CN106787902A - 一种修正波逆变器输出电压控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种修正波逆变器输出电压控制系统及控制方法，包括有逆变单元、采样单元及主控单元，主控单元用于：通过采样单元对母线电压进行采样；向逆变单元输出多路PWM驱动信号，以令逆变单元输出交流电压；计算交流电压单个周期内的母线电压采样点的AD值累加和；根据采样点的数量计算AD值累加和的平均值；根据平均值计算母线电压值；根据交流电压单个周期的时间以及在该周期内逆变单元的桥臂处于导通状态的时间，计算逆变单元输出电压的占空比；根据母线电压值和占空比计算逆变单元的输出电压值；根据输出电压值控制逆变单元的工作状态。本发明能减小误差、提高控制精度和减轻运算负担。

Description

一种修正波逆变器输出电压控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及逆变器，尤其涉及一种修正波逆变器输出电压控制系统及控制方法。

背景技术

目前的修正波逆变器在测量输出电压时，通常是在逆变器的输出侧，利用分压电阻分压或运放将输出电压按比例缩小后来计算输出电压。但这种方式有个比较明显的缺陷，就是在母线电压波动比较大时，测量结果会出现较大的偏差，导致输出电压的波动范围较大，单片机在运算时会产生很大的误差，进而影响输出电压的控制精度。另外，采用这种方法通常还会涉及到平方和计算，即每采样一个AD值都需要计算一次平方和，对普通单片机来说，这是非常大的负担，严重影响程序的运行效率，若减少单个周期内能采样的AD次数，也会进一步增大误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种从逆变器的输入侧进行采样，能有效减小误差、能提高控制精度、减轻运算负担的修正波逆变器输出电压控制系统及控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种修正波逆变器输出电压控制系统，其包括有：一逆变单元，其输入端连接母线，所述逆变单元用于将母线上传输的直流电压逆变为交流电压；一采样单元，其输入端连接于母线，所述采样单元用于采集母线电压；一主控单元，其分别连接于采样单元的输出端和逆变单元的控制端，所述主控单元用于：通过采样单元对母线电压进行采样；向逆变单元输出多路PWM驱动信号，以令所述逆变单元输出交流电压；计算所述交流电压单个周期内的母线电压采样点的AD值累加和；根据采样点的数量计算AD值累加和的平均值；根据所述平均值计算母线电压值；根据交流电压单个周期的时间以及在该周期内逆变单元的桥臂处于导通状态的时间，计算逆变单元输出电压的占空比；根据所述母线电压值和所述占空比计算逆变单元的输出电压值；判断逆变单元的输出电压值是否达到预设值：若该输出电压值小于预设值，则提高逆变单元各桥臂的导通时间；若该输出电压值大于预设值，则缩短逆变单元各桥臂的导通时间。

优选地，所述逆变单元是包括有四个MOS管的四桥臂逆变器。

优选地，所述采样单元包括有连接于母线与地之间并且依次串联的第一采样电阻和第二采样电阻，所述第一采样电阻和第二采样电阻的连接点与主控单元的AD端口相连。

优选地，所述主控单元包括有单片机及其外围电路。

一种修正波逆变器输出电压控制方法，该方法基于一系统实现，所述系统包括有一逆变单元、一采样单元及一主控单元，所述方法包括有如下步骤：步骤S1，系统初始化：所述主控单元通过采样单元对母线电压进行采样，并且向逆变单元输出多路PWM驱动信号，以令所述逆变单元输出交流电压；步骤S2，所述主控单元计算所述交流电压单个周期内的母线电压采样点的AD值累加和；步骤S3，所述主控单元根据采样点的数量计算AD值累加和的平均值；步骤S4，所述主控单元根据所述平均值计算母线电压值；步骤S5，所述主控单元根据交流电压单个周期的时间以及在该周期内逆变单元的桥臂处于导通状态的时间，计算逆变单元输出电压的占空比；步骤S6，所述主控单元根据所述母线电压值和所述占空比计算逆变单元的输出电压值；步骤S7，所述主控单元判断逆变单元的输出电压值是否达到预设值：若该输出电压值小于预设值，则提高逆变单元各桥臂的导通时间；若该输出电压值大于预设值，则缩短逆变单元各桥臂的导通时间。

