DSC控制的SVPWM单相逆变系统研究

王 磊，刘瑞安，梁 斌，路敦强，张咪咪

（天津师范大学 物理与电子信息学院，天津 300387）

DSC控制的SVPWM单相逆变系统研究

王 磊，刘瑞安，梁 斌，路敦强，张咪咪

（天津师范大学 物理与电子信息学院，天津 300387）

由于SVPWM技术具有直流电利用率高、场效应管损耗小且易于数字控制等优点，将其引入到由DSC控制的单相逆变系统中，可以实现高速动、静态响应特性的AC输出.DSC运用ePWM模块产生带死区控制的SVPWM信号，通过高压驱动芯片IR2110调制单相H型逆变桥的输出交流电，控制器通过高速PID进行反馈调节，利用eCAP进行相位跟踪调控，使系统达到具有自适应能力的瞬时稳态调节效果.

空间矢量脉宽调制；数字信号控制器；单相逆变系统；IR2110

现有中小功率逆变器的输出电压波形多为方波或修正正弦波，波形失真严重，不能为感性负载、容性负载和精密仪器等供电，容易导致仪器输出误差甚至损坏，且不利于逆变器的稳定并网输出.此外，当前逆变技术已进入实时反馈控制阶段［1］，该技术是针对模拟控制晶闸管和数字控制自关断器件中逆变电源对非线性负载的适应性弱、动态特性差等缺点提出的.本研究所设计的逆变电源系统针对光伏逆变并网系统的设计要求，将光伏电池产生的低压直流电转换为与市用电网同频同相的单相交流电.

本设计将空间矢量脉宽调制（Space－vector Pulse Width Modulation，SVPWM）技术引入到由数字信号控制器（Digital Signal Controller，DSC）控制的单相逆变器中，SVPWM技术具有直流电压利用率高、场效应管损耗小、输出电压／电流的谐波含量低和利于数字控制等优点，可以有效提高逆变器的转换效率和输出波形效果.通过分离积分PID（Proportion Integration Differentiation，PID）算法和相位检测技术，本研究实现了系统输出的瞬时反馈调节，提高了逆变系统的实时响应能力.

1 单相SVPWM的原理与实现

1.1 单相SVPWM的原理

单相SVPWM技术源于三相电机的空间矢量控制技术，三相SVPWM将A－B－C三维坐标系经过CLARKE变换到α－β二维坐标系，得到两相正交的矢量.以电流的CLARKE变换为例，其转换过程如下：

式（1）中，i0＝0，经过坐标变换后可根据三相电压计算出α－β坐标系的参考电压矢量Uout，且Uout的幅值即是在α－β坐标系下线电压的有效值.

在三相逆变电源中，SVPWM技术的实质就是通过适当组合基本空间矢量的开关状态来近似参考电压Uout，从而模拟正弦波的输出.在实际应用中，在一个较小的载波PWM周期T内，由数字控制器计算出逆变输出的导通电平持续时间，并经过积分运算求出实际值来拟合成平均值作为平均参考电压值Uout［2］：

式（2）中，T1和T2分别表示同相功率开关管上桥臂UX和下桥臂UX＋60闭合状态的持续时间.工程应用中，T相对于Uout的变化速度需非常小，且T1＋T2＜T.

实际系统中，单相逆变桥比三相逆变桥少一对功率开关管.vAB表示H桥输出端A点到B点的单相交流电电压，νBA则为反方向测量结果，a与b表示H桥上两个上臂开关的控制信号，则矩阵形式表示如下：

式（3）中，Udc为输出母线直流电压.电压矢量v＝（vAB，vBA）T在单轴空间构成4个离散电压矢量，其中2个电压矢量的有效值始终为0.类似于三相SVPWM的过程，单相SVPWM可通过调制2对开关管的PWM占空比来决定余下2个离散电压矢量的有效值，以获得对应的脉冲电压，再经过积分滤波得到实际的正弦波电压.

式（4）中，N为逆变器中高频变压器的升压比，n为半个交流电周期内PWM的脉冲个数，Tia和Tib为每个PWM周期内2对开关管导通的时间.

1.2 单相SVPWM算法的实现与改进

DSC中的定时器可以使用递增或递减的计数模式，a点和b点同步输出双边对称波形.在PWM周期T固定的前提下，通过修改定时器比较寄存器Ta和Tb来决定T0和T1，如图1（a）所示，最终修改输出波形vAB的脉冲占空比以决定电压矢量的有效值.

