论文总字数：15080字

目 录

摘要 1

Abstract. 2

1 绪论 3

1.1 引言 3

1.2 电源技术的现状 4

2逆变电源系统的模型分析 4

2.1 PWM逆变电源的主电路组成与模型分析 5

2.2 SPWM逆变器 6

3 控制算法的设计与实现 7

3.1逆变电源的控制策略 7

3.1.1 PID控制 7

3.1.2 无差拍控制 8

3.1.3 重复控制 8

3.1.4 状态反馈控制 8

3.1.5 滑模变结构控制 8

3.1.6 智能控制 9

3.2 数字PID控制技术 9

3.2.1 滞环电流控制原理 10

3.2.2 滞环PWM系统的仿真算法 11

3.2.3 适用于逆变电源的PID控制器设计 12

4 基于DSP的逆变电源硬件和软件设计 12

4.1 基于DSP的逆变电源硬件设计 12

4.1.1 DSP控制器简介 13

4.1.2硬件电路设计 13

4.2 基于DSP的逆变电源软件设计 16

5 系统调试 18

6 结论 22

参考文献 23

致谢 24

逆变电源及数字化控制技术的研究

戚程程

, China

Abstract: Inverter is the electronic equipment which can convert DC power to AC power. This paper briefly analyzes the advantages and disadvantages of several popular digital control strategies, focused on the analysis of the control method of the combination of PID control. And this paper proposed a hardware design scheme based on TMS320F2812. This design has realized the dc voltage to the sine wave ac voltage of the inverter. This scheme adopted the full bridge inverter circuit for inverter current, using DSP to produce SPWM signal as the full bridge inverter circuit of the drive signal. The input voltage dc 12 v inverter, can get 140 v sine wave ac voltage output.

Keywords: inverter power supply; digital control technology; DSP; PID control; SPWM

1 绪论

1.1 引言

随着现代科学技术的飞速发展，人们对电能质量的要求越来越高，很多行业的用电设备都是通过各种形式对输入电能进行转变而不是用通用交流电网供电。在这些电能转换方式中，逆变是很重要的一种方式，逆变电源可以把直流电的输入转变成交流电的形式输出。

电源技术主要研究用电力电子技术控制电能的转变，它主要涉及电磁技术、现代逆变技术、计算机技术和电子技术等学科的理论，是一门综合性很强的技术。本课题主要研究逆变电和数化控制技术。

现代化的电源技术主要研究现代逆电路理论及其用。采取逆变技术有很多优点，通过控制电路回路，我们可以通过控制工作频率和它的输出时间比，从而控制输出电压或电流的频率和幅值灵活变化。

在逆变电源刚应用于使用的时候，只要求它的输出有稳定的电压和稳定的频率，并且能够保证电源输出稳定，不会轻易断电。然而，人们不仅要求逆变电源有优秀的性能，还追求环保，不对环境造成污染。性能优秀的逆变电源的要求有：

（1）稳态精度高，暂态响应快速；

（2)稳定，高效，可靠；

（3）电磁干扰低；

（4）网络功能完善；

（5）智能化。

显而易见，想要满足这些要求，需要依靠数字化控制技术。过去的逆变电源使用模拟控制技术，这种技术使用广泛，但有许多不足：

1. 硬件成本费用比较高，系统不够可靠；
2. 控制系统一致性比较差；
3. 存在热漂移和器件老化等问题，使得逆变电源输出能力变差；
4. 产品很难升级，对于同一款使用了模拟控制的逆变电源，如果不改造硬件的话，很难对其进行更新升级，每个新的逆变电源都必须重新设计，同时研究控制系统；
5. 监控能力不足，如果出现问题，想要解决问题，只能技术人员到现场亲自解决。

最近这几年，数字化控制逐渐成为当今社会的主导。由于数字信号处理器的发展，逆变电源的控制技术越来越全数字化。逆变电源使用数字控制，而不是使用模拟控制的原因有：

1. 电路结构更加简单，使硬件电路设计更加方便，同时还使系统不易受到干扰；
2. 想要改变系统控制方法的话，只要改变系统程序，更易于设计和制造，不需要改变系统的硬件电路，使设计研制时间更短；
3. 能够采取更加优秀的控制方法，使逆变电源的性能更高；
4. 控制系统比较可靠，有效减少发生模拟元件的漂移的概率；
5. 方便系统维护，甚至还能通过网络远程服务；
6. 方便将几个逆变电源模块并联组成更加可靠的逆变电源系统。