优选地，所述步骤S2中，所述主控单元通过如下算法计算AD值累加和：其中，AdSum为累加和，i为采样点的序号，k为交流电压单个周期内的采样点数量，Adi为第i次采样结果。

优选地，所述步骤S3中，所述主控单元通过如下算法计算AD值累加和的平均值：AdAvg＝AdSum/k；其中，AdAvg为平均值，AdSum为累加和，k为交流电压单个周期内的采样点数量。

优选地，所述步骤S4中，所述主控单元通过如下算法计算母线电压值：VBus＝AdAvg*VRef/2^AdBit/Scale；其中，VBus为母线电压，VRef为AD参考电压，AdBit为AD转换位数，Scale为AD采样缩放系数。

优选地，所述步骤S5中，所述主控单元通过如下算法计算逆变单元输出电压的占空比：Duty＝Ton/Tcycle；其中，Duty为逆变单元输出电压的占空比，Tcycle为交流电压单个周期的时间，Ton为该周期内逆变单元的桥臂处于导通状态的时间。

优选地，所述步骤S6中，所述主控单元通过如下算法计算逆变单元的输出电压值：其中，Vout为逆变单元的输出电压值，VBus为母线电压，Duty为逆变单元输出电压的占空比。

本发明公开的修正波逆变器输出电压控制系统及控制方法中，先对母线电压进行多点采样，主控单元将多个采样点的AD值进行累加后计算出平均值，再根据平均值换算母线电压，之后计算在单个交流周期的时间范围内，逆变单元桥臂的导通时间，即在该周期内逆变单元有电压输出的时间，利用该导通时间与该交流周期总体时间计算出输出电压的占空比，根据有效电压值的换算关系，结合该占空比与母线电压值计算得出逆变单元的输出电压值，最后判断逆变单元的输出电压是否达到目标，若输出电压过低，则通过提高PWM驱动信号的占空比，来提高逆变单元各桥臂的导通时间，使逆变单元的输出电压得以升高；若输出电压过高，则通过降低PWM驱动信号的占空比，来减少逆变单元各桥臂的导通时间，使逆变单元的输出电压得以降低。主控单元反复进行上述调节，可使逆变单元的输出电压维持在目标值。上述方法仅针对母线上的直流电压进行采样、运算，无需对逆变单元的输出侧采样，相比现有技术而言，避免了因输入电压波动范围较大而影响运算精度，同时，本发明不涉及AD值的平方和运算，有效减少了在信号采集和处理过程中的误差，不仅减轻了运算负担，而且提高了控制精度。

附图说明

图1为本发明修正波逆变器输出电压控制系统的组成框图。

图2为逆变单元和采样单元的电路原理图。

图3为本发明修正波逆变器输出电压控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。

本发明公开了一种修正波逆变器输出电压控制系统，结合图1和图2所示，其包括有一逆变单元1、一采样单元2及一主控单元3，其中：

所述逆变单元1的输入端连接母线，所述逆变单元1用于将母线上传输的直流电压逆变为交流电压；

所述采样单元2的输入端连接于母线，所述采样单元2用于采集母线电压；

所述主控单元3分别连接于采样单元2的输出端和逆变单元1的控制端，所述主控单元3用于：

通过采样单元2对母线电压进行采样；

向逆变单元1输出多路PWM驱动信号，以令所述逆变单元1输出交流电压；

计算所述交流电压单个周期内的母线电压采样点的AD值累加和；

根据采样点的数量计算AD值累加和的平均值；

根据所述平均值计算母线电压值；

根据交流电压单个周期的时间以及在该周期内逆变单元1的桥臂处于导通状态的时间，计算逆变单元1输出电压的占空比；

根据所述母线电压值和所述占空比计算逆变单元1的输出电压值；

判断逆变单元1的输出电压值是否达到预设值：若该输出电压值小于预设值，则提高逆变单元1各桥臂的导通时间；若该输出电压值大于预设值，则缩短逆变单元1各桥臂的导通时间。

