DSP控制SPWM全橋逆變器直流偏磁的研究

在SPWM全橋逆變器中，輸出變壓器的原邊電流為折算到原邊的副邊電流與原邊的勵磁電流之和。如上所述，當(dāng)發(fā)生直流偏磁時(shí)，在第一或第三象限，變壓器鐵心相對導(dǎo)磁率μr迅速減小，某一方向的勵磁電流Iμ以指數(shù)規(guī)律迅速增大，導(dǎo)致輸出變壓器原邊電流的直流分量也迅速增大。因此，SPWM全橋逆變器的直流偏磁問題，可歸結(jié)為輸出變壓器原邊電流的直流分量的產(chǎn)生和迅速增長的問題。如果能將原邊電流的直流分量迅速檢測出來，并加以控制使之減小，就可以解決直流偏磁問題，使SPWM全橋逆變器正常運(yùn)行。

在輸出變壓器中，勵磁電流一般僅占原邊電流的2％，因此原邊電流直流分量的檢測必須首先濾除勵磁電流中的基波及高頻成分，然后再將剩下的直流分量放大后用于控制。勵磁電流中直流分量的提取有硬件提取和軟件提取兩種方法。硬件提取可先經(jīng)有源濾波，再通過A/D口讀入直流量實(shí)現(xiàn)；軟件提取則通過原邊電流瞬時(shí)雙極性A/D采樣并通過一定的濾波算法來實(shí)現(xiàn)。

圖4給出了SPWM全橋逆變器抗直流偏磁數(shù)字PI控制器的原理框圖。對控制器而言，要求原邊電流直流分量以最小誤差收斂到零，并滿足一定的動態(tài)指標(biāo)。

數(shù)字PI控制器使誤差I(lǐng)e（K）為一個(gè)很小的值，誤差I(lǐng)e(K)定義為

Ie(K)=0－i1dc(K)(3)

式中：i1dc(K)為所提取的原邊電流直流分量。

數(shù)字PI控制器根據(jù)i1dc(K)來產(chǎn)生所要求的控制量u(z)=KpIe(z)＋I(xiàn)e(z)(4)

采用增量式PI控制算法，其增量表達(dá)式為：

u(K)=u(K－1)＋Δu(K)（5）

Δu(K)=Kp[Ie(K)＋I(xiàn)e(K－1)]＋KIIe(K)（6）

數(shù)字PI控制器在過去幾十年里得到了廣泛的應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)簡單直觀、魯棒性好、可靠性高，在一定的運(yùn)行范圍內(nèi)可以獲得較為滿意的控制效果。在本文中，采樣輸出變壓器原邊電流用于反饋，通過數(shù)字PI控制器得出的控制量可用于對SPWM驅(qū)動脈寬進(jìn)行修正，以減小原邊電流中的直流分量，把變壓器的直流偏磁限制在較小的范圍之內(nèi)。

此外，在程序中也采用軟啟動技術(shù)，使變壓器剩磁很小，防止開機(jī)時(shí)產(chǎn)生瞬態(tài)飽和。為防止驅(qū)動脈沖過窄而丟失造成直流偏磁，對SPWM驅(qū)動波形的最小占空比進(jìn)行了限制。為避免空載－滿載或滿載－空載等動態(tài)過程中，勵磁電流急劇增大而燒毀功率開關(guān)管，程序中還采用了直流母線電流滯環(huán)封鎖技術(shù)：當(dāng)直流母線電流超過滯環(huán)上限值時(shí)，則封鎖相應(yīng)驅(qū)動脈沖，直到電流減小到滯環(huán)下限值時(shí)，再開放控制脈沖，從而避免逆變顛覆，有效地保護(hù)了開關(guān)管。

4物理實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用德州儀器公司（TI）提供的DSP芯片TMS320F240來實(shí)現(xiàn)SPWM全橋逆變器的數(shù)字控制。TMS320F240具有許多優(yōu)良的特性，諸如采用先進(jìn)的哈佛型結(jié)構(gòu)、50ns指令周期時(shí)間、16×16位硬件乘法器、32位算術(shù)邏輯單元、544字×16位片內(nèi)RAM、16k字×16位片內(nèi)FLASHROM及224k字×16位存儲器地址范圍。為適用于功率變換器領(lǐng)域，TMS320F240還集成了先進(jìn)的外圍設(shè)備，包括含12路PWM通道的事件管理器模塊、雙10位A/D轉(zhuǎn)換模塊、基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘模塊、看門狗定時(shí)器、串行通信

DSP控制SPWM全橋逆變器直流偏磁的研究

（a）驅(qū)動波形（b）uab波形

（a）i1波形（b）uo波形

圖5實(shí)驗(yàn)波形

接口、串行外設(shè)接口、6種外部中斷和28個(gè)獨(dú)立編程多路復(fù)用I/O引腳。

本文介紹的數(shù)字PI抗直流偏磁方案已在一臺直流175～320V輸入，交流400Hz、230V、6kW輸出的××艇中頻逆變電源中得到應(yīng)用。為簡化驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)，提高可靠性，主電路采用三菱公司的IPM模塊PM200DSA120。為降低開關(guān)損耗，此模塊開關(guān)頻率為10kHz。為消除高頻噪聲，減小濾波電路的體積和重量，采用單極倍頻技術(shù)使輸出變壓器原邊的SPWM波形的最低次諧波為20kHz。逆變器滿載時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形圖5所示，其中圖5(a)為S1和S3的驅(qū)動波形，圖5(b)為逆變橋臂輸出電壓uab的波形，圖5(c)為逆變器原邊電流i1波形，圖5(d)為逆變器輸出電壓uo的波形。

5結(jié)語

在對SPWM全橋逆變器中輸出變壓器直流偏磁機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，提出了一種數(shù)字PI控制方案，通過采樣輸出變壓器原邊電流，并提取其直流分量來調(diào)整觸發(fā)脈沖寬度。該方案采用DSP芯片TMS320F240，在一臺全數(shù)字化6kW、400Hz中頻逆變電源上得以實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的方案在很大程度上減小了偏磁所引起的噪聲，較好地解決了輸出變壓器的直流偏磁問題。