基于DSP的逆變電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1 前 言

由于電力，通信、航空以及大型信息、數(shù)據(jù)中心等行業(yè)高端設(shè)備對(duì)供電電源系統(tǒng)容量和質(zhì)量的要求越來(lái)越高，其中“大容量”、“高可靠性”和“不間斷”供電的特征，集中體現(xiàn)了高端設(shè)備對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)共同和基本要求。本文探討了基于DSP的逆變電源并聯(lián)控制系統(tǒng)。文章的創(chuàng)新之處是實(shí)現(xiàn)多個(gè)逆變器模塊的并聯(lián)供電電源系統(tǒng)，以滿(mǎn)足不同的負(fù)載功率及供電可靠性要求。逆變電源并聯(lián)控制技術(shù)的研究具有深遠(yuǎn)的社會(huì)影響和社會(huì)效益。

2 基于DSP 的逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)

2.1 單逆變電源模塊分析與硬件設(shè)計(jì)

在并聯(lián)式分布電源系統(tǒng)中，首先必須盡量保證模塊間的一致性：每個(gè)模塊良好的負(fù)載特性和穩(wěn)定；為了滿(mǎn)足這樣的要求，逆變器主電路的結(jié)構(gòu)不斷變化更新，高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)也廣泛地應(yīng)用到DC/AC逆變電源中。

高頻脈沖直流環(huán)節(jié)逆變器是基于諧振直流環(huán)節(jié)逆變器的原理提出的一種新的結(jié)構(gòu)。該逆變器既能夠?qū)崿F(xiàn)輸入和輸出之間的電氣隔離，又能夠?qū)崿F(xiàn)逆變橋功率管的零電壓開(kāi)關(guān)。

圖1 逆變器的主電路圖

（1） 逆變器主電路

逆變器主電路如圖1所示。主電路由3部分組成：交錯(cuò)并聯(lián)正激變換電路、吸收電路和全橋逆變電路。

（2）保護(hù)電路以及輸出濾波器的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，采用了濾波電感作為過(guò)流保護(hù)，如圖1所示，濾波電路由Lr1、 Lr2和Cr組成。在直直變換器和吸收電路之間串接濾波電感Lr1和一個(gè)較小的電容Cr，在逆變橋輸出端另外在串接另一個(gè)小電感Lr2。電壓反饋檢測(cè)點(diǎn)取至電感Lr1前面，這樣可以起到限流作用。同時(shí)，濾波電感又處在電流滯環(huán)控制中，一方面起漣波作用，另一方面在電流環(huán)中起積分器作用。若Lr1取值過(guò)大，將影響：①電流跟蹤速度、減緩系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；②導(dǎo)致輸出電壓穩(wěn)態(tài)精度降低；③增加系統(tǒng)的體積、重量和成本。電感電流的變化率須大于給定電流的變化率，才能保證電感電流跟蹤上給定電流，據(jù)此推得下式：

Lr1＜（Ubmax－Uomax sin a）／IgmaxWo

式中a——感性負(fù)載的功率因數(shù)角
Ubmax——脈沖電壓Uab的最大峰值
Uomax——輸出電壓的峰值

如果Lr1取值太小，電感電流的脈動(dòng)量增大，輸出電壓的質(zhì)量會(huì)受影響，因而必須限制電感電流的最大變化量。經(jīng)過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)電路參數(shù)選擇如下：Lr1＝15mH、Lr2＝3mH，Cr＝220nF。

2.2 控制部分的電路設(shè)計(jì)和分析

控制部分的電路主要由一片數(shù)字信號(hào)處理器（TMS320LF2407A）和脈寬調(diào)制專(zhuān)用集成芯片UC3524構(gòu)成。

（1）數(shù)字信號(hào)處理器（TMS320LF2407A）的介紹

本系統(tǒng)各逆變模塊采用美國(guó)TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器MS320F2407A，屬于TI公司的TMS320C2XX系列。從數(shù)據(jù)傳輸預(yù)處理的實(shí)時(shí)性、快速性以及性能價(jià)格比等方面考慮，本系統(tǒng)選用了TMS320F2407A。

（2）SPWM波形的產(chǎn)生

在本設(shè)計(jì)中仍然采用專(zhuān)用脈寬調(diào)制集成芯片UC3524產(chǎn)生SPWM波形。

圖2 逆變模塊控制原理圖

由上圖2可知：DSP通過(guò)高速D／A轉(zhuǎn)換器向UC3524發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的半正弦調(diào)制波（參考信號(hào)），限流參考信號(hào)以及載波同步控制信號(hào)等控制量。以此來(lái)調(diào)節(jié)SPW調(diào)制波形；在圖的左部分，直直變換電路和脈寬調(diào)制芯片UC3524通過(guò)電壓、電流反饋構(gòu)成了一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，這是單個(gè)逆變器SPWM生成和穩(wěn)壓控制策略的核心。這樣能保證DSP還有大量的系統(tǒng)資源（系統(tǒng)時(shí)間）進(jìn)行各種控制算法以及模塊間數(shù)據(jù)傳輸，完成并機(jī)功能。

2.3 模塊間并聯(lián)控制部分的設(shè)計(jì)

分散邏輯并聯(lián)控制方式可使各逆變電源模塊不依賴(lài)于集中控制單元或某個(gè)主模塊，能獨(dú)立的檢測(cè)和控制本模塊在系統(tǒng)中的工作狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)模塊間的輸出功率合理分配，并能很好的抑制模塊間的環(huán)流，從而實(shí)現(xiàn)模塊化逆變電源在并聯(lián)電源系統(tǒng)中的獨(dú)立運(yùn)行控制。