该系统仅针对母线上的直流电压进行采样、运算，无需对逆变单元1的输出侧采样，相比现有技术而言，避免了因输入电压波动范围较大而影响运算精度，同时，本发明不涉及AD值的平方和运算，有效减少了在信号采集和处理过程中的误差，不仅减轻了运算负担，而且提高了控制精度。

本实施例中，关于电路配置，所述逆变单元1是包括有四个MOS管(Q1、Q2、Q3、Q4)的四桥臂逆变器。所述采样单元2包括有连接于母线与地之间并且依次串联的第一采样电阻R1和第二采样电阻R2，所述第一采样电阻R1和第二采样电阻R2的连接点与主控单元3的AD端口相连。所述主控单元3包括有单片机及其外围电路。进一步地，所述逆变单元1的输入端通过滤波电容C1接地。

在此基础上，本发明还公开了一种修正波逆变器输出电压控制方法，结合图1至图3所示，该方法基于一系统实现，所述系统包括有一逆变单元1、一采样单元2及一主控单元3，所述方法包括有如下步骤：

步骤S1，系统初始化：所述主控单元3通过采样单元2对母线电压进行采样，并且向逆变单元1输出多路PWM驱动信号，以令所述逆变单元1输出交流电压；

步骤S2，所述主控单元3计算所述交流电压单个周期内的母线电压采样点的AD值累加和；

步骤S3，所述主控单元3根据采样点的数量计算AD值累加和的平均值；

步骤S4，所述主控单元3根据所述平均值计算母线电压值；

步骤S5，所述主控单元3根据交流电压单个周期的时间以及在该周期内逆变单元1的桥臂处于导通状态的时间，计算逆变单元1输出电压的占空比；

步骤S6，所述主控单元3根据所述母线电压值和所述占空比计算逆变单元1的输出电压值；

步骤S7，所述主控单元3判断逆变单元1的输出电压值是否达到预设值：

若该输出电压值小于预设值，则提高逆变单元1各桥臂的导通时间；

若该输出电压值大于预设值，则缩短逆变单元1各桥臂的导通时间。

上述修正波逆变器输出电压控制方法中，先对母线电压进行多点采样，主控单元3将多个采样点的AD值进行累加后计算出平均值，再根据平均值换算母线电压，之后计算在单个交流周期的时间范围内，逆变单元1桥臂的导通时间，即在该周期内逆变单元1有电压输出的时间，利用该导通时间与该交流周期总体时间计算出输出电压的占空比，根据有效电压值的换算关系，结合该占空比与母线电压值计算得出逆变单元1的输出电压值，最后判断逆变单元1的输出电压是否达到目标，若输出电压过低，则通过提高PWM驱动信号的占空比，来提高逆变单元1各桥臂的导通时间，使逆变单元1的输出电压得以升高；若输出电压过高，则通过降低PWM驱动信号的占空比，来减少逆变单元1各桥臂的导通时间，使逆变单元1的输出电压得以降低。主控单元3反复进行上述调节，可使逆变单元1的输出电压维持在目标值。上述方法仅针对母线上的直流电压进行采样、运算，无需对逆变单元1的输出侧采样，相比现有技术而言，避免了因输入电压波动范围较大而影响运算精度，同时，本发明不涉及AD值的平方和运算，有效减少了在信号采集和处理过程中的误差，不仅减轻了运算负担，而且提高了控制精度。

