CN107346947B - 一种恒脉宽输出的逆变器控制电路及其运行方式 - Google Patents

一种恒脉宽输出的逆变器控制电路及其运行方式 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种恒脉宽输出的逆变器控制电路及其运行方式，用于实现逆变器单极性运行。所述逆变器控制电路是由采样模块、反相器、微处理器dsPIC、参考电压发生模块、求和积分模块、比较异或模块、单稳态触发器和驱动电路八部分组成。在所述电路控制下，逆变器输出脉冲宽度恒定，且等于单稳态触发器暂稳态维持时间。每个周期的时间由参考电压、求和积分模块和比较异或模块控制，在一个周期内输出电压等于参考电压。所述控制电路具有输入电压调整性好、鲁棒性强、抑制负载变化能力强、控制简单的优点，不需要精确的数学模型，逆变器输出电压的大小和频率连续可调，输出正弦电压精度高。

Description

一种恒脉宽输出的逆变器控制电路及其运行方式
技术领域
本发明涉及一种逆变器控制电路，具体是一种恒脉宽输出的逆变器单极性控制电路及其运行方式。
背景技术
逆变器的应用范围十分广阔，它广泛应用在电子类产品、光伏发电领域、军工产品、舰船及车辆供电等，在超级计算机、大型电子测控设备、大型强磁设备、高电压强电流实验平台、民航军航系统、军用大功率电磁设备及武器等方面也有广泛应用。
目前，逆变器的控制方法多种多样。最常见的是PWM调制方法，具体包括SPWM技术和SVPWM技术。重复控制可以提高系统稳态性能，增强系统抑制负载扰动的能力，同时可以改善输出电压波形，但其动态性能还需要进一步完善。无差拍控制动态响应速度快，输出波形畸变小、波形质量好，但是对逆变器数学模型精度要求高，系统的鲁棒性差。其他的控制方式还有神经网络控制、模糊控制、滑模变结构控制等，由于其对数学模型精确度或控制器要求过高，在逆变器控制中应用较少。
与逆变器双极性PWM调制相比，单极性控制损耗低，电磁干扰小，高次谐波分量小，在控制中应用较多。
发明内容
本发明的目的是：发明一种逆变器控制电路，具有输入电压调整性好、鲁棒性强、抑制负载变化能力强、控制简单等优点。通过该电路实现逆变器输出电压的大小和频率连续可调，输出正弦电压精度高、畸变率低。
为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：使逆变器工作在单极性运行方式下，其输出脉冲宽度恒定为Ton，且等于单稳态触发器暂稳态维持时间。对输出电压和参考电压之差积分，积分值为零时，逆变器开关状态发生变化。参考电压Vref由dsPIC产生。其计算方法是：对逆变器输出电压脉冲、电感电流和电容电压进行采样，通过与理想参考电压Vref’比较得到误差ΔVref，通过参考电压计算程序产生参考电压Vref，进而对逆变器开关频率进行调制，从而实现逆变器单极性运行。
本发明所述逆变器控制电路是由采样模块、反相器、微处理器dsPIC、参考电压发生模块、求和积分模块、比较异或模块、单稳态触发器和驱动电路八部分组成。上述部分的连接方式为，采样模块包含高频变压器、电流互感器和电压互感器，高频变压器输入端与逆变器输出端连接，电流互感器输入端与滤波电感连接，电压互感器输入端与滤波电容连接。反相器输入端与采样模块中高频变压器输出端连接。采样模块的三路输出与微处理器dsPIC连接。参考电压发生模块输入端与微处理器dsPIC连接。求和积分模块两个输入端A、B分别与反相器和参考电压发生模块的输出端连接。比较异或模块的输入端B与参考电压发生模块连接，输入端A与求和积分模块的输出端C连接，输出端D与同或门输入端A和驱动电路的CMP端口连接。单稳态触发器输入端与比较异或模块输出端C连接，输出端与同或门输入端B连接。同或门输出端与驱动电路的XNOR端口连接。驱动电路输出端连接至开关管S1～S4门极。
逆变器处于单极性控制下，正负半周期对称，现只讨论正半周期。其输出电压有两种情况：等于输入电压vin或0。逆变器输出电压为vin的时间恒为Ton。在该时间段内，求和积分模块输出电压VI为：
Figure BSA0000147375200000021
逆变器输出为0的时间可变，设为toff。此时间段内积分器输出电压VI如下式所示：
Figure BSA0000147375200000022
式(1)(2)中R为积分电阻值，CI为积分电容值。由(1)(2)两式可得：
Figure BSA0000147375200000023
