CN202059343U - 基于dsp的逆变电源系统 - Google Patents

Abstract

一种基于DSP的逆变电源系统，属于电源领域，本实用新型为解决现有的用于电力UPS系统的逆变电源输出的波形质量不高，且开发成本高，开发周期长的问题。本实用新型方法包括单相全桥逆变电路、驱动电路、DSP、滤波电路和采样电路，单相全桥逆变电路接收直流输入，单相全桥逆变电路的交流电输出端与滤波电路的输入端相连，滤波电路输出220V交流电，采样电路采集滤波电路输出的交流电，采样电路的输出端与驱动电路的采样数据输入端相连，DSP的控制输出端与驱动电路的控制输入端相连，驱动电路2的驱动输出端与单相全桥逆变电路的控制输入端相连。

Description

基于DSP的逆变电源系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于DSP的逆变电源系统，属于电源领域。

背景技术

随着电力电子技术的飞速发展和逆变技术在许多领域的广泛应用，人们对逆变电源性能的要求越来越高，不仅要有很好的输出波形质量，对其稳态、动态性能的要求也在逐渐地提高。而逆变器输出波形质量主要包括三个方面：一是稳态精度要高；二是动态性能要好；三是电路结构和控制方法要简单优良。

针对电力专用的UPS涉及的逆变电源系统，需要将190V～286V的直流电转换成50HZ的220V的稳定交流电，而现有技术输出的波形质量不高，且开发成本高，开发周期长。

发明内容

本实用新型目的是为了解决现有的用于电力UPS系统的逆变电源输出的波形质量不高，且开发成本高，开发周期长的问题，提供了一种基于DSP的逆变电源系统。

本实用新型所述基于DSP的逆变电源系统，它包括单相全桥逆变电路、驱动电路、DSP、滤波电路和采样电路，单相全桥逆变电路接收直流输入，单相全桥逆变电路的交流电输出端与滤波电路的输入端相连，滤波电路输出220V交流电，采样电路采集滤波电路输出的交流电，采样电路的输出端与驱动电路的采样数据输入端相连，DSP的控制输出端与驱动电路的控制输入端相连，驱动电路2的驱动输出端与单相全桥逆变电路的控制输入端相连。

本实用新型的优点：

本文提出了一种适用于5KVA电力专用UPS中的基于DSP控制的逆变电源系统，该系统可将190V～286V的直流电转换成50HZ的220V的稳定交流电，并有较好的稳、动态性能。在控制方案上采用重复控制与PI双闭环控制相结合的方法。其中重复控制能够很好地解决逆变输出的稳态性能；而PI控制有很好的动态调节能力，同时DSP控制芯片又有很高的数据处理能力以及丰富的接口电路，方便了系统的设计，同时也降低了开发成本和周期。各电路设计结构简单、可靠性高、成本低，达到了5KVA电力专用UPS中逆变电源系统的使用要求。

附图说明

图1是本实用新型所述基于DSP的逆变电源系统的流程图

图2是单相全桥逆变电路的具体电路图；

图3是采样电路的结构框图；

图4是采样电路采样交流传感器信号时的电路图；

图5是频率及相位检测调理电路的具体电路图；

图6是输出电压检测电路图；

图7是驱动电路的具体电路图；

图8是系统的主流程框图；

图9是采用本实用新型系统的仿真波形。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1、图8和图9说明本实施方式，本实施方式所述基于DSP的逆变电源系统，它包括单相全桥逆变电路1、驱动电路2、DSP3、滤波电路4和采样电路5，单相全桥逆变电路1接收直流输入，单相全桥逆变电路1的交流电输出端与滤波电路4的输入端相连，滤波电路4输出220V交流电，采样电路5采集滤波电路4输出的交流电，采样电路5的输出端与驱动电路2的采样数据输入端相连，DSP3的控制输出端与驱动电路2的控制输入端相连，驱动电路2的驱动输出端与单相全桥逆变电路1的控制输入端相连。

该系统采用单相全桥逆变电路1。控制回路由DSP3、采样电路5、驱动电路2构成。其中DSP3是系统的核心，可产生SPWM波形控制信号，从而控制驱动电路2完成单相全桥逆变电路1中IGBT主控器件的驱动，同时监测逆变电源输出电压，并通过采样电路实现电源的闭环控制。

