CN103281000B - 一种逆向求解的pwm逆变器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种逆向求解的PWM逆变器及控制方法，属于电力电子与电力传动以及电力系统领域；该装置包括主电路单元、驱动和功率放大单元、PWM模块、AD采样模块、DSP处理器、串口通讯模块、显示单元、直流电压检测电路和直流电压调理电路，还包括电压电流检测及调理电路、电网A相电压过零点检测及调理电路；该装置无需考虑负载不平衡以及直流侧电压的中点找不到的问题，只需获得所需要的线电压即可，即便在负载不平衡的情况下，也可采用控制策略进行调节，此时调节的对象是线电压，即不存在相互之间的干扰，因此能够调到平衡状态，即可满足实际系统中对于逆变器输出的线电压是正弦波形的要求。

Description

一种逆向求解的PWM逆变器及控制方法

技术领域

本发明属于电力电子与电力传动以及电力系统领域，具体涉及一种逆向求解的PWM逆变器及控制方法。

背景技术

新能源的发展使得逆变器的应用越来越广泛，其中，在以三相逆变器为功率接口单元的新能源发电系统中，逆变器的控制方法有很多种，传统的逆变器控制方法主要有SPWM、SVPWM，这些方法都是根据三相相电压为调制波进行调制的，此时系统输出的三相相电压在负载以及直流侧电压中点清楚的情况下才能保证平衡，而实际的应用系统中，因为逆变系统输出三相相电压的中点与逆变器直流侧电压中点很难找到并连接，所以系统输出的真正相电压很难找到，一旦负载不平衡或者直流侧电压中点找到的有误差，即便采用先进的控制策略对系统进行调节，但因为三相电压之间有耦合的原因，所得到的三相相电压依旧是不平衡的，所以线电压也是不平衡的，即不能保证三相逆变器输出的线电压是期望的正弦波形，而在实际中虽然负载表面上所接入的是相电压，但是本质上其实是线电压，无论负载是什么特性的，只要线电压是正弦波形就能够满足要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种逆向求解的PWM逆变器及控制方法，以达到避免负载不平衡、直流侧电压的中点找不到的问题，实现即便在负载不平衡的情况下，根据所需要的线电压即可达到平衡状态的目的。

一种逆向求解的PWM逆变器，包括主电路单元、驱动和功率放大单元、PWM模块、AD采样模块、DSP处理器、串口通讯模块、显示单元、直流电压检测电路和直流电压调理电路，还包括电压电流检测及调理电路、电网A相电压过零点检测及调理电路，其中，

所述的电压电流检测及调理电路中A相电压信号连接第一差分电路第一输入端和第三差分电路第二输入端；B相电压信号连接第一差分电路第二输入端和第二差分电路第一输入端；C相电压信号连接第三差分电路第一输入端和第二差分电路第二输入端，所述的第一差分电路输出端连接第一移相电路第一输入端和第一电压抬升电路输入端，第二差分电路输出端连接第二移相电路第一输入端和第二电压抬升电路输入端，第三差分电路输出端连接第三移相电路第一输入端；第一移相电路输出端连接第一整流电路输入端和第一过零点检测电路输入端；第二移相电路输出端连接第二整流电路输入端、第二过零点检测电路输入端和第二电压抬升电路输入端，第三移相电路输出端连接第三整流电路输入端和第三过零点检测电路输入端；第一移相电路第二输入端、第二移相电路第二输入端和第三移相电路的第二输入端连接；第一移相电路第三输入端、第二移相电路第三输入端和第三移相电路的第三输入端连接；第一整流电路输出端、第二整流电路输出端和第三整流电路输出端相连，再连接过压保护电路输入端；

所述的电网A相电压过零点检测及调理电路中放大电路输出端连接比较电路输入端。

所述的第一差分电路、第二差分电路和第三差分电路结构相同，均包括一个放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，其中，第一电阻的一端作为差分电路的第二输入端，第一电阻的另一端连接放大器的反相输入端；第二电阻的一端作为差分电路的第一输入端，第二电阻的另一端连接放大器的同相输入端；放大器的同相输入端连接第三电阻的一端，第三电阻的另一端接地；放大器的反相输入端与输出端之间连接有第四电阻，并且放大器输出端作为差分电路输出端。

所述的第一移相电路、第二移相电路和第三移相电路结构相同，均包括一个放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和一个电容，其中，第一电阻的一端作为移相电路的输入端，第一电阻的另一端连接放大器的反相输入端；放大器的反相输入端同时连接第二电阻的一端和第四电阻的一端，所述的第四电阻的另一端连接放大器的输出端；放大器的输出端同时连接电容的一端，电容的另一端连接第三电阻的一端；放大器的同相输入端连接第五电阻的一端，第五电阻的另一端接地。

所述的第一整流电路、第二整流电路和第三整流电路结构相同，均包括一个放大器、一个二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，其中，第一电阻的一端连接第二电阻的一端，并作为整流电路的输入端；第一电阻的另一端连接第三电阻的一端和放大器的反相输入端；放大器的同相输入端接地；第二电阻的另一端连接第三电阻的另一端、第四电阻的一端和二极管的正极，所述二极管的负极连接放大器的输出端；所述的第四电阻的另一端作为整流电路的输出端。

所述的第一过零点检测电路、第二过零点检测电路和第三过零点检测电路结构相同，均包括一个放大器、一个滞环比较器、第一二极管、第二二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，其中，放大器的反相输入端作为过零点检测电路的输入端；第一电阻的一端接地，另一端连接放大器的同相输入端和第二电阻的一端，所述的第二电阻的另一端连接放大器的输出端和第三电阻的一端，第三电阻的另一端连接第一二极管的负极和第二二极管的负极，所述的第二二极管的正极接地，第一二极管的正极连接滞环比较器的输入端和第四电阻的一端，所述的第四电阻另一端接电源，所述的滞环比较器的输出端作为过零点检测电路的输出端。

