王 磊，劉瑞安，梁 斌，路敦強(qiáng)，張咪咪

（天津師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，天津 300387）

DSC控制的SVPWM單相逆變系統(tǒng)研究

王 磊，劉瑞安，梁 斌，路敦強(qiáng)，張咪咪

（天津師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，天津 300387）

由于SVPWM技術(shù)具有直流電利用率高、場效應(yīng)管損耗小且易于數(shù)字控制等優(yōu)點(diǎn)，將其引入到由DSC控制的單相逆變系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)高速動、靜態(tài)響應(yīng)特性的AC輸出.DSC運(yùn)用ePWM模塊產(chǎn)生帶死區(qū)控制的SVPWM信號，通過高壓驅(qū)動芯片IR2110調(diào)制單相H型逆變橋的輸出交流電，控制器通過高速PID進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，利用eCAP進(jìn)行相位跟蹤調(diào)控，使系統(tǒng)達(dá)到具有自適應(yīng)能力的瞬時穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)效果.

空間矢量脈寬調(diào)制；數(shù)字信號控制器；單相逆變系統(tǒng)；IR2110

現(xiàn)有中小功率逆變器的輸出電壓波形多為方波或修正正弦波，波形失真嚴(yán)重，不能為感性負(fù)載、容性負(fù)載和精密儀器等供電，容易導(dǎo)致儀器輸出誤差甚至損壞，且不利于逆變器的穩(wěn)定并網(wǎng)輸出.此外，當(dāng)前逆變技術(shù)已進(jìn)入實(shí)時反饋控制階段［1］，該技術(shù)是針對模擬控制晶閘管和數(shù)字控制自關(guān)斷器件中逆變電源對非線性負(fù)載的適應(yīng)性弱、動態(tài)特性差等缺點(diǎn)提出的.本研究所設(shè)計(jì)的逆變電源系統(tǒng)針對光伏逆變并網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，將光伏電池產(chǎn)生的低壓直流電轉(zhuǎn)換為與市用電網(wǎng)同頻同相的單相交流電.

本設(shè)計(jì)將空間矢量脈寬調(diào)制（Space－vector Pulse Width Modulation，SVPWM）技術(shù)引入到由數(shù)字信號控制器（Digital Signal Controller，DSC）控制的單相逆變器中，SVPWM技術(shù)具有直流電壓利用率高、場效應(yīng)管損耗小、輸出電壓／電流的諧波含量低和利于數(shù)字控制等優(yōu)點(diǎn)，可以有效提高逆變器的轉(zhuǎn)換效率和輸出波形效果.通過分離積分PID（Proportion Integration Differentiation，PID）算法和相位檢測技術(shù)，本研究實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)輸出的瞬時反饋調(diào)節(jié)，提高了逆變系統(tǒng)的實(shí)時響應(yīng)能力.

1 單相SVPWM的原理與實(shí)現(xiàn)

1.1 單相SVPWM的原理

單相SVPWM技術(shù)源于三相電機(jī)的空間矢量控制技術(shù)，三相SVPWM將A－B－C三維坐標(biāo)系經(jīng)過CLARKE變換到α－β二維坐標(biāo)系，得到兩相正交的矢量.以電流的CLARKE變換為例，其轉(zhuǎn)換過程如下：

式（1）中，i0＝0，經(jīng)過坐標(biāo)變換后可根據(jù)三相電壓計(jì)算出α－β坐標(biāo)系的參考電壓矢量Uout，且Uout的幅值即是在α－β坐標(biāo)系下線電壓的有效值.

在三相逆變電源中，SVPWM技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是通過適當(dāng)組合基本空間矢量的開關(guān)狀態(tài)來近似參考電壓Uout，從而模擬正弦波的輸出.在實(shí)際應(yīng)用中，在一個較小的載波PWM周期T內(nèi)，由數(shù)字控制器計(jì)算出逆變輸出的導(dǎo)通電平持續(xù)時間，并經(jīng)過積分運(yùn)算求出實(shí)際值來擬合成平均值作為平均參考電壓值Uout［2］：

式（2）中，T1和T2分別表示同相功率開關(guān)管上橋臂UX和下橋臂UX＋60閉合狀態(tài)的持續(xù)時間.工程應(yīng)用中，T相對于Uout的變化速度需非常小，且T1＋T2＜T.