由此可见，逆变电源的研究方向将是数字化控制。不过，在想要实现数字化也存在着许多挑战，对它的控制存在着以下这些困难：

1. 逆变电源的输出控制和通常的开关电源的常值控制不一样，它要模拟输出一个正弦规律变化的信号。在闭环控制的环境下，给定信号与反馈信号的时间之间有明显的差值，也就是相位差。这个差与系统的负载有关，这就导致了更加难以设计控制器。
2. 数字化的PWM控制信号输出会有一个周期的时间无法对系统进行控制，通常在每个周期开始的时候或者上个周期结束的时候得到这一次的脉冲宽度。如果此时的系统产生了变化，就只能够在下个周期调节脉冲宽度。
3. 逆变电源的输出端加载的滤波电路对电源系统有巨大影响，输入电压以及负载十分容易发生变化，这些因素的变化让被控系统变得十分复杂，导致系统模型难以被确定。

因为逆变电源的数字化控制有着如此多的优异表现，同时又存在这些大大小小的问题，它才在世界范围内吸引了广泛的关注。

1.2 电源技术的现状

如今市场上使用范围较广的电源主要有：

（1）电解、电镀电源

电解、电镀电源的输出电流以及输出电压比较稳定。这种电源是采用大功率整流设备输出直流电能提供给系统用作电解，同时采用了晶闸管来获得稳定的输出电流，使用有载调压加饱和电抗器来获得稳定的输出电流和输出电压。

1. 高频逆变式整流焊机电源

焊机电源要求性能优越、效率高效、能够适应各种恶劣的环境，因此它的工作可靠性非常高。

1. 中频感应加热电源

该种电源广泛使用在金属熔炼、透热管及表面淬火等场所。目前国内仍然使用快速或高频晶闸管技术，和国际水平相比差距仍然十分大，需要我们的努力才能赶上国际水平。

1. 正弦波逆变电源

该种电源要求输出有稳定的电压和稳定的频率，同时要求输出电压波形失真度低。该种逆变电源输出的电压精度非常高，波形质量很高，同时能在各种负载情况下工作。

（5）大功率高频高压直流电源

该种电源应用同样十分广泛，如医疗方面的X光机等仪器。工业上的用于污水处理，环保的静电除尘等。科研上的等离子体物理、高能物理等。军事上用于雷达发射器等。

2逆变电源系统的模型分析

2.1 PWM逆变电源的主电路组成与模型分析

逆变电源与整流电路相对应，它可以将直流电压转化成交流电压。同时这种电路有多种结构类型，主要有半桥型、全桥型和推挽型等。本文里主要讨论单相全桥逆变电路，这种单相全桥逆变电路的主电路结构如图2-1所示，主要由全桥逆变器、滤波器加上负载组成。图2-1中的Q1～Q4是功率管，D1～D4是续流二极管，U是负载电阻R的电压，Un是逆变器的输出，Ud是直流母线电压，L是滤波电感，C是滤波电容，r是电感的等效电阻，在这里，我们假设变压器变比为1：1，且忽略电容的寄生电阻^[1]。

图2-1 逆变电源主电路结构图

图2-1中的Q1和Q4具有一样的驱动信号，Q2和Q3有一样的驱动信号，当这两组功率管交替地导通和关断时，输出的脉冲电压的幅值分别为Ud和-Ud。设变量是S_i^*，S_i^*=1表示Q1、Q4导通，Q2、Q3关断。S_i^*=0表示Q2、Q3导通，Q1、Q4关断，那么逆变器的输出为：

"Un = Ud(2S_i^{* "} -1) (2.1)

逆变电源系统使用PWM方式产生逆变桥的开关信号。在超调之前，调制波全部的信息都包含在PWM脉冲电压的频谱里，只是多了集中于开关频率次周围的高频分量。是高频载波，是调制波，是载波周期，是对应开关导通时间。

当的频率远小于载波频率时，可以把每个开关周期的调制波信号看作是一个常值，易得：

(2.2)

其中 是载波峰值。

逆变电源的主电路中的各的工作状态只能是导通或者关断。逆变电路是非线性系统，而开关管各个工作状态中，是连续系统，所以可以等效成线性系统。这里用了状态空间平均法，这种平均法是指在截止频率远小于开关频率的时候，在每个周期里能够用持续变量的平均值来表示它的瞬时值，这样可以取得线性的平均模型，用这种方法取平均，计算可知逆变桥开环变量S_i^*的均值是：

（2.3）

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