所述的第一电压抬升电路和第二电压抬升电路结构相同，均包括一个放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，其中，第一电阻一端接地，另一端连接第二电阻一端、第四电阻一端和放大器反相输入端；第二电阻另一端连接第三电阻一端和放大器输出端；所述第三电阻另一端作为电压抬升电路的输出端；所述的第四电阻的另一端作为电压抬升电路的输入端；第五电阻一端连接放大器同相输入端，另一端连接地。

所述的过压保护电路包括一个放大器、一个电容、一个二极管、第一电阻、第二电阻和第三电阻，其中，放大器的反相输入端作为过压保护电路的输入端；放大器的同相输入端接地；放大器的输出端与反相输入端之间连接第一电阻，放大器的输出端同时连接第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接第三电阻的一端、电容的一端和二极管的负极，并作为过压保护电路的输出端；所述的第三电阻另一端、电容另一端和二极管的正极连接。

所述的电网A相电压过零点检测及调理电路中，

放大电路包括一个放大器、一个电容、第一电阻、第二电阻和第三电阻，其中，放大器的反相输入端连接第一电阻一端、第二电阻一端，所述的第一电阻的另一端连接电容的一端，并作为放大电路的输入端，所述的电容的另一端接地；所述的第二电阻的另一端连接放大器输出端，并作为放大电路的输出端；放大器的同相输入端连接第三电阻的一端，第三电阻的另一端接地；

比较电路包括一个放大器、第一二极管、第二二极管、一个滞环比较器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，其中，第一电阻一端接地，另一端连接放大器同相输入端和第二电阻一端，所述的第二电阻另一端连接放大器输出端和第三电阻一端，所述的第三电阻另一端连接第一二极管负极和第二二极管负极，所述的第一二极管正极接地，第二二极管正极连接第四电阻的一端和滞环比较器的输入端，所述的第四电阻的另一端连接电源；放大器的反相输入端作为比较电路的输入端，滞环比较器的输出端作为比较电路的输出端。

采用一种逆向求解的PWM逆变器进行控制的方法，包括以下步骤：

步骤1、DSP模块判断是否接收到启动命令，若接收到，则执行步骤2；否则继续判断是否接收到启动命令；

步骤2、采用显示单元设置系统输出电压及输出频率；

步骤3、DSP控制器根据系统的输出电压及输出频率，确定主电路单元中6个功率开关的开通时间；

步骤3-1、按相位将第一周期中线电压的波形分为6个区域，即第一区、第二区、第三区、第四区、第五区和第六区，并确定上述6个区中每个区的计算角度θ₁、θ₂，

θ₁＝ωt₁        (1)

θ₂＝ωt₂         (2)

其中，ω为角频率、t₁为第一时间、t₂为第二时间、θ₁为系统每个区的t₁时刻的计算角度、θ₂为系统每个区的t₂时刻的计算角度；

步骤3-2、确定第一区内功率开关的开通时间；

确定功率开关的开通时间公式如下：

其中，t₁₁为第一区间内A相桥臂导通时间，同时也是B、C相桥臂关闭的时间；t₂₁为第一区间内A、B相桥臂导通时间，同时也是C相桥臂关闭的时间；m为调制比，即正弦波峰值与直流电压的比值；u_d为直流侧电压值，ωt＝θ为计算单位；π为圆周率；f为给定频率；

步骤3-3、确定第二区内功率开关的开通时间；

确定功率开关的开通时间公式如下：

其中，t₁₂为第二区间内A、B相桥臂导通时间，同时也是C相桥臂关闭的时间；t₂₂为第二区间内B相桥臂导通时间，同时也是A、C相桥臂关闭的时间；

步骤3-4、确定第三区内功率开关的开通时间；

确定功率开关的开通时间公式如下：

其中，t₁₃为第三区间内B相桥臂导通时间，同时也是A、C相桥臂关闭的时间；t₂₃为第三区间内A相桥臂关闭时间，同时也是B、C相桥臂导通的时间；

步骤3-5、确定第四区内功率开关的开通时间；

确定功率开关的开通时间公式如下：

其中，t₁₄为第四区间内A相桥臂关闭时间，同时也是B、C相桥臂导通的时间；t₂₄为第四区间内A、B相桥臂关闭时间，同时也是C相桥臂导通的时间；

步骤3-6、确定第五区内功率开关的开通时间；

确定功率开关的开通时间公式如下：

其中，t₁₅为第五区间内A、B相桥臂关闭时间，同时也是C相桥臂导通的时间；t₂₅为第五区间内A、C相桥臂导通时间，同时也是B相桥臂关闭的时间；

步骤3-7、确定第六区内功率开关的开通时间；

确定功率开关的开通时间公式如下：

其中，t₁₆为第六区间内A、C相桥臂导通时间，同时也是B相桥臂关闭的时间；t₂₆为第六区间内A相桥臂导通时间，同时也是B、C相桥臂关闭的时间；

步骤3-8、将计算所得的6个区域的时间数据经过数据转换发送至DSP内的EV事件管理器中的比较寄存器，根据EV管理器内部的计数器的值和比较寄存器中的值的关系，将比较结果发送至PWM模块，产生PWM脉冲送至驱动和功率放大单元触发各个功率开关管；

步骤4、判断AD采样模块是否接收DSP发送的AD采样中断信号，若接收到，则执行步骤5；否则，则执行步骤6；

步骤5、AD采样模块采集电压、电流信号；

步骤6、DSP对采样所得交流电压、电流信号进行计算，获得三相电压的幅值、相角正弦值，三相电流的有效值；

步骤7、对交流电压给定值和交流电压反馈值进行做差计算，并采用PI控制算法对差值进行计算；

步骤8、DSP模块计算电流的有效值得到的瞬时电流的给定值与反馈电流值进行做差计算，并采用PI控制算法对差值进行计算；

步骤9：判断DSP内部的GP1定时器是否接受到下溢中断信号，若有，则执行步骤10；否则，则返回执行步骤9；

步骤10：DSP将AD采样中断标志置为启动状态，发出中断信号，并返回执行步骤3。

本发明优点：

本发明以逆变器输出正弦线电压为调制波提出一种逆向求解的PWM逆变器及控制方法，该装置无需考虑负载不平衡以及直流侧电压的中点找不到的问题，只需获得所需要的线电压即可，即便在负载不平衡的情况下，也可采用控制策略进行调节，此时调节的对象是线电压，即不存在相互之间的干扰，因此能够调到平衡状态，即可满足实际系统中对于逆变器输出的线电压是正弦波形的要求。本发明主要是应用对线电压要求非常高的领域中。