實(shí)際系統(tǒng)中，單相逆變橋比三相逆變橋少一對功率開關(guān)管.vAB表示H橋輸出端A點(diǎn)到B點(diǎn)的單相交流電電壓，νBA則為反方向測量結(jié)果，a與b表示H橋上兩個上臂開關(guān)的控制信號，則矩陣形式表示如下：

式（3）中，Udc為輸出母線直流電壓.電壓矢量v＝（vAB，vBA）T在單軸空間構(gòu)成4個離散電壓矢量，其中2個電壓矢量的有效值始終為0.類似于三相SVPWM的過程，單相SVPWM可通過調(diào)制2對開關(guān)管的PWM占空比來決定余下2個離散電壓矢量的有效值，以獲得對應(yīng)的脈沖電壓，再經(jīng)過積分濾波得到實(shí)際的正弦波電壓.

式（4）中，N為逆變器中高頻變壓器的升壓比，n為半個交流電周期內(nèi)PWM的脈沖個數(shù)，Tia和Tib為每個PWM周期內(nèi)2對開關(guān)管導(dǎo)通的時間.

1.2 單相SVPWM算法的實(shí)現(xiàn)與改進(jìn)

DSC中的定時器可以使用遞增或遞減的計(jì)數(shù)模式，a點(diǎn)和b點(diǎn)同步輸出雙邊對稱波形.在PWM周期T固定的前提下，通過修改定時器比較寄存器Ta和Tb來決定T0和T1，如圖1（a）所示，最終修改輸出波形vAB的脈沖占空比以決定電壓矢量的有效值.

圖1 單相SVPWM波形分析Figure 1 Analysis of single－phase SVPWM signal

在相同載波頻率下，經(jīng)過開關(guān)模式優(yōu)化后的單相SVPWM波從波形角度分析較類似于同頻的SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）波形.因?yàn)镾VPWM算法是一種在利用規(guī)則采樣法得到的SPWM的相調(diào)制模式中加入零序分量后得到的結(jié)果，所以二者在諧波的大致方向上是類似的.而從頻譜角度分析，單相SVPWM的諧波特性要優(yōu)于同頻的SPWM波形.

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件框圖

本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Figure 2 Hardware structure of system

2.2 DSC控制模塊

本系統(tǒng)采用德州儀器公司（Texas Instruments）的TMS320F2806型數(shù)字信號控制器（DSC）作為數(shù)字控制的核心，該芯片具有豐富的硬件資源，運(yùn)行速度最高達(dá)100MIPS，與數(shù)字信號處理器（DSP）相比具有成本低、外圍器件少和功能模塊專用等優(yōu)點(diǎn).

DSC內(nèi)置有增強(qiáng)捕捉單元（Enhanced Capture Module，eCAP）模塊，系統(tǒng)使用由其集成的邊沿檢測單元來檢測輸出交流電的相位與頻率.其工作流程如下：由高頻升壓變壓器的副次級線圈產(chǎn)生的高頻弱交流信號經(jīng)LC電路濾波后，再分壓采樣得到弱交流信號，由比較器對該信號和零電位進(jìn)行電壓比較，比較器產(chǎn)生的脈沖信號送至DSC的ECAP1管腳進(jìn)行相位和頻率檢測.捕捉定時器（CAP1／CAP2）依據(jù)時鐘分頻信號運(yùn)行，當(dāng)捕捉到信號上升沿電平CEVT1（或下降沿電平CEVT2）時，將捕捉定時器值鎖存到捕捉周期寄存器（MOD4_CTR）中，以獲取2個時間標(biāo)簽并計(jì)算出時間差，即為輸出交流電壓的半周期，再由CPU讀取周期信號并作相應(yīng)的相位反饋調(diào)整.運(yùn)用相位實(shí)時監(jiān)控跟蹤，可自適應(yīng)調(diào)節(jié)輸出交流電相位［4］，有利于逆變器進(jìn)一步并網(wǎng)輸出.

2.3 逆變電路結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的逆變電路結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 逆變橋驅(qū)動電路圖Figure 3 Drive circuit of inverter

在H橋電路中，由于上橋臂驅(qū)動電壓的參考點(diǎn)電壓通常較高，高電位端的常規(guī)晶體管電路驅(qū)動通常不穩(wěn)定.為了提高工作穩(wěn)定性，系統(tǒng)使用IR2110芯片來間接驅(qū)動開關(guān)管.IR2110是高速、高壓、功率型開關(guān)管專用驅(qū)動芯片，擁有2個互相獨(dú)立的高低電平驅(qū)動信道，最高驅(qū)動電壓可達(dá)600V，對于大范圍跳變的源極電壓具有良好的適應(yīng)性.芯片利用由外部電容和快恢復(fù)二極管構(gòu)成的高端懸浮自舉電源電路充電蓄能，觸發(fā)控制信號后，在高電位端釋放懸浮態(tài)高電壓，并以尖脈沖的形式向場效應(yīng)管的柵極饋送電荷，最終驅(qū)動上橋臂場效應(yīng)管的導(dǎo)通與關(guān)斷.