软件设计采用C语言和汇编语言相结合的方式，主要完成PI双闭环控制、重复控制、A/D转换、SPWM脉冲的生成等。软件组成如图8所示。

主程序主要完成系统的初始化、协调和控制其它子程序模块的任务。PI控制模块完成电压、电流的双闭环控制功能，使输出电压、电流稳定在设定值上，重复控制模块可将反馈回来的电压或电流信号与给定值求差，得到当前误差量，此误差量和上周期输出量的和做为本周期的输出，即每隔一个周期，输出量获得一次累加，当累加到一定的值时，重复控制器开始作用，直到输出的波形得到改善，达到设计的要求，重复控制器停止调节。SPWM脉冲生成模块可产生规定的正弦波。A/D转换模块将采样的模拟信号转换为数字信号。

仿真分析：应用MATLAB的动态仿真工具Simulink对系统进行仿真，仿真模型中的各参数为：直流电压DC＝280V、逆变额定输出电压U₀＝220V、输出频率f＝50Hz、滤波电容C2＝30uF、滤波电感L1＝1mH、负载R_L＝5Ω、开关管的频率f＝10KHz；内环K_pI＝4.49×10^-4、K_iI＝5.63；外环K_p0＝0.0936、K_i0＝57.8448。重复控制器的各参数Q(z)＝0.95、N＝200、k＝4。仿真波形如图9所示。仿真波形中1表示输出电压，2表示电压的给定，3表示输出负载电流。

仿真结果表明，该系统可获得50HZ的220V的稳定交流电，且系统动态响应快，超调量小，稳态误差较小，逆变输出电压波形的THD＜3％，能够满足5KVA电力专用UPS中逆变电源系统的使用要求。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，它还包括缓冲电路6，缓冲电路6的输出端与单相全桥逆变电路1缓冲控制端相连。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式二作进一步说明，它还包括辅助电源电路7，辅助电源电路7的第一电源输出端与驱动电路2的电源输入端相连，辅助电源电路7的第二电源输出端与DSP3的电源输入端相连。

具体实施方式四：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，单相全桥逆变电路1包括第一IGBT模块T1、第二IGBT模块T2、第三IGBT模块T3、第四IGBT模块T4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、滤波电感L1、第一电阻r、滤波电容C2和第二电阻R_L，第一IGBT模块T1反向并联第一二极管D1，第二IGBT模块T2反向并联第二二极管D2，第三IGBT模块T3反向并联第三二极管D3，第四IGBT模块T4反向并联第四二极管D4，

输入电源正极端与第一IGBT模块T1的源极相连，第一IGBT模块T1的漏极与第四IGBT模块T4的源极相连，第四IGBT模块T4的漏极与输入电源负极端相连；

输入电源正极端还与第二IGBT模块T2的源极相连，第二IGBT模块T2的漏极与第三IGBT模块T3的源极相连，第三IGBT模块T3的漏极与输入电源负极端相连；

第一IGBT模块T1和第四IGBT模块T4相连引出线与滤波电感L1的一端相连，滤波电感L1的另一端与第一电阻r的一端相连，第一电阻r的另一端作为交流电源的一个输出端；

第二IGBT模块T2和第三IGBT模块T3相连引出线作为交流电源的另一个输出端；

交流电源的两个输出端之间并联设置滤波电容C2，交流电源的两个输出端之间还并联设置第二电阻R_L。

系统采用电压型逆变电路，换向是在同桥臂开关管之间进行的，可以通过控制输出电压的幅值和波形来控制其输出电压。

若直流输入电压范围为190V--286V，则加在逆变器上的最大电压为E_d可由式(1)计算：

E_d＝U_max×α×β(1)

式中α为安全系数；β为波动系数；在此取α＝β＝1.1。

关断时IGBT的峰值电压由式(2)计算：

$U_{\mathrm{CESP}}=E_d\×\mathrm{\γ}+L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

式中γ为过压保护系数，取值1.15；

为过冲电压，取值150V。那么U_CESP＝545V。

根据系统的要求，输出交流电压为220V，其稳压精度为±1％，额定输出容量为5KVA，则IGBT模块的峰值电流可以由式(3)计算：

$I_{\mathrm{INV}}=\frac{P_{\mathrm{INV}}\×K_A\×K_R\×\sqrt{2}}{U_{\mathrm{INV}}}---\left(3\right)$