在式(3)中，等号左边是逆变器输出电压，等号右边是参考电压发生模块发出的参考电压，二者严格相等。下文中参考电压Vref的含义为：将目标正弦电压缩小固定倍数，用单片机控制参考电压发生模块发出的标准正弦电压，即用低电压来控制高电压，缩小倍数由电路结构和参数决定。
本发明所述控制电路的具体运行方式如下。
逆变器输出高电压高频脉冲，经采样模块采样得到电压较小的高频脉冲，与反相器连接，得到与逆变器输出端变化规律相反的电压脉冲，此信号作为求和积分模块的一路输入信号。
逆变电路经过滤波器滤波后，得到的负载电压为正弦波。在采样模块中，对滤波电感电流、负载电压采样，使输出电压降至5V以内，与高频脉冲信号一起送入微处理器dsPIC的AD转换端口，离散为数字信号后读入dsPIC。
本发明所述微处理器采用dsPIC单片机，单片机中存储的参考电压计算程序的流程为：开始→初始化→设定输出电压有效值和频率→读AD转换器→是否过电流过电压？——否→查询理想参考电压Vref’→计算参考电压→产生参考电压Vref→控制参考电压发生模块→设定电压是否变化？——否→返回读AD转换器；——是→返回设定输出电压有效值和频率；——是→保护装置动作→结束。
参考电压发生模块在微处理器dsPIC的控制下，发出正弦参考电压，与反相器输出信号一起输入至求和积分模块。将两个信号进行求和、积分运算后，其输出信号与参考电压一同输入至比较异或模块，分别与地电位比较。两比较器经异或门输出至单稳态触发器，下比较器输出至驱动电路。单稳态触发器的输出信号与下比较器输出信号经同或门输入至驱动电路中，进而驱动逆变器的开关管，实现逆变器单极性运行。
本发明由于采用上述结构，具有输入电压调整性好、鲁棒性强、抑制负载变化能力强的优点，不需要精确的数学模型，逆变器输出电压的大小和频率连续可调，输出正弦电压精度高、畸变率低。
本发明由于采用dsPIC单片机作为处理器，具有可编程、低功耗等优点，自带看门狗定时器保证装置稳定运行，EEPROM使数据断电保存。自带AD转换模块简化了电路结构。dsPIC兼有DSP强大的数字处理功能，有利于实现精确的实时控制。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是，电路带负载能力强，输出电压和频率连续可调。通过改变单稳态触发器电容值就可以改变开关频率，与积分器参数无关，控制简单。
附图说明
图1是本发明所述逆变器控制电路的原理图。
图2是本发明所述逆变器控制电路的运行方式流程图。
图3是本发明所述逆变器控制电路的软件流程图。
图4是本发明所述逆变器控制电路的参考电压算法流程图。
图5是本发明所述逆变器控制电路的反相器电路原理图。
图6是本发明所述逆变器控制电路的单稳态触发器电路原理图。
图7是本发明所述逆变器控制电路的驱动电路原理图。
附图标记：采样模块1、反相器2、微处理器dsPIC 3、参考电压发生模块4、求和积分模块5、比较异或模块6、单稳态触发器7、驱动电路8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：如附图1所示，所述逆变器控制电路是由采样模块1、反相器2、微处理器dsPIC 3、参考电压发生模块4、求和积分模块5、比较异或模块6、单稳态触发器7和驱动电路8八部分组成。上述部分的连接方式为，采样模块1包含高频变压器、电流互感器和电压互感器，高频变压器输入端与逆变器输出端连接，电流互感器输入端与滤波电感连接，电压互感器输入端与滤波电容连接。反相器2输入端与采样模块1中高频变压器输出端连接。采样模块1的三路输出与微处理器dsPIC 3连接。参考电压发生模块4输入端与微处理器dsPIC 3连接。求和积分模块5两个输入端A、B分别与反相器2和参考电压发生模块4的输出端连接。比较异或模块6的输入端B与参考电压发生模块4连接，输入端A与求和积分模块5的输出端C连接，输出端D与同或门输入端A和驱动电路8的CMP端口连接。单稳态触发器7输入端与比较异或模块6输出端C连接，输出端与同或门输入端B连接。同或门输出端与驱动电路8的XNOR端口连接。驱动电路8输出端连接至开关管S1～S4门极。
如附图2所示，本发明所述逆变器控制电路运行方式为：开始→采样电压脉冲、电感电流、电容电压→电压脉冲反相→微处理器采样、计算→是否过电流过电压？——否→产生正弦参考电压→求和积分运算→比较异或运算→触发单稳态触发器→产生驱动信号、驱动逆变器→返回至采样电压脉冲、电感电流、电容电压；——是→保护装置动作→结束。逆变器控制电路具体工作原理详述如下。