附图说明

图1为本发明一种实施例的整体结构框图；

图2为本发明一种实施例的整流桥电路结构图；

图3为本发明一种实施例的整体框图；

图4为本发明一种实施例的控制器结构框图；

图5为本发明一种实施例的驱动和功率放大单元电路原理图；

图6为本发明一种实施例的电压电流检测及调理电路结构图；

图7为本发明一种实施例的电网A相电压过零点检测及调理电路结构图；

图8为本发明一种实施例的电压电流检测及调理电路原理图；

图9为本发明一种实施例的电网A相电压过零点检测及调理电路原理图；

图10为本发明一种实施例的采用逆向求解的PWM逆变器进行控制的方法流程图；

图11为本发明一种实施例的三相线电压的波形示意图；

图12为本发明一种实施例的第一区线电压S_ca＝S_ab+S_bc等效图；

图13为本发明一种实施例的第一区线电压S_ab＝S_d等效图；

图14为本发明一种实施例的第一区线电压S_bc＝S_d等效图；

图15为本发明一种实施例的逆变器线电压u_ab输出波形；

图16为本发明一种实施例的逆变器线电压u_bc输出波形；

图17为本发明一种实施例的FLUK表输出A、B、C三相相电压实验波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

如图1所示，一种逆向求解的PWM逆变器，包括主电路单元、驱动和功率放大单元、PWM模块、AD采样模块、DSP处理器、串口通讯模块、显示单元、直流电压检测电路和直流电压调理电路，还包括电压电流检测及调理电路、电网A相电压过零点检测及调理电路。

如图2所示，主电路单元为逆变电路，包括三个桥臂，每个桥臂由2个功率开关串联组成，第一个桥壁的上桥壁功率开关VT1的发射极连接下桥壁功率开关VT4的集电极，第二个桥壁的上桥壁功率开关VT3的发射极连接下桥壁功率开关VT6的集电极，第三个桥壁的上桥壁功率开关VT5的发射极连接下桥壁功率开关VT2的集电极，在直流侧，装有两个等值的电容，电容上安装了两个均压电阻，在逆变器的输出线路上安装了电压传感器以及电流传感器，用于检测输出的电压以及电流值；本发明实施例中，主电路单元功率器件为6个IGBT和反并联二极管，系统设计容量为50KVA，额定电流100A，额定电压380V额定功率因数为1；IGBT选用SEMIKRON公司的SKM100GB125DN，最大耐压值为1200V，额定电流75A，每件模块内封装两个IGBT和两个反并联二极管。逆变器输出经过电感、滤波电容后分别给负载供电。

本发明的控制部分电路包括DSP控制器以及外围的保护电路，如图3所示，所采用的DSP内部的功能主要有ADC模数转换功能、CAP捕获功能、6路PWM输出功能，ADC模块的功能是采集逆变器输出的电压、电流值以及直流母线电压、逆变器的输出电压幅值，本发明对系统最初的电压、频率给定也是通过ADC模块实现的；CAP捕获模块用于捕获电网A相电压的过零点以及逆变器输出的电压过零点；如图4所示，本发明实施例DSP采用TI公司的TMS320F28335芯片，主要完成逆变器输出交流侧电压、电流，直流侧电压AD采样，PWM波形输出，电气隔离，系统的启动、停止、故障报警、故障保护、通讯、系统协调控制功能。TMS320F28335芯片中的PWM模块产生的PWM信号(高电平为3.3V，低电平为0V)经过MIC4427芯片转换为符合IGBT驱动电路需要的电平信号(高电平为15V，低电平为0V)。

驱动和功率放大单元由整形电路和功率放大电路组成，主要完成PWM信号的整形和功率放大功能，为IGBT提供驱动信号；该电路是自主研发设计的高性能稳定的6路带保护的驱动电路，其前侧是接入控制电路输出的6路PWM波形，通过隔离电路，保护电路，输出六路的PWM波形，每两路PWM组成上下桥壁IGBT的驱动信号。本发明实施例中的IGBT驱动电路选用自主设计的驱动电路模块，其中包括赛米控磁隔离控制块SKYPER32。图5为实施例驱动板外围电路连接示意图，上桥臂驱动信号输入端ATOP和下桥臂驱动信号输入端ABOT分别经过MIC4427芯片转换再经过高电平为15V低电平为0V的限幅电路变成上桥臂驱动信号输入端INA1和下桥臂驱动信号输入端INB1；上桥臂集电极输出端SEC_TOP_VEC_IN，栅极驱动端SEC_TOP_IGBT_ON、SEC_TOP_IGBT_OFF，发射极检测端BSTOP1分别连接IGBT模块上导通管的集电极C、栅极G、发射极E；下桥臂集电极输出端SEC_BOT_VEC_IN、栅极驱动端SEC_BOT_IGBT_ON、SEC_BOT_IGBT_OFF，发射极检测端BSTOP11分别连接IGBT下导通管的集电极C、栅极G、发射极E。其它驱动板外围电路连接与上述类似。

如图6所示，所述的电压电流检测及调理电路中A相电压信号连接第一差分电路第一输入端和第三差分电路第二输入端；B相电压信号连接第一差分电路第二输入端和第二差分电路第一输入端；C相电压信号连接第三差分电路第一输入端和第二差分电路第二输入端；所述的第一差分电路输出端连接第一移相电路第一输入端和第一电压抬升电路输入端；第二差分电路输出端连接第二移相电路第一输入端和第二电压抬升电路输入端；第三差分电路输出端连接第三移相电路第一输入端；第一移相电路输出端连接第一整流电路输入端和第一过零点检测电路输入端；第二移相电路输出端连接第二整流电路输入端、第二过零点检测电路输入端和第二电压抬升电路输入端；第三移相电路输出端连接第三整流电路输入端和第三过零点检测电路输入端；第一移相电路第二输入端、第二移相电路第二输入端和第三移相电路的第二输入端连接；第一移相电路第三输入端、第二移相电路第三输入端和第三移相电路的第三输入端连接；第一整流电路输出端、第二整流电路输出端和第三整流电路输出端相连，再连接过压保护电路输入端；