式中K_A为过载因数；K_R为安全系数；P_INV为逆变输入功率(W)；U_INV为逆变输出电压(V)。在此K_A取1.5、K_R取1.2、U_INV＝220(1-1％)V。又

$P_{\mathrm{INV}}=\frac{P_{\mathrm{OUT}}}{\mathrm{\η}}$

由式(3)、(4)可得 $I_{\mathrm{INV}}=\frac{P_{\mathrm{OUT}}\×K_A\×K_R\×\sqrt{2}}{U_{\mathrm{INV}}\×\mathrm{\η}}=\frac{5\mathrm{KVA}\×1.5\×1.2\×\sqrt{2}}{220(1-1\%)V\×0.85}=68.74A.$

考虑到系统的安全性和工作的可靠性，在选择模块时留有一定的余量，最终选择100A/600V的逆变模块，其型号为PM100CLA060，开关频率为20KHz。

单相全桥逆变电路1中由L1、C2构成的低通滤波器又叫常数K型Γ型低通滤波器，为了使滤波的滤波效果更好，根据系统要求取L1、C2的值分别为1mH、30uF。CC  具体实施方式五：本实施方式对实施方式一作进一步说明，IGBT模块选用日本三菱公司生产的六单元L系列IGBT模块。

具体实施方式六：下面结合图7说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，驱动电路2采用三菱公司生产的智能功率IPM模块。

充分利用IPM模块的硬件资源，如PWM管脚的输出用于驱动信号；ADC采集口用来进行模拟量和数字量的转换；CAP捕获引脚用来检测频率和相位等，从而完成波形的产生、控制算法的实现及数据处理等功能。

该模块集成了IGBT的栅极驱动电路^[7]、故障检测和保护电路等。IPM驱动电路如图7所示。来自DSP的SPWM信号经过限流电阻R限流，再经高速光耦隔离放大后送入IPM内部驱动电路并控制开关管工作。IPM中的F₀引脚通过低速光耦连接到DSP的PDPINT引脚，当该引脚为低电平时，DSP发出中断指令，所有的事件管理器输出引脚均被硬件设置为高阻态，此时没有PWM信号的输出，从而达到保护的功能。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式一作进一步说明，DSP3选用TI公司的TMS320F2812数字信号处理芯片。

具体实施方式八：下面结合图3至图6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，采样电路5包括传感器电路5-1、调理电路5-2和A/D转换电路5-3，传感器电路5-1采集滤波电路4输出的220V交流电信号，传感器电路5-1的输出端与调理电路5-2的输入端相连，调理电路5-2的输出端与A/D转换电路5-3的输入端相连。

各电压、电流信号经过传感器电路5-1转换为可测量的电压信号，再经信号调理电路5-2处理后得到满足片内A/D转换要求的0V～3V的采样信号，再送入TMS320F2812的片内A/D转换电路5-3进行A/D转换，输出数字信号给DSP3。

调理电路5-2包括频率、相位检测调理电路和逆变器输出电压检测调理电路。频率、相位检测调理电路：由于本实施方式设计的是UPS中的逆变器，所以要考虑市电输入与逆变器输出之间的切换问题，要想实现两者之间的准确切换，对市电和逆变器输出电压的频率和相位的检测是必不可少的，其检测电路如图5所示。图5中，U1及其外围元件构成放大环节，可将检测到的电压信号进行放大；U2及其外围元件构成比较电路，当输入的电压低于或高于某一电压值(一般设置为0V)时，LM339的输出就会反转，所以LM339的输出为高、低电平，DSP通过对高、低电平在一个工频周期内的计数，即可计算出输入电压的频率，同时也可得到对应的相位。如果逆变器输出电压的频率和相位与市电电压的频率和相位的差值在规定的范围内，可以进行切换，否则不能进行切换。

由于电压传感器的使用会使检测到的相位偏离输入电压的相位，这将对UPS系统在切换时产生影响，严重时可使系统受到破坏。为了解决该问题，电路中用电容C7和可调电阻RP1构成相位补偿电路，从而消除相位偏离的问题。