本发明控制方法中各步骤的具体运算过程可以参考如下实施例：

所述步骤S2中，所述主控单元3通过如下算法计算AD值累加和：

其中，AdSum为累加和，i为采样点的序号，k为交流电压单个周期内的采样点数量，Adi为第i次采样结果。该AD值是主控单元3对采样信号进行模数转换后的数字量。

所述步骤S3中，所述主控单元3通过如下算法计算AD值累加和的平均值：

AdAvg＝AdSum/k；

其中，AdAvg为平均值，AdSum为累加和，k为交流电压单个周期内的采样点数量。

所述步骤S4中，所述主控单元3通过如下算法计算母线电压值：

VBus＝AdAvg*VRef/2^AdBit/Scale；

其中，VBus为母线电压，VRef为AD参考电压，AdBit为AD转换位数，Scale为AD采样缩放系数。该步骤S3和步骤S4用来计算母线采样电压的平均值，以供后续运算和处理用。

所述步骤S5中，所述主控单元3通过如下算法计算逆变单元1输出电压的占空比：

Duty＝Ton/Tcycle；

其中，Duty为逆变单元1输出电压的占空比，Tcycle为交流电压单个周期的时间，Ton为该周期内逆变单元1的桥臂处于导通状态的时间。实际应用中，为实现对输出电压的调节，在逆变单元1的一对桥臂关断与另一对桥臂导通的期间，设置一定的延时，该期间所有桥臂均关断，然而当逆变单元1的桥臂导通时，逆变单元1的输出侧有电压输出，当逆变单元1的桥臂全部关断时，逆变单元1的输出侧无电压输出，基于这种特性，使得交流电压的单个周期内，输出电压具有一定的占空比。由于逆变单元1的输出电压值是其交流电压的有效值，结合电压有效值的换算方法可见，逆变单元1输入侧的母线电压值、输出电压值与输出电压的占空比存在换算关系。应当说明的是，本发明是将母线直流电压逆变为方波交流电压，因此，输出电压的有效值换算与正弦波不同，本实施例应当采用如下运算公式：

PWM方波有效值＝(方波峰值)*(占空比开根号)；

其中，当一对桥臂导通时，直接将母线电压输出，此时交流电压的方波峰值即为母线电压值，所以有：

所述步骤S6中，所述主控单元3通过如下算法计算逆变单元1的输出电压值：

其中，Vout为逆变单元1的输出电压值(即交流电压的有效值)，VBus为母线电压，Duty为逆变单元1输出电压的占空比。

经上述运算后，主控单元3根据计算得出的输出电压值进行对比和判断，可实现对PWM驱动信号的占空比调节，进而实现了对逆变单元1输出电压的调整。

本发明公开的修正波逆变器输出电压控制系统及控制方法中，由于单片机AD采样和运算速度的限制，在单个方波周期内多采样一个AD值和少采样一个AD值，对输出结果的影响相当的大，这是由于如果从逆变器的输出采样，在导通和关闭时采样到的电压是一个非常陡峭的突跳电压；而如果是采母线电压，由于逆变器输出桥导通时的电压就等于母线电压，而输出桥关闭时，由于母线一般都接有储能电容，电压不可能突跳，所以是一个相对缓慢的多的变化，并且一般母线电压本来就很接近逆变器的输出电压，所以单从这一点上说，母线和输出电压之间的相互跳动也远比母线和0V之间的跳动小的多，而本方法又是先算的母线电压的平均值，所以采用本发明时多采一个和少采一个AD值时对最终结果的影响就小了很多。另外，由于本发明可以在AD采样处使用非常小的滤波电容，所以采样的实时性也的到了很大的提高，能更好的跟随母线的电压变化来调节输出电压。所以本方法提高了母线电压波动较大时的测量精度和实时性。