如图7所示，所述的电网A相电压过零点检测及调理电路中放大电路输出端连接比较电路输入端。

如图8所示，所述的第一差分电路1、第二差分电路2和第三差分电路3结构相同，即为相同差分电路(即差分电路指第一差分电路或第二差分电路或第三差分电路)；均包括一个放大器，四个电阻，以第一差分电路1为例，电阻R1的一端作为第一差分电路1的第二输入端，电阻R1的另一端连接放大器IC1的同相输入端3；电阻R2的一端作为第一差分电路1的第一输入端，电阻R2的另一端连接放大器IC1的反相输入端2；放大器IC1的同相输入端3连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地；放大器IC1的反相输入端2与输出端1之间连接有电阻R4，并且放大器IC1输出端1作为第一差分电路1的输出端。

如图8所示，所述的第一移相电路4、第二移相电路5和第三移相电路6结构相同，即为相同移相电路(移相电路指第一移相电路4或第二移相电路5或第三移相电路6)，均包括一个放大器、五个电阻和一个电容，以第一移相电路4为例，电阻R5的一端作为第一移相电路4的输入端，电阻R5的另一端连接放大器IC2的反相输入端6；放大器IC2的反相输入端6同时连接电阻R6的一端和电阻R8的一端，所述的电阻R8的另一端连接放大器IC2的输出端7；放大器IC2的输出端同时连接电容C172的一端，电容C172的另一端连接电阻R7的一端；放大器IC2的同相输入端5连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接地；电阻R6的另一端作为第一移相电路4的第二输入端；电阻R7的另一端作为第一移相电路4的第三输入端；第一移相电路4第二输入端、第二移相电路5第二输入端和第三移相电路6的第二输入端相连，再与电阻R41的一端和二极管D5的负极相连，电阻R41的另一端接地，二极管D5的正极连接二极管D4的负极，二极管D4的正极接地；第一移相电路4第三输入端、第二移相电路5第三输入端和第三移相电路6的第三输入端相连，再与电阻R40的一端和二极管D6的正极相连，电阻R40的另一端连接电源，二极管D6的负极连接二极管D7的正极，二极管D7的负极接地。

如图8所示，所述的第一整流电路7、第二整流电路8和第三整流电路9结构相同，即为相同整流电路(整流电路指第一整流电路7或第二整流电路8或第三整流电路9)，均包括一个放大器、一个二极管和四个电阻，以第一整流电路7为例，电阻R10的一端连接电阻R11的一端，并作为第一整流电路7的输入端；电阻R10的另一端连接电阻R12的一端和放大器IC3的反相输入端2；放大器的同相输入端3接地；电阻R11的另一端连接电阻R12的另一端相连，再与电阻R13的一端和二极管D1的正极相连，所述二极管D1的负极连接放大器IC3的输出端1；所述的电阻R13的另一端作为第一整流电路7的输出端。

如图8所示，所述的第一过零点检测电路10、第二过零点检测电路11和第三过零点检测电路12结构相同，即为相同过零点检测电路(过零点检测电路指第一过零点检测电路10或第二过零点检测电路11或第三过零点检测电路12)，均包括一个放大器、一个滞环比较器、两个二极管和四个电阻，以第一过零点检测电路10为例，放大器IC4的反相输入端2作为第一过零点检测电路10的输入端；电阻R42的一端接地，另一端连接放大器IC4的同相输入端3和电阻R43的一端，所述的电阻R43的另一端连接放大器IC4的输出端1和电阻R44的一端，电阻R44的另一端连接二极管D8的负极和二极管D9的负极，所述的二极管D9的正极接地，二极管D8的正极连接滞环比较器IC5的输入端和电阻R45的一端，所述的电阻R45另一端接电源，所述的滞环比较器IC5的输出端作为第一过零点检测电路10的输出端。

如图8所示，所述的第一电压抬升电路13和第二电压抬升电路14结构相同，即为相同电压抬升电路(电压抬升电路指第一电压抬升电路13或第二电压抬升电路14)，均包括一个放大器和五个电阻，以第一电压抬升电路13为例，电阻R54一端接地，另一端连接电阻R55一端、电阻R57一端和放大器IC16反相输入端6；电阻R55另一端连接电阻R56一端和放大器IC16输出端7；所述电阻R56另一端作为第一电压抬升电路13的输出端；所述的电阻R57的另一端作为第一电压抬升电路13的输入端与放大器IC1的输出端相连；电阻R58一端连接放大器IC16同相输入端5，另一端连接地。

如图8所示，过压保护电路15包括一个放大器IC18、一个电容C175、一个二极管D14和三个电阻，其中，放大器IC18的反相输入端2作为过压保护电路15的输入端；放大器IC18的同相输入端3接地；放大器IC18的输出端1与反相输入端2之间连接电阻R67，放大器IC18的输出端1同时连接电阻R68的一端，电阻R68的另一端连接电阻R64的一端、电容C175的一端和二极管D14的负极，并作为过压保护电路15的输出端；所述的电阻R64另一端、电容C175另一端和二极管D14的正极连接。