逆变器输出电压检测调理电路：逆变器输出电压检测电路如图6所示。逆变器输出的电压为220V，50HZ的交流电，该电压经电压传感器采样降压，再经放大环节(由U3及外围电路构成)将检测到的电压放达到规定的电压范围内(0～3)V。由于DSP不能检测负的电压信号，所以放大环节输出的电压要经过一精密整流电路(由U4、U5以及其外围电路构成)，将负半周的电压变成正值，最终该电路使得输入信号变为DSP可以处理的单极性3V以内的电压量。

具体实施方九：本实施方式对实施方式八作进一步说明，传感器电路5-1选用型号为SPT204A的交流传感器。

Claims (9)

1.基于DSP的逆变电源系统，其特征在于，它包括单相全桥逆变电路(1)、驱动电路(2)、DSP(3)、滤波电路(4)和采样电路(5)，单相全桥逆变电路(1)接收直流输入，单相全桥逆变电路(1)的交流电输出端与滤波电路(4)的输入端相连，滤波电路(4)输出220V交流电，采样电路(5)采集滤波电路(4)输出的交流电，采样电路(5)的输出端与驱动电路(2)的采样数据输入端相连，DSP(3)的控制输出端与驱动电路(2)的控制输入端相连，驱动电路(2)的驱动输出端与单相全桥逆变电路(1)的控制输入端相连。

2.根据权利要求1所述的基于DSP的逆变电源系统，其特征在于，它还包括缓冲电路(6)，缓冲电路(6)的输出端与单相全桥逆变电路(1)缓冲控制端相连。

3.根据权利要求1所述的基于DSP的逆变电源系统，其特征在于，它还包括辅助电源电路(7)，辅助电源电路(7)的第一电源输出端与驱动电路(2)的电源输入端相连，辅助电源电路(7)的第二电源输出端与DSP(3)的电源输入端相连。

4.根据权利要求1所述的基于DSP的逆变电源系统，其特征在于，单相全桥逆变电路(1)包括第一IGBT模块(T1)、第二IGBT模块(T2)、第三IGBT模块(T3)、第四IGBT模块(T4)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、滤波电感(L1)、第一电阻(r)、滤波电容(C2)和第二电阻(R_L)，第一IGBT模块(T1)反向并联第一二极管(D1)，第二IGBT模块(T2)反向并联第二二极管(D2)，第三IGBT模块(T3)反向并联第三二极管(D3)，第四IGBT模块(T4)反向并联第四二极管(D4)，

输入电源正极端与第一IGBT模块(T1)的源极相连，第一IGBT模块(T1)的漏极与第四IGBT模块(T4)的源极相连，第四IGBT模块(T4)的漏极与输入电源负极端相连；

输入电源正极端还与第二IGBT模块(T2)的源极相连，第二IGBT模块(T2)的漏极与第三IGBT模块(T3)的源极相连，第三IGBT模块(T3)的漏极与输入电源负极端相连；

第一IGBT模块(T1)和第四IGBT模块(T4)相连引出线与滤波电感(L1)的一端相连，滤波电感(L1)的另一端与第一电阻(r)的一端相连，第一电阻(r)的另一端作为交流电源的一个输出端；

第二IGBT模块(T2)和第三IGBT模块(T3)相连引出线作为交流电源的另一个输出端； 

交流电源的两个输出端之间并联设置滤波电容(C2)，交流电源的两个输出端之间还并联设置第二电阻(R_L)。

5.根据权利要求1所述的基于DSP的逆变电源系统，其特征在于，IGBT模块选用日本三菱公司生产的六单元L系列IGBT模块。

6.根据权利要求1所述的基于DSP的逆变电源系统，其特征在于，驱动电路(2)采用三菱公司生产的智能功率IPM模块。

7.根据权利要求1所述的基于DSP的逆变电源系统，其特征在于，DSP(3)选用TI公司的TMS320F2812数字信号处理芯片。

8.根据权利要求1所述的基于DSP的逆变电源系统，其特征在于，采样电路(5)包括传感器电路(5-1)、调理电路(5-2)和A/D转换电路(5-3)，传感器电路(5-1)采集滤波电路(4)输出的220V交流电信号，传感器电路(5-1)的输出端与调理电路(5-2)的输入端相连，调理电路(5-2)的输出端与A/D转换电路(5-3)的输入端相连。

9.根据权利要求8所述的基于DSP的逆变电源系统，其特征在于，传感器电路(5-1)选用型号为SPT204A的交流传感器。 

Images