基于DSP逆變電源的設計

霍國存

（山西焦煤霍州煤電集團有限責任公司，山西 霍州 031400）

0 引言

隨著電力電子技術的飛速發展和逆變技術在許多領域的廣泛應用，人們對逆變電源性能的要求，不僅要有很好的輸出波形質量，而且對其穩態、動態性能的要求也日益提高。逆變器輸出波形質量主要包括三方面:一是穩態精度要高；二是動態性能要好；三是電路結構和控制方法要簡單優良。筆者提出了一種適用于5kVA電力專用UPS中的基于DSP控制的逆變電源系統。該系統可將190～286V的直流電轉換成50Hz、220V的穩定交流電。在控制方案上采用重復控制與PI雙閉環控制相結合的方法，其中重復控制能夠很好地解決逆變輸出的穩態性能；而PI控制有很好的動態調節能力，同時DSP控制芯片又有很高的數據處理能力以及豐富的接口電路，方便了系統的設計，同時也降低了開發成本和周期。

1 系統結構

圖1是逆變電源系統的結構。該系統采用單相全橋逆變電路，選擇IGBT作為主控器件。控制回路由DSP控制芯片電路、采樣電路、驅動電路、輔助電源電路等構成。其中DSP控制芯片電路是系統的核心，可產生SPWM波形控制信號，從而控制驅動電路完成IGBT主控器件的驅動，同時監控逆變電源輸出電壓，并通過采樣電路實現電源的閉環控制。

2 系統主電路

系統主電路如圖2所示。采用電壓型逆變電路，換向在同橋臂開關管之間進行，可以通過控制輸出電壓的幅值和波形來控制其輸出電壓。

系統的開關元件選擇某公司生產的六單元L系列IGBT模塊。若直流輸入電壓范圍為190～286V，則加在逆變器上的最大電壓為：

式中：KA=1.5，過載因數；KR=1.2，安全系數；PNV—逆變輸出功率（W）；UNV=220（1-1%）V。 又：

由式（1）、 式（2）可得：

考慮到系統的安全性和工作的可靠性，在選擇模塊時留有一定的余量，最終選擇100A/600V的逆變模塊，其型號PM100CLA060，開關頻率為20kHz。主電路中由L1、C2構成的低通濾波器又叫常數K型Γ型低通濾波器，為了使濾波的濾波效果更好，根據系統要求取L1、C2的值分別為1mH、30μF。

3 控制電路及工作原理

控制電路以TMS320F2812數字信號處理芯片為核心并充分利用其硬件資源，如PWM管腳的輸出用于驅動信號；ADC采集口用來進行模擬量和數字量的轉換；CAP捕獲引腳用來檢測頻率和相位等，從而完成波形的產生、控制算法的實現及數據處理等功能。

3.1 采樣電路

由于系統為實時控制系統，對采樣的精度和快速性要求比較高，所以采用電壓、電流傳感器來得到低壓信號。直流檢測使用霍爾傳感器LV25；交流檢測使用交流傳感器SPT204A，其電路如圖3、4所示。

3.2 頻率、相位檢測調理電路

由于設計的是UPS中的逆變器，要想實現市電輸入與逆變器輸出之間的準確切換，對市電和逆變器輸出電壓的頻率和相位的檢測是必不可少的。其檢測電路如圖5所示。圖中U1及其外圍元件構成放大環節，可將檢測到的電壓信號進行放大；U2及其外圍元件構成比較電路。

當輸入的電壓低于或高于某一電壓值（一般設置為0V）時，LM339的輸出就會反轉。所以LM339的輸出為高、低電平，DSP通過對高、低電平在一個工頻周期內的計數，即可計算出輸入電壓的頻率，同時也可得到對應的相位。如果逆變器輸出電壓的頻率和相位與市電電壓的頻率和相位的差值在規定的范圍內，便可以進行切換，否則不能進行切換。

由于電壓傳感器的使用會使檢測到的相位偏離輸入電壓的相位，這將對UPS系統在切換時產生影響，嚴重時可使系統受到破壞。為了解決該問題，電路中用電容C7和可調電阻RP1構成相位補償電路，從而消除相位偏離的問題。

3.3 IPM驅動電路

驅動電路采用智能功率IPM模塊。該模塊集成了IGBT的柵極驅動電路、故障檢測和保護電路等。

來自DSP的SPWM信號經過限流電阻R，再經高速光耦隔離放大后送入IPM內部驅動電路并控制開關管工作。IPM中的FO引腳通過低速光耦連接到DSP的PDP INT引腳，當該引腳為低電平時，DSP發出中斷指令，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設置為高阻態，此時沒有PWM信號的輸出，從而達到保護的功能。

4 軟件設計

軟件設計采用C語言和匯編語言相結合的方式，主要完成PI雙閉環控制、重復控制、A/D轉換、SPWM脈沖的生成等。主程序主要完成系統的初始化、協調和控制其他子程序模塊的任務。PI控制模塊完成電壓、電流的雙閉環控制功能，使輸出電壓、電流穩定在設定值上，重復控制模塊可將反饋回來的電壓或電流信號與給定值求差，得到當前誤差量，此誤差量和上周期輸出量的和作為本周期的輸出，即每隔一個周期輸出量獲得一次累加，當累加到一定值時，重復控制器開始作用，直到輸出的波形，達到設計的要求，重復控制器停止調節。SPWM脈沖生成模塊可產生規定的正弦波。A/D轉換模塊將采樣的模擬信號轉換為數字信號。

5 仿真分析

應用Matlab的動態仿真工具Simulink對系統進行仿真，仿真模型參數：直流電壓UDC=280V、逆變額定輸出電壓UO=220V、輸出頻率f=50Hz、濾波電容C2=30μF、濾波電感L1=1mH、負載RL=5Ω、開關管的頻率f=10kHz；內環 KpI=4.49×10-4、 KiI=5.63；外環 KpO=0.0936、KiO=57.8448。 重復控制器的各參數 Q（z）=0.95、N=200、k=4。

仿真結果顯示，該系統可獲得50Hz的220V的穩定交流電，且系統動態響應快，超調量小，穩態誤差較小，逆變輸出電壓波形的總諧波失真THD小于3%，能夠滿足5kVA電力專用UPS中逆變電源系統的使用要求。

6 結論

逆變電源系統可將190～286V的直流電轉換成50Hz的220 V的穩定交流電，并有較好的穩、動態性能。各電路設計結構簡單、可靠性高、成本低，達到了5kVA電力專用UPS中逆變電源系統的使用要求。

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