系統(tǒng)中使用CSA－1V（可編程霍爾電流傳感器芯片）進(jìn)行非接觸電流檢測.該芯片利用傳統(tǒng)CMOS工藝制作，其硅基片內(nèi)有一層鐵磁體工藝層用于電磁感應(yīng)信號檢測，外部電流感生出的磁通量變化經(jīng)運(yùn)算增益放大后以差分電壓的形式輸出.在PCB布線時，逆變橋的2個下橋臂MOSFET（Q2和Q4）的源極管腳接地線（覆銅箔）以2.5mm的線寬從CSA－1V底部布過，如圖4所示.其輸出的電壓信號經(jīng)CA3140組成的差分運(yùn)放電路放大后接入DSC的ADCINB0管腳進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換以測出直流電流，隨后根據(jù)升壓比換算成交流端電流.該方法利用霍爾效應(yīng)檢測地線流過的大電流，無需光耦等隔離措施，有利于減小成本和體積.采用該方法輸出端電流的采樣實(shí)際檢測精度穩(wěn)定在5mA以內(nèi).

圖4 在PCB中電流檢測的布線方法Figure 4 Writing method of current detection in printed circuit board

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 單相SVPWM在DSC上的調(diào)制輸出

圖5 單相SVPWM信號波形Figure 5 Waveform of single－phase SVPWM signalvAB

以上半周期為例對ePWM主要寄存器進(jìn)行設(shè)置，如式（5）：

式（5）中，M（≤1）為脈寬調(diào)制度，T1可通過查詢燒錄在F2806程序存儲空間中的正弦數(shù)據(jù)表獲取.

為了防止同側(cè)上下橋臂的開關(guān)管同時導(dǎo)通，系統(tǒng)中使用了ePWM模塊自帶的可編程死區(qū)控制單元.在DSC中使能DBCTL［OUT－MODE］控制位，配置為輸出模式，確定對輸出PWM信號進(jìn)行邊沿延時處理［5］.通過死區(qū)控制可以避免因開關(guān)管同時導(dǎo)通而導(dǎo)致的短路現(xiàn)象，提高了逆變器的穩(wěn)定性.

3.2 PID調(diào)節(jié)算法的引入

逆變器通過PID算法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)字閉環(huán)調(diào)節(jié)［6］，運(yùn)用DSC高速運(yùn)算特性實(shí)現(xiàn)了逆變電源的實(shí)時反饋調(diào)節(jié)，有效提高了逆變器的瞬時帶載能力.

由變壓器副次級線圈感生出的高頻交流電信號經(jīng)LC電路濾波后成為與負(fù)載端同相位的50Hz弱低頻交流電信號，在接入ADCINA0管腳經(jīng)DSC內(nèi)部采樣保持電路穩(wěn)定后，由可編程的模／數(shù)轉(zhuǎn)換單元將模擬電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量.高頻交流電信號作為系統(tǒng)變壓器主次級線圈輸出交流電壓的瞬時反饋值，并通過進(jìn)一步的PID調(diào)節(jié)獲到最優(yōu)化的輸出正弦電壓波形.

在逆變器開機(jī)啟動瞬間或負(fù)載功率突變時，輸出功率的不確定易導(dǎo)致電壓的不穩(wěn)定，為此，DSC

式（6）中，Kp為比例系數(shù)；Ke表示積分分離的閥值；Ki為積分時間常數(shù)；Kd為微分時間常數(shù)；T代表采樣周期；e（k）和e（jT）為輸入?yún)?shù)；u（k）為輸出參數(shù)，用作SVPWM中脈寬調(diào)制度的參考值.

F2806運(yùn)用PID調(diào)節(jié)可有效減少因負(fù)載非線性變化所導(dǎo)致的輸出電壓波形畸變情況的發(fā)生，當(dāng)負(fù)載突變時，逆變器的輸出電壓具有調(diào)整時間短和動態(tài)特性良好等優(yōu)點(diǎn).

