实验中,将知识进行系统地整理,起到了强化知识的目的。此实验过程完全由学生自主设计,对培养学生动手能力和解决问题的能力起到了积极的作用。

1 实验方案设计

SPWM调制PI控制的单相逆变电源能够实现将直流电信号转化为交流电信号。方案中主控制器采用TMS320F28335,将直流稳压源电信号接入单相逆变桥,经LC滤波器输出给负载；DL-PT2021H精密电压互感器对输出电压采样,采样信号由AD模数转换器传输至TMS320F28335控制器；设计PI调节器调节SPWM波的占空比,调制后的SPWM波经高速光耦6N139和驱动器IR2110驱动开关管,实现逆变电源工频50 Hz和恒压输出功能。逆变电压有效值、占空比和调节系数由液晶屏LCD12864显示。其设计结构如图1所示。

图1 系统结构图

1.1 单相逆变电路分析

单相逆变电源[7-8]的拓扑结构如图2所示。

图2 单相逆变电源主电路

直流侧并联电容C1,其目的是提供稳定直流电压和抑制尖峰电压；4支功率开关管选用IRF540,并联二极管选用快速恢复型FR207,二极管作用是为无功电流提供流通回路,以起到续流的作用；开关管GS极并联10 K电阻,其作用是给功率开关管的等效电容提供放电通道；输出端接入LC低通滤波器,滤除逆变输出的高频谐波,实现工频50 Hz输出。其中全桥逆变电路在工作时需要注意：SPWM调制波上升下降沿,需加入死区,其目的是避免同一桥臂2支开关管同时导通造成电源短路故障,根据IRF540数据手册死区时间可设置为100 ns。

1.2 驱动电路设计及计算

驱动电路由高速光耦合驱动模块组成,如图3所示。高速光耦型号为6N139、驱动芯片型号为IR2110。R1、R2为限流电阻,R3、R4为上拉电阻,C1、C2、C3、C4和C5为滤波电容,R5、R6为驱动电阻,C6为自举电容,D7为自举二极管。

图3 驱动电路

根据6N139数据手册计算参数,2号引脚输入电流IF<20 mA,6号引脚输出电流IO<60 mA,EPWM引脚输入为3.3 V,光耦供电电压为5 V。

(1)

(2)

根据以上计算值选取,R1=330 Ω,R3=330 Ω。

由IR2110数据手册可知,VOFFSET-MAX=500 V,VBSUV+=8.6 V,VBSUV-=8.2 V。根据数据手册电路分析,自举电容C6电压大于8.6 V才能驱动MOS管。为了使两路PWM工作在互补方式,电容选取非常重要,通常选用滤波效果好、漏电流较小的钽电容,自举二极管作用给自举电容C6充电。为了减小损耗,通常选用反向漏电流较小的快速恢复二极管,驱动电阻选择R5=5 Ω。

IRF540充分导通时所需的栅极电荷Qg=104 nC(由数据手册查得),Vcc=15 V。

(3)

式中：Vcc驱动器供电电压,V1为自举电容驱动开关管所需电压；V2为回路电压降。

结合理论计算值和实际测试自举电容取值为3.3 μF。

1.3 LC滤波参数计算

由于逆变电源以高频SPWM方式工作,输出为高频方波。LC低通滤波器[9]的作用是滤除高次谐波分量,使输出波形接近正弦波。对LC低通滤波器分析如下：

LC低通滤波器传递函数为：

(4)

5f1

f1为基波频率。

逆变电源输入直流电压Udc=24 V,输出电压有效值U0=16 V,占空比D按正弦规律变化,SPWM工作频率fc=30 kHz,Io为输出电流,设电感峰值电流约为1.2Io,Ton为开关管导通时间,L为滤波器电感量,R为负载电阻。于是得：

(5)

由式(5)得：

(6)

文中设计逆变输出功率24 W,式(6)可得,输出电压越小,需要电感越大,假设输出电压取U0=0.5Udc,假设最小负载为满载的15%，则：

(7)

将数据代入公式(6)中,计算电感量L为：

(8)

综合考虑截止频率取fL=450 Hz。

由谐振角频率可计算电容值C为：

=1.25×10-4F

(9)

结合理论值和实际测试LC滤波器参数选择L=1 mH,C=120 μF。

1.4 PI闭环控制分析

为了实现逆变电源的恒压输出,设计采用PI闭环控制。其中逆变器的闭环控制方法有电压有效值单闭环控制、电压瞬时值单闭环控制、电压电流双闭环控制,为了简化控制方案,文中选用电压有效值单闭环控制。将利用采样的有效值实现PI算法的设计,使输出电压有效值恒定且可调节。逆变电源控制框图如图4所示。

图4 电压有效值单闭环控制框图

电压单闭环PI调节原理[10]：在一个正弦周期中,对电压瞬时值的若干个采样点进行计算得到电压有效值,将正弦电压有效参考值与采样得到的有效值相减,得到偏差值,利用偏差值进行数字PI调节,并改变调制度M的大小,最终实现输出电压的调节。

PI控制在逆变器闭环控制中最为常见,其输出量为：

(10)

将公式(10)离散处理,第n拍的输出为：

(11)

令积分项第n拍的输出为：

ui(n)=ki×T×e(n)-ui(n-1)

则离散后n拍的输出为：

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

(12)

由式(12)可得,系统第n-1拍的输出为：

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

(13)

则

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,系统当前输出与上拍输出之间的偏差只与前一拍值e(n-1)和当前值e(n) 有关。系统输出偏差与上拍输出值相加即可得到当前输出值。

u(n)=u(n-1)+Δu(n)

(15)

2 控制算法流程图

软件开发环境使用CCS6.1,仿真器使用XDS100V3。软件控制直接关系到输出交流电压电流信号的质量,为了得到平滑、稳定、安全的单相正弦信号,将程序分为主程序、SPWM生成程序和采样程序、电压外环PI控制4大部分。采集到的电压电流信号由A/D采样程序处理,把处理后的信息用于SPWM的生成[11-12],使整个系统处于闭环运行状态。控制主程序流程图如图5所示。

图5 程序流程图

单相逆变电源共需产生4路EPWM波控制功率开关管的导通与关断,根据载波频率fc=30 kHz和fr=50 Hz,计算给出TBPRD=1250和数组SinTable[i],通过比较TBCTR与SinTable[i]的值,控制PWM端口输出电平。由与功率开关管开通关断有一定的延时,所以在PWM波的上升沿和下降沿加入死区DBRED=5,DBFED=5。

设置

EPwmxRegs.TBCTL.bit.HSPCLKDIV=0,

EPwmxRegs.TBCTL.bit.CLKDIV=1。

(16)

TBPRD计数方式为增减计数模式,TBPRD=1250,其周期为

Tc=(2×TBPRD)×TTBCLK=0.0333 ms

调制信号周期为

Tr=0.0333×600=20 ms

3 硬件测试结果

3.1 硬件连接及波形测试

硬件模块焊接完毕后,进行单相逆变电源组装调试。硬件主要由以下几部分组成,即TMS320F28335主控制器、驱动电路板、逆变主电路板、电压采样电路板、直流电压源和负载。将各模块连接完毕后,检测无误后,进行上电测试,其硬件连接见图6。调试过程中,通过改变电压给定值和PI控制算法,实现逆变电源恒压和工频正弦信号输出。其输出逆变波形见图7。