徐国家1 黄 东2

　　(1.解放军61539部队)

　　(2.解放军92857部队)

　　摘 要：针对UPS逆变控制技术的特点，分析比较了UPS逆变控制技术的原理和算法，并给出了基于不同硬件的设计方法和流程。文中重点阐述了基于PIC单片机和基于DSP控制器的几种不同方式的逆变控制原理。

　　在UPS等电力电子设备中,控制方法是其核心技术。早期的控制方法使得输出为矩形波,谐波含量较高,滤波困难,采用SPWM技术则较好地克服了这些缺点。目前SPWM的产生方法很多,主要有以下几种。

　　(1)利用分立元件,采用模拟、数字混合电路生成SPWM波。此方法电路复杂,实现困难且不易改进,早期的UPS逆变器都采用这种方法;

　　(2)由SPWM专用芯片SA828系列与微处理器直接连接生成SPWM波。SA828是由规则采样法产生SPWM波的，相对谐波较大且无法实现闭环控制;

　　(3)利用CPLD(复杂可编程逻辑器件)设计,实现数字式SPWM发生器;

　　(4)基于单片机实现SPWM。利用软件产生SPWM波,减轻了对硬件的要求,且成本低,但实时性受到限制;

　　(5)基于DSP实现SPWM。其运算速度较快，可以对逆变器实施复杂的控制策略，响应时间好，解决了单片机的不足，是目前最为流行的设计首选之一。

　　1 基于PIC单片机的SPWM控制逆变器实例

　　当今单片机的应用已经从单纯依赖5 1系列单片机转向其它多种单片机发展,尤其以嵌入式PIC单片机的发展应用更为广泛。PIC单片机含有PWM功能的外围功能模块(CCP),利用此模块更容易通过软件实现SPWM,且具有较快的执行速度。本文采用软硬件结合设计的方法,利用面积等效法,并且基于PIC单片机实现对逆变系统的SPWM控制。

　　1.1 面积等效的SPWM控制算法

　　目前生成SPWM波的控制算法主要有4种:

　　(1)自然采样法;

　　(2)对称规则采样法;

　　(3)不对称规则采样法;

　　(4)面积等效法。

　　理论分析后，可知自然采样法和面积等效法相对于规则采样法谐波较小,对谐波的抑制能力较强。又因为PIC单片机片内无较大空间实现在线运算,所以自然采样法不利于软件实现。本系统采用面积等效法实现SPWM控制,其原理如图1所示。

　　利用正弦波小块面积S 1与脉冲面积S 2相等原则,将正弦波的正半周分为N等分,则每一等分的宽度为π/N 弧度,利用面积等效法计算出半个周期内N 个不同的脉宽值,将产生的脉宽数列以列表形式存于PIC单片机的ROM中,以供程序调用。

　　脉宽产生的基本公式为:

　　式中:M为调制度;N为载波比，即半个周期内的脉冲个数,

　　本系统中N 取32;k 取值为0～31。

　　由式(1)计算出的实际脉宽转换成计时步阶后生成32个值的正弦表存入PIC的ROM中以供调用。产生的SPWM脉宽表是一个由窄到宽,再由宽到窄的32个值的表。

　　1.2 软硬件结合系统

　　以PIC单片机内部的两个外围功能模块(CCP)为基础,利用该模块具有的PWM功能,软件控制两路SPWM波形的输出。再将这两路SPWM波利用互补导通原则变换成4路,经隔离放大后驱动IGBT逆变器,实现对输出的控制。

　　1.3 硬件设计

　　硬件系统如图2所示。选择PIC单片机,该系列单片机的主要特点有:

　　(1)具有高性能的RISCCPU;

　　(2)除程序分支指令为两个周期外,其余均为单周期指令,且仅有35条单字指令;

　　(3)8k×14个FLASH程序存储器,368×8个数据存储器(RAM)字节;

　　(4)中断能力强,达到14个中断源;

　　(5)外围功能模块丰富,含2个16位寄存器的CCP模块,具有PWM功能;

　　(6)含3个定时器,其中与PWM功能相关的定时器2(即TMR2)带有8位周期寄存器,且带有8位预分频器和后分频器。

　　逆变部分采用自关断器件IGBT实现单相全桥逆变。IGBT是全控型电力电子器件,它的控制级为绝缘栅场效应晶体管,输出级为双级功率晶体管,因而它具有两者的优点而克服了两者的缺点。其开关频率高,驱动功率小,构成的功率交换器输出电压纹波小,线路简单,是当今最具有应用前景的功率器件。

