本科毕业设计任务书
一、毕业设计题目单相逆变电源的设计
二、毕业设计工作自 2012 年 11 月 19 日 起至 2013 年 6 月 20 日止 三、毕业设计进行地点:501-108 四、毕业设计内容：
(1) 掌握单相电压型PWM逆变器的工作原理； (2) 建立单相电压型逆变器的数学模型； (3) 完成单相电压型PWM逆变器的谐波分析；
(4) 完成单相电压型逆变器反馈闭环控制系统控制规律研究； (5) 完成单相电压型PWM逆变器系统仿真； (6) 完成系统调试，并对实验结果进行分析。
指导教师 教研室 自动化教研室
教研室主任（签名） 批准日期
接受论文（设计）任务开始执行日期 学生签名
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目录
1绪论 ................................................................................................................................ 1 1.1 逆变技术的定义 ........................................................................................................ 1 1.2 逆变技术的发展过程 ................................................................................................ 1 1.3 逆变技术的应用前景 ................................................................................................ 3 1.4 逆变技术存在的难点 ................................................................................................ 3 1.5逆变电源的发展趋势 ................................................................................................. 2 1.6 逆变器的分类 ............................................................................................................ 3 1.7 逆变技术指标 ............................................................................................................ 4 1.8 逆变器的单片机控制 ................................................................................................ 5 1.9 本文研究内容 ............................................................................................................ 7 本文研究的主要内容如下： ........................................................................................... 7 2逆变电路 ........................................................................................................................ 9 2.1 逆变电路的基本工作原理 ........................................................................................ 9 2.2逆变电路的换流方式 ............................................................................................... 10 2.3 电压型逆变电路 ...................................................................................................... 12 2.4 逆变电路的调制方式 .............................................................................................. 14 三、系统组成及各部分原理 ......................................................................................... 20 3.1系统控制方案 ........................................................................................................... 20 3.2 系统框图 .................................................................................................................. 20 3.2.1主电路硬件结构及工作原理 .............................................................................. 20 3.3 系统各级供电电源设计 .......................................................................................... 21 3.4 IGBT的特点及选取 .............................................................................................. 21 3.5 TMS320F2812 DSP简介 ......................................................................................... 