电压电流检测及调理电路中，对逆变器输出电压进行采样，是将逆变器输出电压信号(相电压220V(±10％波动)，正常相电压峰值为311V，最高可能电压为342V)转换为0V～3V范围内的电压信号(3V对应最高电压342V)，输送给AD(模拟信号转数字信号)模块。16路AD转换模块，转换精度为12位，取其中一路采集交流电压信号为例，如图1所示，本发明实施例中，首先将最高峰值电压为342V的输出电压信号经过变压器(变比：220∶9，工作频率范围：50Hz～600Hz)转换为峰值为12.50V的交流电压，再经过分压电阻分压后输出峰值为6.05V的正弦波信号。6.05V的正弦波信号通过一个比例放大电路，将此电压信号转换到-1.5～1.5V范围内。之后，电压信号通过一个信号抬升电路，将前一级的输出电压抬高1.5V，使电压信号范围为0V～3V。为了防止噪声等因素产生较大电压烧毁DSP芯片，在信号抬升电路的末端采用了DAN217U芯片，使电压信号限制在0V～3.3V安全电压范围内。

电压电流检测及调理电路中，对逆变器输出电流进行采样，是将逆变器输出电流信号转换为0V～3V范围内的电压信号，并输送给AD模块。如图1所示，本发明实施例中采用莱姆(LEM)公司生产的LT308-S7型电流霍尔传感器，按照2000∶1的转化率将输出电流缩小后输出，输出仍为交流电流信号。缩小后的交流电流信号经过并联电阻及反相比例放大电路转换为-1.5～1.5V范围内的交流电压信号，然后再将电压信号通过一个信号抬升电路调整为0V～3V范围内，最后送给AD模块。同样，在输出电流采样电路的末端采用了DAN217U芯片，使电压信号限制在0V～3.3V安全电压范围内。

如图9所示，所述的电网A相电压过零点检测及调理电路，检测主电路输出A相、B相、C相电压、电流；将电网的A相电压过零点检测值，逆变器输出A相过零点检测值，直流侧的电压检测值，A相、B相、C相的电压输出检测值，A相、B相、C相的电流检测值转换成符合DSP的输入值以此可以保护DSP控制器；

放大电路16包括一个放大器MC33074D、一个电容C138、电阻R76、电阻R79和电阻R69，其中，放大器MC33074D的反相输入端2连接电阻R76一端、电阻R79一端，所述的电阻R76的另一端连接电容C138的一端，并作为放大电路16的输入端，所述的电容C138的另一端接地；所述的电阻R79的另一端连接放大器MC33074D输出端1，并作为放大电路16的输出端；放大器MC33074D的同相输入端3连接电阻R69的一端，电阻R69的另一端接地；

比较电路17包括一个放大器MC33074D、二极管D20、二极管D19、一个滞环比较器MC33074D、电阻R75、电阻R71、电阻R77和电阻R72，其中，电阻R75一端接地，另一端连接放大器MC33074D同相输入端10和电阻R71一端，所述的电阻R71另一端连接放大器MC33074D输出端8和电阻R77一端，所述的电阻R77另一端连接二极管D20负极和二极管D19负极，所述的二极管D20正极接地，二极管D19正极连接电阻R72的一端和滞环比较器MC33074D的输入端，所述的电阻R72的另一端连接电源；放大器MC33074D的反相输入端9作为比较电路17的输入端，滞环比较器MC33074D的输出端作为比较电路17的输出端。

采用逆向求解的PWM逆变器进行控制的方法，如图10所示，包括以下步骤：

步骤1、DSP模块判断是否接收到启动命令，若接收到，则执行步骤2；否则继续判断是否接收到启动命令；

步骤2、采用显示单元设置系统输出电压及输出频率；

步骤3、DSP控制器根据系统的输出电压及输出频率，确定主电路单元中6个功率开关的开通时间；

如图11所示是三相线电压的波形，在第一周期中，按相位将线电压的波形分为6个区域，在第一区域中，如图12所示，直流侧电压为u_d，线电压u_ab＞0，线电压u_bc＞0，线电压u_ca＜0，定义θ₁＝ωt₁，θ₁₂＝ωt₁₂，θ′₁₂＝ωt′₁₂与θ₂＝ωt₂，在ωt₁和ωt₂区间线电压u_ab的积分面积为S_ab，线电压u_bc的积分面积为S_bc，线电压u_ca的积分面积为S_ca。

根据公式u_ca＝-(u_ab+u_bc)可得S_ca＝S_ab+S_bc。如表1所示，定义开关状态P为逆变器的上桥壁开通，开关状态O为逆变器的下桥壁开通，POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP代表6种开关模式。根据线电压的波形以及开关组合，如图13所示，在ωt₁和ωt₂区间，u_ab的积分面积S_ab＝S₂+S₃，u_d在ωt₁和ωt₁₂之间的积分面积S_d＝S₁+S₃，这其中令S_ab＝S_d即S₁＝S₂，即可求出ωt₁₂，那么此时的开关就可以选择POO从ωt₁开通到ωt₁₂，得到的斩波电压即等效为线电压u_ab。同理如图14所示，在ωt₁和ωt₂区间u_bc的面积S_bc＝S₅+S₆，u_d在ωt₂和ωt′₁₂之间的面积S_d＝S₄+S₆，这其中令S_bc＝S_d即S₄＝S₅，即可求出ωt′₁₂，那么此时选择开关PPO从ωt′₁₂一直开通到ωt₂，这时得到的斩波电压即等效为线电压u_bc。那么在ωt₁和ωt₂区间有一部分是θ＝ωt′₁₂-ωt₁₂，此时的开关状态可选择PPP或者是OOO，以满足斩波周期T，选择PPP或者OOO主要依据是最小开关量，这里也要说明一点为什么选取POO和PPO，因为这样斩出的线电压u_ab和u_bc之间没有干扰。由上可以得到，此时系统的精确程度主要取决于斩波周期T＝ωt₂-ωt₁。

同理，在第二区域中，线电压u_ab＜0，线电压u_bc＞0，线电压u_ca＜0，选取开关状态为PPO和OPO，这样线电压u_ab和u_ca之间没有干扰；在第三区域中，线电压u_ab＜0，线电压u_bc＞0，线电压u_ca＞0，选取开关状态OPO和OPP，这样线电压u_bc和u_ca之间没有干扰；在第四区域中，线电压u_ab＜0，线电压u_bc＜0，线电压u_ca＞0，选取开关状态OPP和OPP，这样线电压u_ab和u_bc之间没有干扰；在第五区域中，线电压u_ab＞0，线电压u_bc＜0，线电压u_ca＞0，选取开关状态OOP和POP，这样线电压u_ab和u_ca之间没有干扰；在第六区域中，线电压u_ab＞0，线电压u_bc＜0，线电压u_ca＜0，选取开关状态POP和POO，这样线电压u_bc和u_ca之间没有干扰。以上是一个周期选取的开关状态，以后每个周期与其相同。