如附图1所示，采样模块1中对逆变器输出的高频脉冲电压进行采样，将采样得到的高频脉冲信号同时送到反相器2的反相输入端和微处理器dsPIC 3。反相器2将信号作反相比例运算。反相器2电路图如附图5所示。反相器2输出电压与输入电压的关系为：
Figure BSA0000147375200000031
此处比例系数R1和R3可以根据实际电路衰减系数和所需电压大小来确定。一般取R2＝R1//R3。反相器2输出端作为求和积分模块5的一路输入，经积分电阻R连接到其反相输入端。
如附图1所示，采样模块1采样高频脉冲信号、滤波电感电流和滤波电容电压，送入微处理器dsPIC 3，其自带的AD转换模块将三路信号离散化处理后读入单片机。
如附图3所示，本发明所述微处理器dsPIC 3中存储的逆变器控制电路的参考电压计算程序的流程为：
(1)初始化。对寄存器、模数转换器、时钟频率和I/O端口进行初始化设置。
(2)设定输出电压有效值和频率。
(3)读AD转换器。将输入三路模拟信号转化为数字量。
(4)判断是否过电流过电压？如果负载电压或电流超过最大安全值，则保护装置动作，切断电源输入，程序结束；否则执行下一步。
(5)查询理想参考电压Vref’。正弦表提前存储于单片机中，单片机根据所处时刻查询所需正弦值。
(6)计算参考电压。参考电压算法流程图如附图4所示。图中u0、i0为步骤(3)读入的滤波器输出电压和电感电流，正弦值为步骤(5)查表所得的Vref’。负载电压经过比例环节，与理想正弦值做差，得到电压偏差ΔVref。对该偏差进行PI控制后，与负载电流叠加得到电流偏差。电流偏差经过PI控制，与负载电压叠加，得到参考电压。
(7)产生参考电压Vref。
(8)控制参考电压发生模块。将计算得到的参考电压Vref转化为模拟量输出。
(9)判断设定电压是否变化？如果参考电压不发生变化，返回至步骤(3)读AD转换器；如果参考电压发生变化，返回至步骤(2)设定输出电压有效值和频率。
如附图1所示，求和积分模块5的输入信号为：反相器2输出信号和参考电压发生模块4输出的参考电压。求和积分模块5对这两个信号进行求和、积分运算，输出电压与输入电压的关系为：
Figure BSA0000147375200000041
式中RCI应满足如下要求：
Figure BSA0000147375200000042
式中，T。n为单稳态触发器暂稳态维持时间，vin为逆变器直流输入电压，Vcc为运算放大器供电电压。
如附图1所示，比较异或模块6由两个比较器和异或门组成。上比较器实现求和积分模块5输出电压和地比较，下比较器实现参考电压发生模块4输出的参考电压和地比较。上下比较器经异或门输入单稳态触发器7。单稳态触发器7与下比较器输出信号同或，输入驱动电路8的XNOR端口，下比较器连接到驱动电路8的CMP端口。四个驱动信号S1、S2、S3、S4分别驱动四个开关管。AI1和AI2分别连接到逆变器左右两桥臂中点。
下面根据参考电压极性分别讨论比较异或模块6、单稳态触发器7和驱动电路8的工作情况。单稳态触发器7如附图6所示。驱动电路8如附图7所示。
(1)当参考电压大于0时，下比较器输出高电平，输入驱动电路8后，S3关断，S4导通。此时给单稳态触发器7触发信号，其工作于暂稳态，输出高电平。同或门输出高电平，输入驱动电路8后，开关管S1导通，S2关断，逆变器输出为正，经过模块1～4处理后，求和积分模块5输出由零增大，此时间段持续时间为Ton，由单稳态触发器7外接电容决定，称为暂稳态维持时间。
当单稳态触发器7由暂稳态过渡到稳态，其输出低电平。同或门输出低电平，输入驱动电路8后，开关管S1关断，S2导通，逆变器输出为0，经过模块1～4处理后，求和积分模块5输出减小。当求和积分模块5输出反向过零的瞬间，上比较器输出低电平，异或门输出高电平，单稳态触发器7获得触发信号，如此循环运行。
(2)当参考电压小于0时，下比较器输出低电平，输入驱动电路8后，S3导通，S4关断。此时给单稳态触发器7触发信号，其工作于暂稳态，输出高电平。同或门输出低电平，输入驱动电路8后，开关管S1关断，S2导通，逆变器输出为负，经过模块1～4处理后，求和积分模块5输出由零减小，此时间段持续时间为Ton。
当单稳态触发器7由暂稳态过渡到稳态，其输出低电平。同或门输出高电平，输入驱动电路8后，开关管S1导通，S2关断，逆变器输出为0，经过模块1～4处理后，求和积分模块5输出增加。当求和积分模块5输出正向过零的瞬间，上比较器输出高电平，异或门输出高电平，单稳态触发器7获得触发信号，如此循环运行。
本发明所述逆变器控制电路使逆变器工作于单极性模式，可以通过改变参考电压来实现输出电压大小和频率连续可调。