22 3.5.1 DSP的概念 ........................................................................................................ 22 3.5.3 A/D转化单元概述 ............................................................................................. 24 3.6 IGBT驱动电路 ......................................................................................................... 25 3.7输出滤波器的设计 ................................................................................................... 26 3.7.1 滤波器的理论分析及参数选取 ......................................................................... 26 3.8 闸管导通死区硬件电路设计 .................................................................................. 27 3.9输出电压采样电路 ................................................................................................... 28 四、PWM控制技术 ....................................................................................................... 15 4.1 PWM控制的基本原理 ............................................................................................. 15 4.2 正弦脉宽调制的生成 .............................................................................................. 16 4.3规则采样法 ............................................................................................................... 18 4.4 同步调制和异步调制 .............................................................................................. 19 4.5 TMS320F2812DSP PWM信号的产生 ..................................................................... 19 5 系统数学模型与控制方案 ......................................................... 错误！未定义书签。 5.1系统数学模型建立 ................................................................................................... 28 5.2系统仿真 ................................................................................................................... 31 5.3 闭环自动控制系统组成 .......................................................................................... 32 5.4 控制方案选择 .......................................................................................................... 33
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5.4.1单一控制方式的效果 .......................................................................................... 33 5.4.2 比例积分微分控制(PID) .................................................................................. 33 6 实验 ............................................................................................................................. 35 6.1 实验数据分析 .......................................................................................................... 35
6.2 实验结果总结 .......................................................................................................... 36
6.3 实验中硬件照片 ...................................................................................................... 37 6.4系统的进一步设计及方向 ....................................................................................... 38 参考文献 ......................................................................................................................... 41