表1

根据以上方法，将每个区域分成6个部分，每个部分为10°，那么每10°的长度根据以上图定义线电压

其中，u_ab为A相桥臂与B相桥臂间的线电压；其中，u_bc为B相桥臂与C相桥臂间的线电压；其中，u_ca为C相桥臂与A相桥臂间的线电压；

以第一区域为例

那么线电压u_ab在ωt₁和ωt₂区间的面积S_ab为

$S_{\mathrm{ab}}={\∫}_{{\mathrm{\ωt}}_1}^{{\mathrm{\ωt}}_2}{u}_{\mathrm{ab}}\mathrm{d\ωt}---\left(16\right)$

根据θ₁＝ωt₁，θ₁₂＝ωt₁₂，θ′₁₂＝ω′t₁₂与θ₂＝ωt₂得

可以计算的到 $S_{{\mathrm{ab}}_1}=0.1427m\·u_d$

令m＝1

直流电压u_d在ωt₁和ωt₁₂区间的面积

令可得t′＝0.1427

由可得POO的开通时间

$\mathrm{\τ}=\frac{t^{\′}}{t}\·T=\frac{0.1427}{0.1744}\·T=0.818T---\left(18\right)$

其余的5个区间与上原理相同。

步骤3-1、按相位将第一周期中线电压的波形分为6个区域，即第一区、第二区、第三区、第四区、第五区和第六区，并确定上述6个区中每个区的计算角度θ₁、θ₂，

θ₁＝ωt₁            (1)

θ₂＝ωt₂           (2)

其中，ω为角频率、t₁为第一时间、t₂为第二时间、θ₁为系统每个区的t₁时刻的计算角度、θ₂为系统每个区的t₂时刻的计算角度；

步骤3-2、确定第一区内功率开关的开通时间；

VT₁～VT₆是六个功率开关管，A、B、C分别代表三个桥臂的开关状态。当上桥臂开关管“开”状态时(此时下桥臂开关管必需是“关”状态)，开关状态为1；当下桥臂开关管“开”状态时(此时上桥臂开关管必需是“关”状态)，开关状态为0；三个桥臂只有“1”或“0”两种状态，因此A、B、C形成000、001、010、011、100、101、110、111共八种(2³＝8)开关模式。其中000和111开关模式使逆变器输出电压为零，所以称这两种开关模式为零状态。

确定功率开关的开通时间公式如下：

其中，t₁₁为第一区间内A相桥臂导通时间，同时也是B、C相桥臂关闭的时间；t₂₁为第一区间内A、B相桥臂导通时间，同时也是C相桥臂关闭的时间；m为调制比，即正弦波峰值与直流电压的比值；u_d为直流侧电压值，ωt＝θ为计算单位；π为圆周率；f为给定频率；

步骤3-3、确定第二区内功率开关的开通时间；

确定功率开关的开通时间公式如下：

其中，t₁₂为第二区间内A、B相桥臂导通时间，同时也是C相桥臂关闭的时间；t₂₂为第二区间内B相桥臂导通时间，同时也是A、C相桥臂关闭的时间；

步骤3-4、确定第三区内功率开关的开通时间；

确定功率开关的开通时间公式如下：

其中，t₁₃为第三区间内B相桥臂导通时间，同时也是A、C相桥臂关闭的时间；t₂₃为第三区间内A相桥臂关闭时间，同时也是B、C相桥臂导通的时间；

步骤3-5、确定第四区内功率开关的开通时间；

确定功率开关的开通时间公式如下：

其中，t₁₄为第四区间内A相桥臂关闭时间，同时也是B、C相桥臂导通的时间；t₂₄为第四区间内A、B相桥臂关闭时间，同时也是C相桥臂导通的时间；

步骤3-6、确定第五区内功率开关的开通时间；

确定功率开关的开通时间公式如下：

其中，t₁₅为第五区间内A、B相桥臂关闭时间，同时也是C相桥臂导通的时间；t₂₅为第五区间内A、C相桥臂导通时间，同时也是B相桥臂关闭的时间；

步骤3-7、确定第六区内功率开关的开通时间；

确定功率开关的开通时间公式如下：

其中，t₁₆为第六区间内A、C相桥臂导通时间，同时也是B相桥臂关闭的时间；t₂₆为第六区间内A相桥臂导通时间，同时也是B、C相桥臂关闭的时间；

步骤3-8、将计算所得的6个区域的时间数据经过数据转换发送至DSP内的EV事件管理器中的比较寄存器，根据EV管理器内部的计数器的值和比较寄存器中的值的关系，将比较结果发送至PWM模块，产生PWM脉冲送至驱动和功率放大单元触发各个功率开关管；

步骤4、判断AD采样模块是否接收DSP发送的AD采样中断信号，若接收到，则执行步骤5；否则，则执行步骤6；

步骤5、AD采样模块采集电压、电流信号；

步骤6、DSP对采样所得交流电压、电流信号进行计算，获得三相电压的幅值、相角正弦值，三相电流的有效值；

步骤7、对交流电压给定值和交流电压反馈值进行做差计算，并采用PI控制算法对差值进行计算；

步骤8、DSP模块计算电流的有效值得到的瞬时电流的给定值与反馈电流值进行做差计算，并采用PI控制算法对差值进行计算；

步骤9：判断DSP内部的GP1定时器是否接受到下溢中断信号，若有，则执行步骤10；否则，则返回执行步骤9；

步骤10：DSP将AD采样中断标志置为启动状态，发出中断信号，并返回执行步骤3。

图15～17是系统输出的线电压及相电压的波形输出，其中，图15、16为输入直流侧电压536V，图17输入直流侧电压为415V。

Claims (3)

