一種電壓-電壓SPWM控制DC/AC電路的設(shè)計

前言

　　正弦波逆變電源被廣泛的應(yīng)用于電力、郵電、通信、航天等各個領(lǐng)域， 而且隨著微電腦技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，正弦波逆變電源的應(yīng)用越來越廣。為了滿足用戶對電能質(zhì)量的要求，逆變電源在直流輸入電壓波動的情況下應(yīng)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(yīng)慢等缺點，很難實現(xiàn)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(shù)來解決此問題。本文在單相SPWM逆變的基礎(chǔ)上，采用前饋調(diào)整三角載波和反饋調(diào)整正弦波相結(jié)合的電壓- 電壓復(fù)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(xiàn)簡單。

　　電壓- 電壓復(fù)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(guān)系。當(dāng)輸入電壓變化時，輸出電壓隨之相應(yīng)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(guān)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(yīng)與調(diào)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(diào)節(jié)，即在采用電壓反饋技術(shù)的基礎(chǔ)上輔以電壓前饋技術(shù)則能較好地解決這個問題。這種電壓- 電壓復(fù)合控制，可以實現(xiàn)動態(tài)響應(yīng)快、調(diào)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(shè)計與實現(xiàn)

　　DC/AC逆變器的控制電路可由分立元件或集成元件構(gòu)成。

　　由分立元件構(gòu)成的控制電路

　　由分立元件構(gòu)成的控制電路多采用調(diào)制法，即把正弦波信號作為調(diào)制波， 用三角波作為載波， 當(dāng)三角波與正弦波相交時對電路中的開關(guān)器件進行控制。采用調(diào)制法進行控制時三角載波的頻率是遠大于正弦調(diào)制波的頻率的。所以在三角波的一個開關(guān)周期中可以近似地認(rèn)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(dāng)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(diào)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(shù)量關(guān)系: 輸出電壓的基波有效值Uo正比于調(diào)制度a及輸入電壓UI， 即UOl = KaUI = KUIVc/Vr ， ( K為常數(shù)，與主電路結(jié)構(gòu)有關(guān)) 。于是， 當(dāng)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(yīng)地變?yōu)樵瓉淼膎 倍。

　　據(jù)上述原理構(gòu)成的DC/AC逆變電路如圖2所示。輸入電壓UI分壓后經(jīng)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(jīng)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(shè)計和實際調(diào)試變得簡便。控制部分設(shè)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(gòu)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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)生SPWM， 并可方便地實現(xiàn)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(jié)構(gòu)， 還可以采用電壓型PWM集成控制芯片如SG1525、TL494 等構(gòu)成SPWM控制器， 利用控制芯片內(nèi)部產(chǎn)生的三角波與由外部輸入的正弦調(diào)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(diào)節(jié)的，因此利用輸入電壓的變化來調(diào)節(jié)三角波幅值的前饋控制思想無法實現(xiàn)。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(guān)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(jīng)PI調(diào)節(jié)后連接到變增益放大電路去調(diào)節(jié)正弦波的幅值，從而實現(xiàn)電壓前饋和電壓反饋控制。利用集成元件實現(xiàn)電壓-電壓控制的電路原理如圖4 所示。