科技外文文献原文 ......................................................................................................................... 43 致 谢 .............................................................................................................................................. 39
附录1 .............................................................................................................................. 52 单相电压型逆变电源设计总程序 ................................................................................. 52
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第一章 绪论
1.1 逆变电源基本概念
逆变就是将直流电能转化成交流电能的过程。近年来，随着电力电子技术和自动化水平及控制技术的发展，各行各业对电力的供给提出了更高的要求。提供稳定的、高可靠性的、高效率的、节能环保的电力供给就成为了能量领域研究的重点之一 。在目前已有的电源中，如蓄电池和太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时就需要将直流电转变成交流电供负载使用。逆变器就是这种能进行电能转化的装置。
逆变器也称逆变电源，是太阳能、风力发电中一个重要部件。它能将直流电变为定频定压或调频调压交流电，传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路实现，但由于其含有较大成分低次谐波等缺点，近十余年来，由于电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器件BJT，IGBT，MOSFET，GTO 等的发展和PWM的控制技术的日趋完善，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机等数字控制领域，使得SPWM逆变器得以迅速发展并广泛使用。PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术，SPWM 控制技术又有许多种，并且还在不断发展中，但从控制思想上可分为四类，即等脉宽PWM 法，正弦波PWM 法（SPWM 法），磁链追踪型PWM 法和电流跟踪型PWM 法等等。各种现代控制理论如棒棒控制，自适应控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。
随着信息处理技术的发展，尤其是计算机的广泛应用，供电系统的可靠性要求越来越高，因此对不间断电源（UPS）技术指标的要求越来越高。UPS的核心部分是一个恒压恒频逆变电源，也称为逆变器，由于传统模拟控制器需要使用大量的分立元器件，老化和温漂严重影响了系统的长期稳定性。而微机数字化控制技术填补了这一缺陷，同时增加了控制的方便性，提高了整个系统的稳定性和可靠性。本文设计了一种基于DSP控制的逆变电源.并在逆变电源设计中采用PWM控制方法，PWM技术在晶闸管时代就已经产生，但是为了使晶闸管通断付出了很大的代价，因而难以得到广泛应用。以IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础，推动了这项技术的迅猛发展，使它应用到整流、逆变、直-直、交-交的所有四大类变流电路中。PWM技术在逆变带电路中的应用最具有代表性，可以说，正是由于PWM控制技术在这类电路中广泛而成功的应用，才奠定了PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位。
1.2 逆变技术的发展现状和发展趋势
1.2.1 逆变电源的发展过程
1956-1980年为传统发展阶段。1956年，第一只晶闸管问世标志着电力电子学的诞生，在这个时代，逆变器继整流器之后开始发展，首先出现的是可控硅SCR电压源型逆变器。1961年，W．McMurrav与B．D．B edford提出了改进型SCR强迫换向逆变器，为SCR逆变器的发展奠定了基础。1962年，A．Kemick提出了“谐波中和消除法”，这标志着正弦波
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逆变器的诞生。1963年，EG．Tumbull提出了“特定谐波消除法”，为后来的优化PWM法奠定了基础，以实现特定的优化目标，如谐波最小，效率最优等。
1980到现在为高频化新技术阶段。20世纪80年代初，美国弗吉尼亚电力电子技术中心(VPEC)对谐振技术进行了改进，提出了准谐振变换技术，即把LC回路在一个开关周期中的全谐振改变为半谐振或部分谐振，这才使软开关与PWM技术的结合成为可能，并在DC／DC变换器中普遍采用。软开关技术研究的最终目的是实现脉宽调制PWM(Pulse．Width Modulation)软开关技术，也就是将软开关技术引进到PWM逆变器中，使它既能保持原来的优点，又能实现软开关功能。为此，必须把LC与开关器件组成一个谐振网络，使PWM逆变器只有在开关转换过程中才产生谐振，实现软开关转换，平时则不谐振，以保持PWM逆变器的特点。PWM软开关技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一，是实现电力电子高频化的最佳途径，也是一项理论性最强的研究工作。它的研究对于逆变器性能的提高和进一步推广应用，以及对电力电子学技术的发展，都有十分重要的意义，是当前逆变器的发展方向之一。
1.2.2 逆变电源的发展趋势
在电力电子技术的应用及各种电源系统中，变频电源技术均处于核心地位。近年来，现代变频电源技术发展主要表现出以下几种趋势： (1) 高频化
提高变频电源的开关频率，可以有效地减小装置的体积和重量，为了进一步减小装置的体积和重量，去掉笨重的工频隔离变压器，采用高频隔离，并可消除变压器和电感的音频噪声，同时改善了输出电压的动态响应能力。 (2) 高性能化
