DSP控制SPWM全橋逆變器直流偏磁的研究

在SPWM全橋逆變器中，輸出變壓器的原邊電流為折算到原邊的副邊電流與原邊的勵(lì)磁電流之和。如上所述，當(dāng)發(fā)生直流偏磁時(shí)，在第一或第三象限，變壓器鐵心相對(duì)導(dǎo)磁率μr迅速減小，某一方向的勵(lì)磁電流Iμ以指數(shù)規(guī)律迅速增大，導(dǎo)致輸出變壓器原邊電流的直流分量也迅速增大。因此，SPWM全橋逆變器的直流偏磁問題，可歸結(jié)為輸出變壓器原邊電流的直流分量的產(chǎn)生和迅速增長的問題。如果能將原邊電流的直流分量迅速檢測出來，并加以控制使之減小，就可以解決直流偏磁問題，使SPWM全橋逆變器正常運(yùn)行。

在輸出變壓器中，勵(lì)磁電流一般僅占原邊電流的2％，因此原邊電流直流分量的檢測必須首先濾除勵(lì)磁電流中的基波及高頻成分，然后再將剩下的直流分量放大后用于控制。勵(lì)磁電流中直流分量的提取有硬件提取和軟件提取兩種方法。硬件提取可先經(jīng)有源濾波，再通過A/D口讀入直流量實(shí)現(xiàn)；軟件提取則通過原邊電流瞬時(shí)雙極性A/D采樣并通過一定的濾波算法來實(shí)現(xiàn)。

圖4給出了SPWM全橋逆變器抗直流偏磁數(shù)字PI控制器的原理框圖。對(duì)控制器而言，要求原邊電流直流分量以最小誤差收斂到零，并滿足一定的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。

數(shù)字PI控制器使誤差I(lǐng)e（K）為一個(gè)很小的值，誤差I(lǐng)e(K)定義為

Ie(K)=0－i1dc(K)(3)

式中：i1dc(K)為所提取的原邊電流直流分量。

數(shù)字PI控制器根據(jù)i1dc(K)來產(chǎn)生所要求的控制量u(z)=KpIe(z)＋I(xiàn)e(z)(4)

采用增量式PI控制算法，其增量表達(dá)式為：

u(K)=u(K－1)＋Δu(K)（5）

Δu(K)=Kp[Ie(K)＋I(xiàn)e(K－1)]＋KIIe(K)（6）

數(shù)字PI控制器在過去幾十年里得到了廣泛的應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)簡單直觀、魯棒性好、可靠性高，在一定的運(yùn)行范圍內(nèi)可以獲得較為滿意的控制效果。在本文中，采樣輸出變壓器原邊電流用于反饋，通過數(shù)字PI控制器得出的控制量可用于對(duì)SPWM驅(qū)動(dòng)脈寬進(jìn)行修正，以減小原邊電流中的直流分量，把變壓器的直流偏磁限制在較小的范圍之內(nèi)。

此外，在程序中也采用軟啟動(dòng)技術(shù)，使變壓器剩磁很小，防止開機(jī)時(shí)產(chǎn)生瞬態(tài)飽和。為防止驅(qū)動(dòng)脈沖過窄而丟失造成直流偏磁，對(duì)SPWM驅(qū)動(dòng)波形的最小占空比進(jìn)行了限制。為避免空載－滿載或滿載－空載等動(dòng)態(tài)過程中，勵(lì)磁電流急劇增大而燒毀功率開關(guān)管，程序中還采用了直流母線電流滯環(huán)封鎖技術(shù)：當(dāng)直流母線電流超過滯環(huán)上限值時(shí)，則封鎖相應(yīng)驅(qū)動(dòng)脈沖，直到電流減小到滯環(huán)下限值時(shí)，再開放控制脈沖，從而避免逆變顛覆，有效地保護(hù)了開關(guān)管。

4物理實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用德州儀器公司（TI）提供的DSP芯片TMS320F240來實(shí)現(xiàn)SPWM全橋逆變器的數(shù)字控制。TMS320F240具有許多優(yōu)良的特性，諸如采用先進(jìn)的哈佛型結(jié)構(gòu)、50ns指令周期時(shí)間、16×16位硬件乘法器、32位算術(shù)邏輯單元、544字×16位片內(nèi)RAM、16k字×16位片內(nèi)FLASHROM及224k字×16位存儲(chǔ)器地址范圍。為適用于功率變換器領(lǐng)域，TMS320F240還集成了先進(jìn)的外圍設(shè)備，包括含12路PWM通道的事件管理器模塊、雙10位A/D轉(zhuǎn)換模塊、基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘模塊、看門狗定時(shí)器、串行通信

DSP控制SPWM全橋逆變器直流偏磁的研究

（a）驅(qū)動(dòng)波形（b）uab波形

（a）i1波形（b）uo波形

圖5實(shí)驗(yàn)波形

接口、串行外設(shè)接口、6種外部中斷和28個(gè)獨(dú)立編程多路復(fù)用I/O引腳。

本文介紹的數(shù)字PI抗直流偏磁方案已在一臺(tái)直流175～320V輸入，交流400Hz、230V、6kW輸出的××艇中頻逆變電源中得到應(yīng)用。為簡化驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，提高可靠性，主電路采用三菱公司的IPM模塊PM200DSA120。為降低開關(guān)損耗，此模塊開關(guān)頻率為10kHz。為消除高頻噪聲，減小濾波電路的體積和重量，采用單極倍頻技術(shù)使輸出變壓器原邊的SPWM波形的最低次諧波為20kHz。逆變器滿載時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形圖5所示，其中圖5(a)為S1和S3的驅(qū)動(dòng)波形，圖5(b)為逆變橋臂輸出電壓uab的波形，圖5(c)為逆變器原邊電流i1波形，圖5(d)為逆變器輸出電壓uo的波形。

5結(jié)語

在對(duì)SPWM全橋逆變器中輸出變壓器直流偏磁機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，提出了一種數(shù)字PI控制方案，通過采樣輸出變壓器原邊電流，并提取其直流分量來調(diào)整觸發(fā)脈沖寬度。該方案采用DSP芯片TMS320F240，在一臺(tái)全數(shù)字化6kW、400Hz中頻逆變電源上得以實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的方案在很大程度上減小了偏磁所引起的噪聲，較好地解決了輸出變壓器的直流偏磁問題。