根據(jù)以上的分散邏輯控制理論分析，本設(shè)計(jì)中采用的分散控制的并聯(lián)冗余逆變器控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，模塊之間的CAN總線(xiàn)作為均流互聯(lián)線(xiàn)，同時(shí)從工程實(shí)際應(yīng)用的角度考慮，在系統(tǒng)的中有引入了一組同步母線(xiàn)，由于同步母線(xiàn)和相應(yīng)的同步控制策略大幅簡(jiǎn)化了分散邏輯控制并聯(lián)冗余控制方案的實(shí)現(xiàn)。

（1）并機(jī)部分硬件結(jié)構(gòu)

單機(jī)控制部分由DSP控制UC3524輸出產(chǎn)生PWM波形，從而控制單個(gè)逆變模塊輸出220Y，50HZ的交流電。檢測(cè)部分由DSP和各檢測(cè)電路組成，DSP實(shí)時(shí)檢測(cè)逆變器的輸出電壓、輸出電流、直流輸入電壓以及模塊溫度等各項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)模塊當(dāng)前的工作狀態(tài)控制模塊功率輸出。并機(jī)部分由DSP及并機(jī)接口電路組成，并機(jī)接口電路采用抗干擾能力強(qiáng)的CAN總線(xiàn)進(jìn)行各逆變模塊之間的數(shù)據(jù)通信，DSP通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送本模塊的電壓、電流和功率等信息給其他逆變器模塊或者接收其它模塊傳送過(guò)來(lái)的電壓、電流和功率等信息，并將這些信息按均流控制算法，使各逆變模塊之間均衡負(fù)載。

（2）并機(jī)線(xiàn)的設(shè)計(jì)

圖3 并機(jī)控制部分的硬件結(jié)構(gòu)圖

由上圖3可知，在本系統(tǒng)中，逆變模塊間的并機(jī)線(xiàn)主要包括CAN總線(xiàn)和同步母線(xiàn)兩部分：

1）并機(jī)通信線(xiàn)

在本系統(tǒng)中，每個(gè)模塊采集各自逆變橋輸出端的電壓和電流，經(jīng)過(guò)一定的計(jì)算后，通過(guò)CAN總線(xiàn)主動(dòng)向其他的模塊傳送自己的電壓，電流和功率，由于CAN總線(xiàn)的傳輸速度高達(dá)1Mbps，幾乎是在每個(gè)模塊在其他模塊信息的同時(shí)，也獲取了其他模塊的信息。

假設(shè)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)共16個(gè)模塊并聯(lián)，CAN總線(xiàn)的通信波特率為1Mbps，采用廣播的通信方式。由于CAN總線(xiàn)傳送一個(gè)數(shù)據(jù)幀共有10個(gè)字節(jié)，因此單個(gè)逆變器模塊將本模塊的數(shù)據(jù)傳送到其它逆變器模塊的時(shí)間為：信方式。由于CAN總線(xiàn)傳送一個(gè)數(shù)據(jù)幀共有10個(gè)字節(jié)，因此單個(gè)逆變器模塊將本模塊的數(shù)據(jù)傳送到其它逆變器模塊的時(shí)間為：t1＝10*8b／1Mbps＝80us。

在系統(tǒng)8個(gè)逆變器模塊并聯(lián)的情況下，所有模塊相互之間數(shù)據(jù)傳送完成共需要時(shí)間為：t＝8*80us＝0.64ms。

逆變器輸出一個(gè)50HZ的正弦波周期為20ms，模塊之間相互傳送信息一次需要的時(shí)間僅為0.64ms。這使得各個(gè)逆變電源模塊根據(jù)可以達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。根據(jù)無(wú)功電流（無(wú)功功率）的差異調(diào)整輸出電壓、電流的給定值和改變SPWM的調(diào)制波，調(diào)節(jié)模塊間因輸出電壓差異造成的無(wú)功電流差異，從而解決了無(wú)功功率的均衡問(wèn)題。

2）同步母線(xiàn)

本系統(tǒng)中運(yùn)用少許模擬器件設(shè)計(jì)了一種高效的同步母線(xiàn)，下圖是兩臺(tái)逆變器為例說(shuō)明同步母線(xiàn)的連接圖。

圖4 同步母線(xiàn)連接圖

兩個(gè)逆變模塊間只需一根模擬線(xiàn)相接，圖中每個(gè)模塊中的DSP控制器都有兩個(gè)通用I/O、分別用于對(duì)同步母線(xiàn)進(jìn)行檢測(cè)和控制。每個(gè)模塊在對(duì)同步的電平信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，與此同時(shí)通過(guò)端口OUT詳同步母線(xiàn)上發(fā)送本模塊的同步脈沖，實(shí)質(zhì)上是，通過(guò)同步母線(xiàn)，各模塊之間的同步信號(hào)相互影響、相互跟蹤，從而達(dá)到同步。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一套基于DSP控制的逆變電源并聯(lián)控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了各種性能實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)表明了本設(shè)計(jì)的可行性和有效性，可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)逆變模塊非聯(lián)電源系統(tǒng)可靠的運(yùn)行以及功率均分。

文章的創(chuàng)新之處是實(shí)現(xiàn)多個(gè)逆變器模塊的并聯(lián)供電電源系統(tǒng)，以滿(mǎn)足不同的負(fù)載功率及供電可靠性要求。