高性能主要指输出电压特性的高性能，它主要体现在以下几个方面:稳压性能好，空载及负载时输出电压有效值要稳定；波形质量高，不但要求空载时的波形好，带载时波形也好，对非线性负载性要强；突加或突减负载时输出电压的瞬态响应特性好；电压调制量小；输出电压的频率稳定性好；对于共相电源，带不平衡负载时相电压失衡小。 (3) 模块化
当今逆变电源的发展趋向是大功率化和高可靠性.虽然现在已经能生产几千KVA的大型逆变电源，完全可以满足大功率要求的场合。但是，这样整个系统的可靠性完全由单台电源决定，无论如何可靠性也不可能达到很高。为了提高系统的可靠性，就必须实现模块化，模块化意味着用户可以方便地将小容量的模块化电源任意组合，构成一个较大容量的变频电源。模块化需要解决逆变电源之间的并联问题，变频电源的并联要比直流电源的并联复杂，它面临着负荷分配、环流补偿、通断控制等多方面的问题。 (4) 数字化
现在数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、提高系统抗干扰能力、便于软件包调试和遥感遥测遥调、也便于自诊断，容错等技术的植入，同时也为电源的并联技术发展提供了方便。 (5) 绿色化
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绿色电源的含义有两层:首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因。为了使电源系统绿色化，电源应加装高效滤波器，还应在电网输入端采用功率因数校正技术和软开关技术。提高输入功率因数具有重要意义，不仅可以减少对电网的污染，降低市电的无功损耗，起到环保和节能的效果，而且还能减少相应的投资，提高运行可靠性。提高功率因数的传统方法是采用无源功率因数校正技术，目前较先进的方法是:单相输入的采用有源功率因数校正技术，三相输入的采用SPWM高频整流提高功率因数。今后电源技术将朝着高效率、高功率因数和高可靠性方向发展，并不断实现低谐波污染、低环境污染、低电磁干扰和小型化、轻量化。从而为今后的绿色电源产品和设备的发展提供强有力的技术保证，这也将是现代电源发展的必然结果。
1.2.3 逆变技术的应用前景
逆变电源输出的交流电可用于各类设备，可以最大限度地满足移动供电场所或无电地区用户对交流电源的需要。有了逆变器，就可利用直流电转换成交流电为电器提供稳定可靠得用电保障，如笔记本电脑、手机、数码相机以及各类仪器等；逆变器还可与发电机配套使用，能有效地节约燃料、减少噪音；在风能、太阳能领域，逆变器更是必不可少。这种能量的变换对节能、减小环境污染、降低成本和提高产量等方面均起着非常重要的作用。随着逆变技术成熟，使得其应用领域也达到了前所未有的广阔，广泛应用于电力系统、家用电器、交通运输、工业电源和航空航天等领域并且随着计算机技术和各种新型功率器件的发展，逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。高性能逆变电源要求满足：高逆变效率、高速动态响应、高稳态精度、高智能化、高系统稳定性和高可靠性。
1.2.4逆变技术存在的难点
数字化是逆变电源发展的主要方向，但还是需要解决以下一些难题：
①逆变电源输出要跟踪的是一个按正弦规律变化的给定信号，它不同于一般开关电源的常值控制。在闭环控制下，给定信号与反馈信号的时间差就体现为明显的相位差，这种相位差与负载是相关的，这就给控制器的设计带来了困难。
②逆变电源输出滤波器对系统的模型影响很大，输入电压的波动幅值和负载的性质，大小的变化范围往往比较大，这些都增加了控制对象的复杂性，使得控制对象模型的高阶性、不确定性、非线性显著增加。
③对于数字式PWM，都存在一个开关周期的失控区间，一般是在每个开关周期的开始或上个周期之后确定本次脉冲的宽度，即使这时系统发生了变化，也只能在下一个开关周期对脉冲宽度做出调整，所以现在逆变电源的数字化控制引起了广泛的关注。
1.3 逆变电源的分类
逆变器的种类很多，可按照不同的方法进行分类。
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⑴ 按逆变器输出交流电能的频率，可分为工频逆变器，中频逆变器和高频逆变器。工频逆变器的频率为50-60HZ的逆变器；中频逆变器的频率一般为400HZ到十几KHZ；高频逆变器的频率一般为十几KHZ到MHZ。
⑵ 按逆变器输出的相数，可分为单相逆变器，三相逆变器和多相逆变器。
⑶ 按照逆变器输出电能的去向，可分为有源逆变器和无源逆变器。凡将逆变器输出的电能向电网侧输送的逆变器，称为有源逆变器；凡将逆变器输出的电能向电能负载输送的逆变器称为无源逆变器。
⑷ 按逆变器主电路的形式，可分为单端式逆变器，推挽式逆变器、半桥式逆变器和全桥式逆变器。
⑸ 按逆变器主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变器、晶体管逆变器、场效应管逆变器和绝缘栅双极晶体管(IGBT)逆变器等。也可以将其归纳为“半控型”逆变器和“全控型”逆变器两大类。其中半控型器件不具备自关断能力，元器件在导通后即失去控制作用，故称之为“半控型”，晶闸管属于这一类器件。而全控型器件具有自关断能力，即器件的导通和关断均可由器件的控制极加以控制，电力场效应管和绝缘栅双极晶体管（IGBT）及MOSFET都属于这一类器件。
⑹ 按直流电源类型，可分为电压源型逆变器（VSI）和电流源型逆变器（CSI）。 ⑺ 按逆变器输出电压或电流的波形，可分为正弦波输出逆变器和非正弦波输出逆变器。 ⑻ 按逆变器环流方式分，可分为负载换流式逆变器和自换流式逆变器。
1.4 逆变技术指标
1. 额定输出电压
在规定的输入直流电压允许的波动范围内，它表示逆变器能输出的额定电压值。对输出额定电压值的稳定准确度一般有如下规定：
① 在稳态运行时，电压波动范围应有一个规定，例如逆变器输出电压偏差不超过额定值的±3%或±5%。
② 在负载突变（额定负载0%→50%→100%）或有其他干扰因素影响的动态情况下，逆变器输出电压偏差不应超过额定值的±8%或±10%。 2. 输出电压的波形失真度
当逆变器输出电压为正弦波时，应规定允许的最大波形失真度（或谐波分量）。通常以输出电压的总波形式失真度表示，其值不应超过5%（单相输出允许10%）。 3. 额定输出频率
逆变器输出交流地那英的频率应是一个相对稳定的值，通常为工频50HZ。正常工作条件下其值应在±1%以内。 4.保护
1）过电压保护：对与没电压稳定措施的逆变器，应有输出过电压防护措施，以使负载免受输出过电压的损害。
2）过电流保护：逆变器的过电路保护，应能保证在负载发生短路或电流过允许值时及时动作，使其免受浪涌电流的损伤。
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7.启动特性
逆变器带负载启动的能力和动态工作时的性能。逆变器应保证在额定负载下可靠起动。
8.噪声
电力电子设备中的变压器、滤波电感、电磁开关等部件均会产生噪声。逆变器正常运行时，其噪声应不超过80DB,小型逆变器的噪声应不超过65DB.
