基于DSP的逆变电源控制系统设计

1 前 言

    由于电力，通信、航空以及大型信息、数据中心等行业高端设备对供电电源系统容量和质量的要求越来越高，其中“大容量”、“高可靠性”和“不间断”供电的特征，集中体现了高端设备对其动力系统共同和基本要求。本文探讨了基于DSP的逆变电源并联控制系统。文章的创新之处是实现多个逆变器模块的并联供电电源系统，以满足不同的负载功率及供电可靠性要求。逆变电源并联控制技术的研究具有深远的社会影响和社会效益。

2 基于DSP的逆变电源并联系统分析和设计

    2.1 单逆变电源模块分析与硬件设计

    在并联式分布电源系统中，首先必须尽量保证模块间的一致性：每个模块良好的负载特性和稳定；为了满足这样的要求，逆变器主电路的结构不断变化更新，高频软开关技术也广泛地应用到DC/AC逆变电源中。

    高频脉冲直流环节逆变器是基于谐振直流环节逆变器的原理提出的一种新的结构。该逆变器既能够实现输入和输出之间的电气隔离，又能够实现逆变桥功率管的零电压开关。

图1 逆变器的主电路图

    （1） 逆变器主电路

    逆变器主电路如图1所示。主电路由3部分组成：交错并联正激变换电路、吸收电路和全桥逆变电路。

    （2）保护电路以及输出滤波器的设计

    本系统中，采用了滤波电感作为过流保护，如图1所示，滤波电路由Lr1、 Lr2和Cr组成。在直直变换器和吸收电路之间串接滤波电感Lr1和一个较小的电容Cr，在逆变桥输出端另外在串接另一个小电感Lr2。电压反馈检测点取至电感Lr1前面，这样可以起到限流作用。同时，滤波电感又处在电流滞环控制中，一方面起涟波作用，另一方面在电流环中起积分器作用。若Lr1取值过大，将影响：①电流跟踪速度、减缓系统动态响应速度；②导致输出电压稳态精度降低；③增加系统的体积、重量和成本。电感电流的变化率须大于给定电流的变化率，才能保证电感电流跟踪上给定电流，据此推得下式：

    Lr1＜（Ubmax－Uomax sin a）／IgmaxWo

    式中a——感性负载的功率因数角
    Ubmax——脉冲电压Uab的最大峰值
    Uomax——输出电压的峰值

    如果Lr1取值太小，电感电流的脉动量增大，输出电压的质量会受影响，因而必须限制电感电流的最大变化量。经过计算和试验电路参数选择如下：Lr1＝15mH、Lr2＝3mH，Cr＝220nF。

    2.2 控制部分的电路设计和分析

    控制部分的电路主要由一片数字信号处理器（TMS320LF2407A）和脉宽调制专用集成芯片UC3524构成。

    （1）数字信号处理器（TMS320LF2407A）的介绍

    本系统各逆变模块采用美国TI公司的数字信号处理器MS320F2407A，属于TI公司的TMS320C2XX系列。从数据传输预处理的实时性、快速性以及性能价格比等方面考虑，本系统选用了TMS320F2407A。

    （2）SPWM波形的产生

    在本设计中仍然采用专用脉宽调制集成芯片UC3524产生SPWM波形。

图2 逆变模块控制原理图

    由上图2可知：DSP通过高速D／A转换器向UC3524发送标准的半正弦调制波（参考信号），限流参考信号以及载波同步控制信号等控制量。以此来调节SPW调制波形；在图的左部分，直直变换电路和脉宽调制芯片UC3524通过电压、电流反馈构成了一个双闭环系统，这是单个逆变器SPWM生成和稳压控制策略的核心。这样能保证DSP还有大量的系统资源（系统时间）进行各种控制算法以及模块间数据传输，完成并机功能。
 2.3 模块间并联控制部分的设计

    分散逻辑并联控制方式可使各逆变电源模块不依赖于集中控制单元或某个主模块，能独立的检测和控制本模块在系统中的工作状态而实现模块间的输出功率合理分配，并能很好的抑制模块间的环流，从而实现模块化逆变电源在并联电源系统中的独立运行控制。

    根据以上的分散逻辑控制理论分析，本设计中采用的分散控制的并联冗余逆变器控制系统。在该系统设计中，模块之间的CAN总线作为均流互联线，同时从工程实际应用的角度考虑，在系统的中有引入了一组同步母线，由于同步母线和相应的同步控制策略大幅简化了分散逻辑控制并联冗余控制方案的实现。