一種電壓-電壓SPWM控制DC/AC電路的設計

前言

　　正弦波逆變電源被廣泛的應用于電力、郵電、通信、航天等各個領域， 而且隨著微電腦技術的不斷發(fā)展和普及，正弦波逆變電源的應用越來越廣。為了滿足用戶對電能質量的要求，逆變電源在直流輸入電壓波動的情況下應保持輸出電壓恒定。傳統(tǒng)的電壓單環(huán)控制一般存在輸出電壓波動大、動態(tài)響應慢等缺點，很難實現精確控制。在逆變電路中為了克服以上不足，采用電壓前饋控制技術來解決此問題。本文在單相SPWM逆變的基礎上，采用前饋調整三角載波和反饋調整正弦波相結合的電壓- 電壓復合控制方案，較好地解決了輸出電壓瞬態(tài)偏離問題，且實現簡單。

　　電壓- 電壓復合控制基本思想

　　在DC/AC逆變電路中， 輸出電壓與輸入電壓存在一定的線性關系。當輸入電壓變化時，輸出電壓隨之相應改變。為了使輸出電壓保持穩(wěn)定，一般要采集電壓輸出量進行反饋閉環(huán)控制。但是由于逆變電源開關頻率較高， 且電路存在電感、電容等延時元件，使得反饋電壓的變化滯后于輸入電壓的變化， 系統(tǒng)的反應與調節(jié)比較遲緩， 容易造成較大的瞬態(tài)偏離。如果能在輸出電壓變化之前，利用輸入電壓的變化對電路的控制信號進行調節(jié)，即在采用電壓反饋技術的基礎上輔以電壓前饋技術則能較好地解決這個問題。這種電壓- 電壓復合控制，可以實現動態(tài)響應快、調節(jié)迅速、輸出電壓波動小的目的。

　　前饋型DC/ AC控制電路的設計與實現

　　DC/AC逆變器的控制電路可由分立元件或集成元件構成。

　　由分立元件構成的控制電路

　　由分立元件構成的控制電路多采用調制法，即把正弦波信號作為調制波， 用三角波作為載波， 當三角波與正弦波相交時對電路中的開關器件進行控制。采用調制法進行控制時三角載波的頻率是遠大于正弦調制波的頻率的。所以在三角波的一個開關周期中可以近似地認為正弦波Vc 為常量，這樣就與DC/ DC 變頻器的控制規(guī)律是相同的了，如圖1 所示。占空比D =Vc/ Vr(Vc Vt) ，改變Vc、Vr任意一個的幅值即可改變輸出電壓的大小。當三角波由Vr 變?yōu)閂r′時， 占空比的大小由T1/T變?yōu)門2/T。

　　在SPWM中， 一般將正弦波峰值Vc與三角波峰值Vr的比值稱為調制度a ， 即a =Vc/Vr。這樣DC/AC變換電路輸入輸出之間有如下的數量關系: 輸出電壓的基波有效值Uo正比于調制度a及輸入電壓UI， 即UOl = KaUI = KUIVc/Vr ， ( K為常數，與主電路結構有關) 。于是， 當UI變?yōu)樵瓉淼膎倍的時侯， 要保持輸出電壓穩(wěn)定， 三角波峰值電壓也要相應地變?yōu)樵瓉淼膎 倍。

　　據上述原理構成的DC/AC逆變電路如圖2所示。輸入電壓UI分壓后經斬波電路斬波，得到電壓幅值隨輸入電壓變化的方波電壓Us，Us經有源積分電路積分后得到三角波電壓Ur。積分前后的電壓波形如圖3所示。此三角波電壓的峰值是正比于方波幅值電壓的，于是三角波峰值電壓隨輸入電壓成比例地變化，保持了輸出電壓的穩(wěn)定。此電路控制過程獨立， 互不干擾， 使得電路的設計和實際調試變得簡便?？刂撇糠衷O計方法簡單易行，達到了快速穩(wěn)定輸出的目的。

　　控制電路由集成元件構成

　　隨著微處理器性價比的不斷提高， 逆變電源已進入了智能化階段， 可用集成元件來方便地組成控制電路。目前由集成元件實現的控制電路主要有專用集成芯片法和微機生成法。專用的生成SPWM的芯片如SA838、SA868、HEF4752、SLE480等。該方法的優(yōu)點是電路集成度高、可靠性高;微機生成法控制電路由單片機采用軟件方式產生，目前市場上有許多性價比高的單片機， 如PIC系列或引腳少的MC51系列單片機， 可用指令產生SPWM， 并可方便地實現對逆變系統(tǒng)的控制、監(jiān)視、管理和保護。

　　在單相DC/AC變換電路中， 為了簡化控制電路結構， 還可以采用電壓型PWM集成控制芯片如SG1525、TL494 等構成SPWM控制器， 利用控制芯片內部產生的三角波與由外部輸入的正弦調制波進行比較得到SPWM波形。這時三角波的幅值是不能夠進行調節(jié)的，因此利用輸入電壓的變化來調節(jié)三角波幅值的前饋控制思想無法實現。在這種情況下，可將前饋電壓的采樣值按照電路的輸入輸出關系UO1 = KUIVc/ Vr進行歸一化換算后， 與反饋電壓、給定電壓進行綜合比較，經PI調節(jié)后連接到變增益放大電路去調節(jié)正弦波的幅值，從而實現電壓前饋和電壓反饋控制。利用集成元件實現電壓-電壓控制的電路原理如圖4 所示。