1.5 逆变器的DSP控制
总体来说，逆变器就是利用数字控制器的定时器的操作产生一种PWM波，进而控制晶闸管的导通与关断，为了使输出波形在带载时更加精确，在现在控制中一般采用闭环控制方法。逆变电源的控制方法有传统的PID控制，模糊控制、滞环控制、状态反馈控制、无差拍控制和重复控制。与模拟控制电路相比，逆变电源采用微机数字化控制具有以下优势:① 温度漂移小，抗干扰能力强，可靠性高，稳定性好。② 数字式部件结构牢固，体积小，重量轻，耗能少，易于标准化。③ 提高了信息存储、监控、诊断以及分级控制的能力，使系统更趋于智能化，系统维护方便。④ 控制策略灵活，可以方便实现许多复杂、智能的算法提高性能。但同时也有如下问题：①信号反馈中的量化误差使系统精度有所下降。②数字处理器采样、计算延时带来的变频电源最大占空比受限问题，对环境温度要求较高等等，这些问题使得数字控制在变频电源性能提高的发挥中受到了阻碍，但是这些问题依然不能阻挡微机控制在电力电子中的使用，逆变电源微机控制技术也日趋成熟。 1）单闭环PID控制
早期的逆变控制器多为模拟PID控制，单纯采用输出电压的瞬时值反馈。采用模拟PID控制器进行调节，其动态性能特别是非线性负载的时候，不能令人满意。对于要求较高的系统，还没有做到满足系统要求的动态特性和稳态精度。随着DSP的出现，逆变器的瞬时值反馈数字PID控制成为可能。但是，数字PID控制不可避免地存在一些局限性。PID控制的精度取决于比例项和积分项，这两项越大控制精度越高，一方面逆变器空载时振荡性很强，积分项易产生相位滞后，另一方面离散化系统的量化误差也对稳定性产生影响，因此比例项和积分项不能取得太大。由于数字控制的采样、计算延时的影响，引入了相位滞后，减小了最大可得到的脉宽，结果势必造成稳态误差大，输出电压波形畸变高。采用高速A/D和高速处理器以及提高开关频率可以一定程度上改善数字PID控制的效果，但实现起来有一定困难。并且PID控制无法实现对正弦指令的无静差跟踪，逆变器系统实际上往往增设外环均值反馈以保证系统的稳态精度。 2）模糊控制
与传统的控制方式相比，智能控制最大的好处是不依赖控制对象的数学模型。模糊控制器的设计不需要被控对象的精确数学模型，有着较强的鲁棒性和自适应能力；查找模糊控制制表只需要占用处理器很少的时间，因而可以采用较高的采样率来补偿模糊控制规则和实际经验的偏差。模糊控制在理论上可以任意逼近任何非线性函数，但是模糊控制的分档和模糊控制规则需要进一步的研究，并且隶属函数较难确定，因此模糊控制的精度有待遇进一步提高。
3）bang-bang控制
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bang-bang控制方面的研究始于20世纪50年代。在过去的20年中，鲁棒控制一直是国际自控界的研究热点。所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。
由于工作状况变动、外部干扰以及建模误差的缘故，实际工业过程的精确模型很难得到，而系统的各种故障也将导致模型的不确定性，因此可以说模型的不确定性在控制系统中广泛存在。如何设计一个固定的控制器，使具有不确定性的对象满足控制品质，也就是鲁棒控制，成为国内外科研人员的研究课题。
现代鲁棒控制是一个着重控制算法可靠性研究的控制器设计方法。其设计目标是找到在实际环境中为保证安全要求控制系统最小必须满足的要求。一旦设计好这个控制器，它的参数不能改变而且控制性能能够保证。
鲁棒控制方法适用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用，同时过程的动态特性已知且不确定因素的变化范围可以预估，对于有太多不确定因素的被控对象，鲁棒控制就不适应了。 (4) 无差拍控制