Claims (2)

1.一种恒脉宽输出的逆变器控制电路，其特征在于，所述逆变器控制电路是由采样模块(1)、反相器(2)、微处理器dsPIC(3)、参考电压发生模块(4)、求和积分模块(5)、比较异或模块(6)、单稳态触发器(7)和驱动电路(8)八部分组成；采样模块(1)包含高频变压器、电流互感器和电压互感器，高频变压器输入端与逆变器输出端连接，电流互感器输入端与逆变器的滤波电感连接，电压互感器输入端与逆变器的滤波电容连接；反相器(2)输入端与采样模块(1)的A端口连接；采样模块(1)的A、B、C端口与微处理器dsPIC(3)连接；参考电压发生模块(4)输入端与微处理器dsPIC(3)连接；求和积分模块(5)两个输入端A、B分别与反相器(2)和参考电压发生模块(4)的输出端连接；比较异或模块(6)的输入端B与参考电压发生模块(4)连接，输入端A与求和积分模块(5)的输出端C连接，输出端D与同或门输入端A和驱动电路(8)的CMP端口连接；单稳态触发器(7)输入端与比较异或模块(6)输出端C连接，输出端与同或门输入端B连接；同或门输出端与驱动电路(8)的XNOR端口连接；驱动电路(8)输出端连接至逆变器开关管S1～S4门极。
2.根据权利要求1所述的一种恒脉宽输出的逆变器控制电路，其特征在于，采样模块(1)对逆变器输出电压脉冲、电感电流和滤波器输出电压采样，将电压脉冲信号送入反相器(2)，得到一路求和积分模块(5)的输入信号；采样模块(1)的A端口、B端口、C端口连接到微处理器dsPIC(3)的AD转换端口；微处理器dsPIC(3)执行参考电压计算程序后，控制参考电压发生模块(4)产生参考电压；根据参考电压极性，电路存在两种运行方式：
(1)当参考电压大于0时，下比较器输出高电平；此时给单稳态触发器(7)触发信号，其工作于暂稳态，输出高电平；同或门输出高电平，输入驱动电路(8)后，逆变器输出为正，求和积分模块(5)输出由零增大，此时间段持续时间为Ton，称为暂稳态维持时间，由单稳态触发器(7)外接电容决定；当单稳态触发器(7)由暂稳态过渡到稳态，其输出低电平；同或门输出低电平，输入驱动电路(8)后，逆变器输出为0，求和积分模块(5)输出减小；当求和积分模块(5)输出反向过零的瞬间，上比较器输出低电平，异或门输出高电平，单稳态触发器(7)获得触发信号，如此循环运行；
(2)当参考电压小于0时，下比较器输出低电平；此时给单稳态触发器(7)触发信号，其工作于暂稳态，输出高电平；同或门输出低电平，输入驱动电路(8)后，逆变器输出为负，求和积分模块(5)输出由零减小，此时间段持续时间为Ton；当单稳态触发器(7)由暂稳态过渡到稳态，其输出低电平；同或门输出高电平，输入驱动电路(8)后，逆变器输出为0，求和积分模块(5)输出增大；当求和积分模块(5)输出正向过零的瞬间，上比较器输出高电平，异或门输出高电平，单稳态触发器(7)获得触发信号，如此循环运行。
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Application publication date: 20171114

Assignee: XUZHOU HENGYUAN ELECTRICAL APPLIANCES Co.,Ltd.

Assignor: Hebei University of Technology

Contract record no.: X2022120000008

Denomination of invention: Inverter control circuit with constant pulse width output and its operation mode

Granted publication date: 20200703

License type: Exclusive License

Record date: 20220224