3.3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示.采用分離積分的PID控制算法來解決系統(tǒng)啟動和負(fù)載功率突變引起的大范圍電壓振蕩，如式（6）所示.進(jìn)行分離積分PID運(yùn)算時，由于比例、微分調(diào)節(jié)因素權(quán)重增大，系統(tǒng)可快速接近功率調(diào)節(jié)平衡點(diǎn).當(dāng)系統(tǒng)輸出達(dá)到穩(wěn)定后，再引入積分作用，既可以消減穩(wěn)態(tài)偏差，亦能避免較大的退飽和超頻，改善系統(tǒng)響應(yīng)和控制質(zhì)量.積分分離PID控制算法可表示為：

圖6 程序流程圖Figure 6 Flow chart of pragram

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證系統(tǒng)的瞬時穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)能力，在由MOSFET構(gòu)建的逆變橋?qū)嶒?yàn)電路中，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為：濾波電感L＝1.8mH，濾波電容C＝22μF，輸入直流電壓Udc＝24V，脈寬調(diào)制度M＝0.9.最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：系統(tǒng)最大輸出功率Pmax＝500W，交流電壓UAC＝220（1±2.5%）V，最大諧波含量UH≤10%，輸出交流電頻率f＝（50±0.2）Hz，轉(zhuǎn)換效率在90%左右.實(shí)驗(yàn)中所得輸出交流電波形如圖7所示.

圖7 輸出交流電波形圖（負(fù)載電壓衰減100倍后）Figure 7 Waveform of AC output（100times the load voltage is attenuated）

5 結(jié)論

單相SVPWM波的調(diào)制生成和PID的反饋調(diào)節(jié)是單相逆變器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.本研究通過DSC的高速運(yùn)算特性實(shí)現(xiàn)了由PID算法調(diào)節(jié)的死循環(huán)控制，使系統(tǒng)達(dá)到了瞬時穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的目的，提高了逆變器的動態(tài)特性.利用eCAP模塊實(shí)現(xiàn)了相位跟蹤，使逆變器具有自適應(yīng)并網(wǎng)能力，提高了系統(tǒng)的智能化，有利于逆變器的并網(wǎng)輸出.經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對比，開關(guān)模式優(yōu)化后的SVPWM逆變器與傳統(tǒng)逆變器相比具有直流電壓利用率高和開關(guān)器件損耗小等優(yōu)點(diǎn)，明顯提升了逆變器的轉(zhuǎn)換效率.

［1］ 魏偉.正弦波逆變電源的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.電氣技術(shù)，2008（11）：5－7.

［2］ 蘇奎峰，蔡昭權(quán)，呂強(qiáng)，等.TMS320X281xDSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008：216－225.

［3］ 易龍強(qiáng)，戴瑜興.基于DSP的單相SVPWM技術(shù)與零序號分析［J］.電子學(xué)報(bào)，2007，35（12）：2289－2293.

［4］ 蔡昆，李耀華，勝曉松，等.高性能單相電壓源逆變器的輸出控制［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20（1）：104－107.

［5］ 彭力，張宇，康勇，等.高性能逆變器仿真控制器設(shè)計(jì)方法［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（6）：89－94.

［6］ Kaku B，Miyashita I，Sone，S，et al.Switching loss minimised space vector PWM method for IGBT three－level inverter［J］.Electric Power Applications，1997，144（3）：182－190.

Study on DSC controlled SVPWM single－phase inverter system

WANGLei，LIURuian，LIANGBin，LUDunqiang，ZHANGMimi
（College of Physics and Electronic Information Science，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

Because of having the virtues of higher utilization rate of DC voltage，small loss of FET，and easy－to－realize through digital control，space－vector PWM technique is applied to the single－phase inverter system controlled by DSC to output AC with high speed and static response character.With the utilization of ePWM module，the DSC generates SVPWM signals with dead－time control，which modulates AC output from the single－phase H－bridge inverter with the high－voltage driver chip IR2110.By carrying out high－speed PID feedback regulation，tracking and regulating the AC’s phase with the eCAP，DSC makes the system basically achieve the purpose of the instantaneous steady－state regulation with the ability of self－adapting.

space－vector PWM；digital signal controller；single－phase inverter system；IR2110

TM464

A

1671－1114（2011）02－0023－05

2010－08－15

天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（09JCYBJC00100）；濱海新區(qū)科技特派員科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目（SB20080079）；天津師范大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目（52LX32）

王 磊（1987—），男，碩士研究生.

劉瑞安（1966—），男，教授，主要從事檢測技術(shù)和信號處理方面的研究.

（責(zé)任編校 紀(jì)翠榮）