　　1.4 软件设计

　　(1)PIC单片机的设置

　　设置SPWM的频率为20kHz,并外接20MHz晶振信号,经计算得出指令周期即计时步阶为0.2μs。PIC单片机CCP外围功能模块的PWM功能实现主要依靠相关寄存器值的设定,且以定时器2(TMR2)作为PWM的时基,相关寄存器的设置如下。

　　——SPWM周期的设定由寄存器PR2设定:

　　(PWM)周期=(PR2+1)×4×Tosc×(TMR2)预分频;

　　Tosc为20MHz,为提高分辨率,TMR2预分频设为1:1,由此计算得PR2=0XF9;

　　——定时器TMR2的控制寄存器T2CON设定:因为SPWM频率高,周期短,在每个周期内完成脉宽的调整比较困难,故在此寄存器中设置后分频为1:3,这样每输出3个相同脉宽的SPWM波后改变一次脉宽值。

　　——2个CCP模块的控制寄存器CCP1CON及CCP2CON的设定:两个CCP模块控制寄存器的设置类似,选择CCP模块作用于PWM功能模式,即bit3:0=11XX。

　　——CCPR1L脉宽写入寄存器:写入的脉宽值在下个TMR2周期开始时转至CCPR1H,通过读CCPR1H的脉宽值来改变PWM脉宽。

　　——寄存器TRISC对应于CCP1和CCP2的输入输出设置:应设置为输出形式,即TRISC的bit2:1=00。

　　(2)SPWM波形产生的实现过程

　　软件控制P I C单片机使之产生SPWM波形，首先将之前设置的寄存器值写入相关寄存器，当PIC的PWM功能开启后TMR2从0开始计数，同时CCP模块引脚输出高电平。

　　当TMR2≥CCPR1L时,PWM功能引脚开始输出低电平;

　　当TMR2≥PR2时,则TMR2=0 ,重新开始另一个周期计数, PWM功能引脚开始输出高电平。同时T M R 2的中断标志位被系统置高,即TMR2IF=1,转去执行中断服务程序。

　　因设置TMR2后分频为1:3,故在3个PR2周期后程序才转去执行中断服务程序。在中断服务程序中查找脉宽表,将下一个脉宽值写入寄存器CCPR1L中。下个周期输出的PWM的脉宽即为刚写入CCPR1L中的脉宽值,也就是说脉宽的变化在中断程序中实现,中断程序流程,如图3所示。

　　程序中利用标志位F实现SPWM输出在CCP1和CCP2中的转换。在F=1时,CCP1输出PWM波形,CCP2设置输出为0电平;在F=0时,CCP2输出PWM波形,CCP1设置输出为0电平。

　　2 基于DSP实现的无差拍控制逆变器实例

　　随着高性能微处理器的出现,对逆变器的控制,使其输出波形稳态精度高、总谐波畸变率低和动态响应快成为可能。目前,瞬时PID控制、重复控制等技术都在应用中占有重要地位。但这两种技术都有难以克服的缺点,如瞬时PID控制难以实现数字化;重复控制的动态响应慢。美国著名控制理论专家卡尔曼于上世纪60年代初提出了数字控制的无差拍控制思想。随着电力电子技术的发展,在80年代中期,无差拍控制被应用于逆变器控制,其具有瞬时响应快、精度高、THD小等特点,是一种优秀的控制策略。

　　2.1 无差拍控制逆变器的控制原理

　　无差拍控制是一种通过状态的数字瞬时反馈,利用微处理器的高速数值计算功能实现的全数字化控制方式。

图4为逆变器主电路,由逆变桥、LC 滤波器和阻性负载组成,LCR可以由状态方程表示:

　　如图5所示,在逆变器系统中,U in是逆变桥的输出,是一个中间变量,只有脉宽ΔT才是原始的控制量。并且,逆变器主电路可以认为是一种数模混合电路,因而利用离散变量状态方程可以更方便的分析。对于图4所示电路,U in可以是单极性,也可以是双极性的。若U in为图5所示双极性,则可将式(5)离散化为:

　　式(6)和(7)分别对应图5的(a)、(b),分别取矩阵方程(5)的第一行和式(6),并令U C为参考正弦,则所需脉宽可相应计算。那么,在每个开关周期的开始,必须先检测U C、I C(母线电压E 的变化较小,不必精确按时检测),然后再计算ΔT 。因此,在实际系统中,通常需要三个传感器和A/D转换器检测直流母线电压、输出电压和滤波电容电流。由于A/D转换和计算都需要一定的时间,因此ΔT 的最大值受到限制。从图5可知,若输出为正时,采用图(a),则ΔT ≤0.5T 。所以,存在足够的(T -ΔT )/2时间用于采样和计算。

　　普通PWM逆变器在空载和满载时,其输出相位有较大的差异,这是因为逆变桥的输出相位虽与给定正弦同相,但是LC 滤波器的相移与负载有关。无差拍控制逆变器的输出相位基本不变,它通过调节逆变桥的输出相位来弥补LC 滤波器的相位延时。

　　2.2 无差拍控制逆变器的硬件实现

　　德州仪器公司( T e x a s I n s t r u m e n t ) 开发的第三代数字信号处理器( D i g i t a l S i g n a lProcessor)TMS320F240系列,具有16位高速定点运算功能。这种型号的数字信号处理器芯片具有如下优点:

　　(1)很高的处理速度。单指令执行周期为50ns,即每秒可执行两千万条指令。芯片内有专用的16×16硬件乘法器,并设置有8级硬件堆栈和四级流水线处理结构,极大地提高了对数字信号的处理速度。544kB的高速片内双向存取RAM使得片内数据能够实现高速传送;

　　(2)特有的并行结构。传统的冯·诺依曼结构中程序代码和数据单元是统一编址的,而F240采用改进的Harvard结构,程序区与数据区存储单元是分开的,取指令和数据存取可同时进行。这样使得处理速度进一步提高;

　　(3)丰富的指令集提供了灵活的编程能力。不仅能实现各种算术和逻辑运算功能,而且还能很方便地完成程序区和数据区之间的信息传递;

　　(4)高度集成的内部资源。芯片中嵌入了专用的事件管理器(Event Manager),能很方便地捕获事件中断和输出各种PWM波形。片内还集成了A/D转换器、串行通讯、I/O接口等外围功能,因此十分容易构成控制系统,而且极大地减少了硬件成本。

　　由于具有上述优点,DSPF240系列尤其适合实现数字化控制所需的实时化、高速处理的要求。其内部资源包括:

　　(1)三个独立的16位硬件定时器,具有6种工作模式;输出共有12路PWM脉冲,便于实现单相半桥、全桥和三相全桥(可设置死区,以及实施空间矢量PWM控制)的电力电子变换器控制;

　　(2)具有三路外部硬件中断和4个外部事件捕获中断(Capture),系统中有RESET复位中断、掉电中断PDPINT、非屏蔽中断NMI等软件资源,为系统的安全工作提供了保障,同时可以对特殊事件进行及时处理;

　　( 3 )两个独立的1 0位精度A/D采样转换器,内部带PLL锁相环的时钟单元,看门狗监控单元Watchdog,串行同步口SPI和串行异步口SCI,28个可编程多路复用I/O口等 。

　　从上述内部资源可见,TMS320F240系列在控制系统设计时不需要太多的硬件费用,从而也提高了系统的可靠性。

　　2.3 无差拍控制逆变器的软件流程图

　　无差拍控制逆变器的软件流程如图6、图7和图8所示。

参考文献

　　[1]王兆安,黄 俊.电力电子技术[M].4版.北京:机械工业出版社,2004.

　　[2]沈传文,刘 玮,路 强等.基于前馈解耦的三相PWM整流器研制[J].电力电子技术,2006,40(2):28～29.

　　[3]李 俊,薄翠梅,史伟伟等.一种直流PWM控制系统的设计[J].自动化仪表,2007,28(2):13～15.

　　[4]熊 伟,侯传俊,梁 青等.Multisim7电路设计及仿真应用[M].北京:清华大学出版社,2005.

　　[5]刘志华.用普通PWM控制器实现同步整流[J].现代电子技术,2006,29(16):141～142.

　　作者简介

　　徐国家,(1976-),男,硕士学位,主要研究方向为逆变控制及嵌入式操作系统。

　　黄 东,(1980-),男,主要研究方向为电力控制。【红尘有你】