1.一种逆向求解的PWM逆变器，包括主电路单元、驱动和功率放大单元、PWM模块、AD采样模块、DSP处理器、串口通讯模块、显示单元、直流电压检测电路和直流电压调理电路，其特征在于：还包括电压电流检测及调理电路、电网A相电压过零点检测及调理电路，其中，

所述的电压电流检测及调理电路中A相电压信号连接第一差分电路第一输入端和第三差分电路第二输入端；B相电压信号连接第一差分电路第二输入端和第二差分电路第一输入端；C相电压信号连接第三差分电路第一输入端和第二差分电路第二输入端，所述的第一差分电路输出端连接第一移相电路第一输入端端和第一电压抬升电路输入端，第二差分电路输出端连接第二移相电路第一输入端端和第二电压抬升电路输入端，第三差分电路输出端连接第三移相电路第一输入端；第一移相电路输出端连接第一整流电路输入端和第一过零点检测电路输入端；第二移相电路输出端连接第二整流电路输入端、第二过零点检测电路输入端和第二电压抬升电路输入端，第三移相电路输出端连接第三整流电路输入端和第三过零点检测电路输入端；第一移相电路第二输入端、第二移相电路第二输入端和第三移相电路的第二输入端连接；第一移相电路第三输入端、第二移相电路第三输入端和第三移相电路的第三输入端连接；第一整流电路输出端、第二整流电路输出端和第三整流电路输出端相连，再连接过压保护电路输入端；

所述的电网A相电压过零点检测及调理电路中放大电路输出端连接比较电路输入端；

所述的第一移相电路、第二移相电路和第三移相电路结构相同，均包括一个移相电路放大器、移相电路第一电阻、移相电路第二电阻、移相电路第三电阻、移相电路第四电阻、移相电路第五电阻和一个移相电路电容，其中，移相电路第一电阻的一端作为移相电路的输入端，移相电路第一电阻的另一端连接移相电路放大器的反相输入端；移相电路放大器的反相输入端同时连接移相电路第二电阻的一端和移相电路第四电阻的一端，所述的移相电路第四电阻的另一端连接移相电路放大器的输出端；移相电路放大器的输出端同时连接移相电路电容的一端，移相电路电容的另一端连接移相电路第三电阻的一端；移相电路放大器的同相输入端连接移相电路第五电阻的一端，移相电路第五电阻的另一端接地；

所述的第一整流电路、第二整流电路和第三整流电路结构相同，均包括一个整流电路放大器、一个整流电路二极管、整流电路第一电阻、整流电路第二电阻、整流电路第三电阻和整流电路第四电阻，其中，整流电路第一电阻的一端连接整流电路第二电阻的一端，并作为整流电路的输入端；整流电路第一电阻的另一端连接整流电路第三电阻的一端和整流电路放大器的反相输入端；整流电路放大器的同相输入端接地；整流电路第二电阻的另一端连接整流电路第三电阻的另一端、整流电路第四电阻的一端和整流电路二极管的正极，所述整流电路二极管的负极连接整流电路放大器的输出端；所述的整流电路第四电阻的另一端作为整流电路的输出端；

所述的第一过零点检测电路、第二过零点检测电路和第三过零点检测电路结构相同，均包括一个过零点检测电路放大器、一个过零点检测电路滞环比较器、过零点检测电路第一二极管、过零点检测电路第二二极管、过零点检测电路第一电阻、过零点检测电路第二电阻、过零点检测电路第三电阻和过零点检测电路第四电阻，其中，过零点检测电路放大器的反相输入端作为过零点检测电路的输入端；过零点检测电路第一电阻的一端接地，另一端连接过零点检测电路放大器的同相输入端和过零点检测电路第二电阻的一端，所述的过零点检测电路第二电阻的另一端连接过零点检测电路放大器的输出端和过零点检测电路第三电阻的一端，过零点检测电路第三电阻的另一端连接过零点检测电路第一二极管的负极和过零点检测电路第二二极管的负极，所述的过零点检测电路第二二极管的正极接地，过零点检测电路第一二极管的正极连接过零点检测电路滞环比较器的输入端和过零点检测电路第四电阻的一端，所述的过零点检测电路第四电阻另一端接电源，所述的过零点检测电路滞环比较器的输出端作为过零点检测电路的输出端；

所述的第一电压抬升电路和第二电压抬升电路结构相同，均包括一个电压抬升电路放大器、电压抬升电路第一电阻、电压抬升电路第二电阻、电压抬升电路第三电阻、电压抬升电路第四电阻和电压抬升电路第五电阻，其中，电压抬升电路第一电阻一端接地，另一端连接电压抬升电路第二电阻一端、电压抬升电路第四电阻一端和电压抬升电路放大器反相输入端；电压抬升电路第二电阻另一端连接电压抬升电路第三电阻一端和电压抬升电路放大器输出端；所述电压抬升电路第三电阻另一端作为电压抬升电路的输出端；所述的电压抬升电路第四电阻的另一端作为电压抬升电路的输入端；电压抬升电路第五电阻一端连接电压抬升电路放大器同相输入端，另一端连接地；

所述的过压保护电路包括一个过压保护电路放大器、一个过压保护电路电容、一个过压保护电路二极管、过压保护电路第一电阻、过压保护电路第二电阻和过压保护电路第三电阻，其中，过压保护电路放大器的反相输入端作为过压保护电路的输入端；过压保护电路放大器的同相输入端接地；过压保护电路放大器的输出端与反相输入端之间连接过压保护电路第一电阻，过压保护电路放大器的输出端同时连接过压保护电路第二电阻的一端，过压保护电路第二电阻的另一端连接过压保护电路第三电阻的一端、过压保护电路电容的一端和过压保护电路二极管的负极，并作为过压保护电路的输出端；所述的过压保护电路第三电阻另一端、过压保护电路电容另一端和过压保护电路二极管的正极连接；