图1 单相SVPWM波形分析Figure 1 Analysis of single－phase SVPWM signal

在相同载波频率下，经过开关模式优化后的单相SVPWM波从波形角度分析较类似于同频的SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）波形.因为SVPWM算法是一种在利用规则采样法得到的SPWM的相调制模式中加入零序分量后得到的结果，所以二者在谐波的大致方向上是类似的.而从频谱角度分析，单相SVPWM的谐波特性要优于同频的SPWM波形.

2 系统硬件结构设计

2.1 系统硬件框图

本系统的硬件结构框图如图2所示.

图2 系统硬件结构框图Figure 2 Hardware structure of system

2.2 DSC控制模块

本系统采用德州仪器公司（Texas Instruments）的TMS320F2806型数字信号控制器（DSC）作为数字控制的核心，该芯片具有丰富的硬件资源，运行速度最高达100MIPS，与数字信号处理器（DSP）相比具有成本低、外围器件少和功能模块专用等优点.

DSC内置有增强捕捉单元（Enhanced Capture Module，eCAP）模块，系统使用由其集成的边沿检测单元来检测输出交流电的相位与频率.其工作流程如下：由高频升压变压器的副次级线圈产生的高频弱交流信号经LC电路滤波后，再分压采样得到弱交流信号，由比较器对该信号和零电位进行电压比较，比较器产生的脉冲信号送至DSC的ECAP1管脚进行相位和频率检测.捕捉定时器（CAP1／CAP2）依据时钟分频信号运行，当捕捉到信号上升沿电平CEVT1（或下降沿电平CEVT2）时，将捕捉定时器值锁存到捕捉周期寄存器（MOD4_CTR）中，以获取2个时间标签并计算出时间差，即为输出交流电压的半周期，再由CPU读取周期信号并作相应的相位反馈调整.运用相位实时监控跟踪，可自适应调节输出交流电相位［4］，有利于逆变器进一步并网输出.

2.3 逆变电路结构

系统的逆变电路结构如图3所示.

图3 逆变桥驱动电路图Figure 3 Drive circuit of inverter

在H桥电路中，由于上桥臂驱动电压的参考点电压通常较高，高电位端的常规晶体管电路驱动通常不稳定.为了提高工作稳定性，系统使用IR2110芯片来间接驱动开关管.IR2110是高速、高压、功率型开关管专用驱动芯片，拥有2个互相独立的高低电平驱动信道，最高驱动电压可达600V，对于大范围跳变的源极电压具有良好的适应性.芯片利用由外部电容和快恢复二极管构成的高端悬浮自举电源电路充电蓄能，触发控制信号后，在高电位端释放悬浮态高电压，并以尖脉冲的形式向场效应管的栅极馈送电荷，最终驱动上桥臂场效应管的导通与关断.

系统中使用CSA－1V（可编程霍尔电流传感器芯片）进行非接触电流检测.该芯片利用传统CMOS工艺制作，其硅基片内有一层铁磁体工艺层用于电磁感应信号检测，外部电流感生出的磁通量变化经运算增益放大后以差分电压的形式输出.在PCB布线时，逆变桥的2个下桥臂MOSFET（Q2和Q4）的源极管脚接地线（覆铜箔）以2.5mm的线宽从CSA－1V底部布过，如图4所示.其输出的电压信号经CA3140组成的差分运放电路放大后接入DSC的ADCINB0管脚进行A／D转换以测出直流电流，随后根据升压比换算成交流端电流.该方法利用霍尔效应检测地线流过的大电流，无需光耦等隔离措施，有利于减小成本和体积.采用该方法输出端电流的采样实际检测精度稳定在5mA以内.

图4 在PCB中电流检测的布线方法Figure 4 Writing method of current detection in printed circuit board

3 系统软件设计

3.1 单相SVPWM在DSC上的调制输出

图5 单相SVPWM信号波形Figure 5 Waveform of single－phase SVPWM signalvAB

以上半周期为例对ePWM主要寄存器进行设置，如式（5）：

式（5）中，M（≤1）为脉宽调制度，T1可通过查询烧录在F2806程序存储空间中的正弦数据表获取.