以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种修正波逆变器输出电压控制系统，其特征在于，包括有：

一逆变单元，其输入端连接母线，所述逆变单元用于将母线上传输的直流电压逆变为交流电压；

一采样单元，其输入端连接于母线，所述采样单元用于采集母线电压；

一主控单元，其分别连接于采样单元的输出端和逆变单元的控制端，所述主控单元用于：

通过采样单元对母线电压进行采样；

向逆变单元输出多路PWM驱动信号，以令所述逆变单元输出交流电压；

计算所述交流电压单个周期内的母线电压采样点的AD值累加和；

根据采样点的数量计算AD值累加和的平均值；

根据所述平均值计算母线电压值；

根据交流电压单个周期的时间以及在该周期内逆变单元的桥臂处于导通状态的时间，计算逆变单元输出电压的占空比；

根据所述母线电压值和所述占空比计算逆变单元的输出电压值；

判断逆变单元的输出电压值是否达到预设值：若该输出电压值小于预设值，则提高逆变单元各桥臂的导通时间；若该输出电压值大于预设值，则缩短逆变单元各桥臂的导通时间。

2.如权利要求1所述的修正波逆变器输出电压控制系统，其特征在于，所述逆变单元是包括有四个MOS管的四桥臂逆变器。

3.如权利要求1所述的修正波逆变器输出电压控制系统，其特征在于，所述采样单元包括有连接于母线与地之间并且依次串联的第一采样电阻和第二采样电阻，所述第一采样电阻和第二采样电阻的连接点与主控单元的AD端口相连。

4.如权利要求1所述的修正波逆变器输出电压控制系统，其特征在于，所述主控单元包括有单片机及其外围电路。

5.一种修正波逆变器输出电压控制方法，其特征在于，该方法基于一系统实现，所述系统包括有一逆变单元、一采样单元及一主控单元，所述方法包括有如下步骤：

步骤S1，系统初始化：所述主控单元通过采样单元对母线电压进行采样，并且向逆变单元输出多路PWM驱动信号，以令所述逆变单元输出交流电压；

步骤S2，所述主控单元计算所述交流电压单个周期内的母线电压采样点的AD值累加和；

步骤S3，所述主控单元根据采样点的数量计算AD值累加和的平均值；

步骤S4，所述主控单元根据所述平均值计算母线电压值；

步骤S5，所述主控单元根据交流电压单个周期的时间以及在该周期内逆变单元的桥臂处于导通状态的时间，计算逆变单元输出电压的占空比；

步骤S6，所述主控单元根据所述母线电压值和所述占空比计算逆变单元的输出电压值；

步骤S7，所述主控单元判断逆变单元的输出电压值是否达到预设值：

若该输出电压值小于预设值，则提高逆变单元各桥臂的导通时间；

若该输出电压值大于预设值，则缩短逆变单元各桥臂的导通时间。

6.如权利要求5所述的修正波逆变器输出电压控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述主控单元通过如下算法计算AD值累加和：

$AdSum=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}Adi;$

其中，AdSum为累加和，i为采样点的序号，k为交流电压单个周期内的采样点数量，Adi为第i次采样结果。

7.如权利要求5所述的修正波逆变器输出电压控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述主控单元通过如下算法计算AD值累加和的平均值：

AdAvg＝AdSum/k；

其中，AdAvg为平均值，AdSum为累加和，k为交流电压单个周期内的采样点数量。

8.如权利要求5所述的修正波逆变器输出电压控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述主控单元通过如下算法计算母线电压值：

VBus＝AdAvg*VRef/2^AdBit/Scale；

其中，VBus为母线电压，VRef为AD参考电压，AdBit为AD转换位数，Scale为AD采样缩放系数。

9.如权利要求5所述的修正波逆变器输出电压控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述主控单元通过如下算法计算逆变单元输出电压的占空比：

Duty＝Ton/Tcycle；

其中，Duty为逆变单元输出电压的占空比，Tcycle为交流电压单个周期的时间，Ton为该周期内逆变单元的桥臂处于导通状态的时间。

10.如权利要求5所述的修正波逆变器输出电压控制方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述主控单元通过如下算法计算逆变单元的输出电压值：

$Vout=VBus*\sqrt{Duty};$

其中，Vout为逆变单元的输出电压值，VBus为母线电压，Duty为逆变单元输出电压的占空比。