所述的电网A相电压过零点检测及调理电路中，

放大电路包括一个放大电路放大器、一个放大电路电容、放大电路第一电阻、放大电路第二电阻和放大电路第三电阻，其中，放大电路放大器的反相输入端连接放大电路第一电阻一端、放大电路第二电阻一端，所述的放大电路第一电阻的另一端连接放大电路电容的一端，并作为放大电路的输入端，所述的放大电路电容的另一端接地；所述的放大电路第二电阻的另一端连接放大电路放大器输出端，并作为放大电路的输出端；放大电路放大器的同相输入端连接放大电路第三电阻的一端，放大电路第三电阻的另一端接地；

比较电路包括一个比较电路放大器、比较电路第一二极管、比较电路第二二极管、一个比较电路滞环比较器、比较电路第一电阻、比较电路第二电阻、比较电路第三电阻和比较电路第四电阻，其中，比较电路第一电阻一端接地，另一端连接比较电路放大器同相输入端和比较电路第二电阻一端，所述的比较电路第二电阻另一端连接比较电路放大器输出端和比较电路第三电阻一端，所述的比较电路第三电阻另一端连接比较电路第一二极管负极和比较电路第二二极管负极，所述的比较电路第一二极管正极接地，比较电路第二二极管正极连接比较电路第四电阻的一端和比较电路滞环比较器的输入端，所述的比较电路第四电阻的另一端连接电源；比较电路放大器的反相输入端作为比较电路的输入端，比较电路滞环比较器的输出端作为比较电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的逆向求解的PWM逆变器，其特征在于：所述的第一差分电路、第二差分电路和第三差分电路结构相同，均包括一个放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，其中，第一电阻的一端作为差分电路的第二输入端，第一电阻的另一端连接放大器的反相输入端；第二电阻的一端作为差分电路的第一输入端，第二电阻的另一端连接放大器的同相输入端；放大器的同相输入端连接第三电阻的一端，第三电阻的另一端接地；放大器的反相输入端与输出端之间连接有第四电阻，并且放大器输出端作为差分电路输出端。

3.采用权利要求1所述的一种逆向求解的PWM逆变器进行控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、DSP模块判断是否接收到启动命令，若接收到，则执行步骤2；否则继续判断是否接收到启动命令；

步骤2、采用显示单元设置系统输出电压及输出频率；

步骤3、DSP控制器根据系统的输出电压及输出频率，确定主电路单元中6个功率开关的开通时间；

步骤3-1、按相位将第一周期中线电压的波形分为6个区域，即第一区、第二区、第三区、第四区、第五区和第六区，并确定上述6个区中每个区的计算角度θ₁、θ₂，

θ₁＝ωt₁   (1)

θ₂＝ωt₂   (2)

其中，ω为角频率、t₁为第一时间、t₂为第二时间、θ₁为系统每个区的t₁时刻的计算角度、θ₂为系统每个区的t₂时刻的计算角度；

步骤3-2、确定第一区内功率开关的开通时间；

确定功率开关的开通时间公式如下：

其中，t₁₁为第一区间内A相桥臂导通时间，同时也是B、C相桥臂关闭的时间；t₂₁为第一区间内A、B相桥臂导通时间，同时也是C相桥臂关闭的时间；m为调制比，即正弦波峰值与直流电压的比值；u_d为直流侧电压值，ωt＝θ为计算单位；π为圆周率；f为给定频率；

步骤3-3、确定第二区内功率开关的开通时间；

确定功率开关的开通时间公式如下：

其中，t₁₂为第二区间内A、B相桥臂导通时间，同时也是C相桥臂关闭的时间；t₂₂为第二区间内B相桥臂导通时间，同时也是A、C相桥臂关闭的时间；

步骤3-4、确定第三区内功率开关的开通时间；

确定功率开关的开通时间公式如下：

其中，t₁₃为第三区间内B相桥臂导通时间，同时也是A、C相桥臂关闭的时间；t₂₃为第三区间内A相桥臂关闭时间，同时也是B、C相桥臂导通的时间；

步骤3-5、确定第四区内功率开关的开通时间；

确定功率开关的开通时间公式如下：

其中，t₁₄为第四区间内A相桥臂关闭时间，同时也是B、C相桥臂导通的时间；t₂₄为第四区间内A、B相桥臂关闭时间，同时也是C相桥臂导通的时间；

步骤3-6、确定第五区内功率开关的开通时间；

确定功率开关的开通时间公式如下：

其中，t₁₅为第五区间内A、B相桥臂关闭时间，同时也是C相桥臂导通的时间；t₂₅为第五区间内A、C相桥臂导通时间，同时也是B相桥臂关闭的时间；

步骤3-7、确定第六区内功率开关的开通时间；

确定功率开关的开通时间公式如下：

其中，t₁₆为第六区间内A、C相桥臂导通时间，同时也是B相桥臂关闭的时间；t₂₆为第六区间内A相桥臂导通时间，同时也是B、C相桥臂关闭的时间；

步骤3-8、将计算所得的6个区域的时间数据经过数据转换发送至DSP内的EV事件管理器中的比较寄存器，根据EV管理器内部的计数器的值和比较寄存器中的值的关系，将比较结果发送至PWM模块，产生PWM脉冲送至驱动和功率放大单元触发各个功率开关管；

步骤4、判断AD采样模块是否接收DSP发送的AD采样中断信号，若接收到，则执行步骤5；否则，则执行步骤6；

步骤5、AD采样模块采集电压、电流信号；

步骤6、DSP对采样所得交流电压、电流信号进行计算，获得三相电压的幅值、相角正弦值，三相电流的有效值；

步骤7、对交流电压给定值和交流电压反馈值进行做差计算，并采用PI控制算法对差值进行计算；

步骤8、DSP模块计算电流的有效值得到的瞬时电流的给定值与反馈电流值进行做差计算，并采用PI控制算法对差值进行计算；

步骤9：判断DSP内部的GP1定时器是否接受到下溢中断信号，若有，则执行步骤10；否则，则返回执行步骤9；

步骤10：DSP将AD采样中断标志置为启动状态，发出中断信号，并返回执行步骤3。