为了防止同侧上下桥臂的开关管同时导通，系统中使用了ePWM模块自带的可编程死区控制单元.在DSC中使能DBCTL［OUT－MODE］控制位，配置为输出模式，确定对输出PWM信号进行边沿延时处理［5］.通过死区控制可以避免因开关管同时导通而导致的短路现象，提高了逆变器的稳定性.

3.2 PID调节算法的引入

逆变器通过PID算法实现了系统的数字闭环调节［6］，运用DSC高速运算特性实现了逆变电源的实时反馈调节，有效提高了逆变器的瞬时带载能力.

由变压器副次级线圈感生出的高频交流电信号经LC电路滤波后成为与负载端同相位的50Hz弱低频交流电信号，在接入ADCINA0管脚经DSC内部采样保持电路稳定后，由可编程的模／数转换单元将模拟电压量转换成数字量.高频交流电信号作为系统变压器主次级线圈输出交流电压的瞬时反馈值，并通过进一步的PID调节获到最优化的输出正弦电压波形.

在逆变器开机启动瞬间或负载功率突变时，输出功率的不确定易导致电压的不稳定，为此，DSC

式（6）中，Kp为比例系数；Ke表示积分分离的阀值；Ki为积分时间常数；Kd为微分时间常数；T代表采样周期；e（k）和e（jT）为输入参数；u（k）为输出参数，用作SVPWM中脉宽调制度的参考值.

F2806运用PID调节可有效减少因负载非线性变化所导致的输出电压波形畸变情况的发生，当负载突变时，逆变器的输出电压具有调整时间短和动态特性良好等优点.

3.3 软件设计流程图

系统的软件设计流程如图6所示.采用分离积分的PID控制算法来解决系统启动和负载功率突变引起的大范围电压振荡，如式（6）所示.进行分离积分PID运算时，由于比例、微分调节因素权重增大，系统可快速接近功率调节平衡点.当系统输出达到稳定后，再引入积分作用，既可以消减稳态偏差，亦能避免较大的退饱和超频，改善系统响应和控制质量.积分分离PID控制算法可表示为：

图6 程序流程图Figure 6 Flow chart of pragram

4 实验结果

为验证系统的瞬时稳态调节能力，在由MOSFET构建的逆变桥实验电路中，系统参数设置为：滤波电感L＝1.8mH，滤波电容C＝22μF，输入直流电压Udc＝24V，脉宽调制度M＝0.9.最终实验结果为：系统最大输出功率Pmax＝500W，交流电压UAC＝220（1±2.5%）V，最大谐波含量UH≤10%，输出交流电频率f＝（50±0.2）Hz，转换效率在90%左右.实验中所得输出交流电波形如图7所示.

图7 输出交流电波形图（负载电压衰减100倍后）Figure 7 Waveform of AC output（100times the load voltage is attenuated）

5 结论

单相SVPWM波的调制生成和PID的反馈调节是单相逆变器设计的关键.本研究通过DSC的高速运算特性实现了由PID算法调节的死循环控制，使系统达到了瞬时稳态调节的目的，提高了逆变器的动态特性.利用eCAP模块实现了相位跟踪，使逆变器具有自适应并网能力，提高了系统的智能化，有利于逆变器的并网输出.经过实验对比，开关模式优化后的SVPWM逆变器与传统逆变器相比具有直流电压利用率高和开关器件损耗小等优点，明显提升了逆变器的转换效率.

［1］ 魏伟.正弦波逆变电源的研究现状与发展趋势［J］.电气技术，2008（11）：5－7.

［2］ 苏奎峰，蔡昭权，吕强，等.TMS320X281xDSP应用系统设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008：216－225.

［3］ 易龙强，戴瑜兴.基于DSP的单相SVPWM技术与零序号分析［J］.电子学报，2007，35（12）：2289－2293.

［4］ 蔡昆，李耀华，胜晓松，等.高性能单相电压源逆变器的输出控制［J］.电工技术学报，2005，20（1）：104－107.

［5］ 彭力，张宇，康勇，等.高性能逆变器仿真控制器设计方法［J］.中国电机工程学报，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

天津市自然科学基金资助项目（09JCYBJC00100）；滨海新区科技特派员科技专项资助项目（SB20080079）；天津师范大学博士基金资助项目（52LX32）

王 磊（1987—），男，硕士研究生.

刘瑞安（1966—），男，教授，主要从事检测技术和信号处理方面的研究.

（责任编校 纪翠荣）