无差拍控制是一种基于微机实现的 PWM方案，是数字控制特有的一种控制方案。它根据逆变器的状态方程和输出反馈信号来计算逆变器在下一个采样周期的脉冲宽度，控制开关动作使下一个采样时刻的输出准确跟踪参考指令。由负载扰动引起的输出电压偏差可在一个采样周期内得到修正。无差拍控制有着非常快的动态响应，波形畸变率小，即使开关频率不是很高，也能得到较好的输出波形品质。但是，无差拍控制的自身缺点也十分明显:无差拍控制效果取决于模型估计的准确程度，实际上无法对电路模型做出非常精确的估计，而且系统模型随负载不同而变化，系统鲁棒性不强;其次，无差拍控制极快的动态响应即是其优势，又导致了其不足，为了在一个采样周期内消除误差控制器瞬态调节量较大，一旦系统模型不准，很容易使系统输出振荡，不利于逆变器的稳定运行。 (5) 重复控制
重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理，内模原理是把作用于系统的外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度的反馈控制系统。由内模原理可知，除非针对每一种指令或扰动信号均设置一个正弦函数内模，否则无法实现无静差，重复控制利用“重复信号发生器”内模巧妙地解决了这一问题。重复控制采用数字方式实现。逆变器重复控制的目的是为了克服死区、非线性负载引起的输出波形周期性畸变。其基本思想是假定前一基波周期中出现的畸变将在下一基波周期的同一时间重复出现，控制器根据每个开关周期给定与反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后在下一基波周期同一时间将此信号叠加在原控制信号上，以消除以后各周期中将出现的重复性畸变。重复控制能使逆变器获得低THD的稳态输出波形。但其主要弱点是动态性能差，干扰出现后的一个参考周期内，系统对干扰不产生任何调节作用，这一周期系统近乎处于开环控制状态，消除干扰对输出的影响至少要一个参考周期。此提出了自适应重复控制、伺服控制器和重复控制器组成的复合控制、状态反馈控制与重复控制组成的双环控制等多种方案改善系统的动态特性。 (6) 滑模变结构控制
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滑模变结构控制最大的优势是对参数变动和外部扰动不敏感，系统的鲁棒性特别强。早期逆变器采用模拟控制实现滑模变结构控制，存在电路复杂、控制功能有限的弱点。基于微处理器的滑模变结构控制完全不同于常规的连续滑模控制理论，需要离散滑模控制技术，有些文献引入前馈改善离散滑模控制的稳态性能，有些通过自矫正措施改善负载扰动的影响。但是滑模控制存在理想滑模切换面难以选取、控制效果受采样率的影响等弱点，它还存在高频抖动现象且设计中需知道系统不确定性参数和扰动的界限，抖动使系统无法精确定位，测定系统不确定参数和扰动的界限则影响了系统鲁棒性进一步发挥。
1.6 本文研究内容
本文研究的主要内容如下：
⑴掌握单相电压型PWM逆变器的工作原理。
⑵建立单相电压型逆变器的数学模型。 ⑶完成单相电压型PWM逆变器的谐波分析。
⑷完成单相电压型逆变器反馈闭环控制系统控制规律研究。 ⑸完成单相电压型PWM逆变器系统仿真。 ⑹完成系统调试，并对实验结果进行分析。
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第二章 逆变电源的工作原理
2.1 逆变电源结构分析
2.1.1 逆变电源基本结构
逆变电源采用 AC－DC－AC（交－直－交）的结构形式，其基本结构如图2-1所示，主要由输入、整流、逆变、输出、驱动与控制以及保护等电路组成。
图 2-1 逆变电源的基本结构图
(1) 输入电路
逆变主电路输入如果是交流电，首先要经过整流电路转换为直流，提供稳定 的直流电压。
(2) 输出电路
输出电路主要是滤波电路。对于隔离分析式逆变电源，在输出电路的前面还 有逆变变压器；对于开环控制的逆变系统，输出量不用反馈到控制电路；而对于 闭环控制的逆变系统，输出量还要反馈到控制电路。
(3) 驱动与控制电路
驱动与控制电路的功能就是按要求产生一系列的控制脉冲，来控制逆变开关 管的导通和关断，并能调节其频率，控制逆变主电路完成逆变功能。在逆变系统 中，控制电路与逆变主电路具有同样的重要性。
(4) 辅助电源
辅助电源的功能是将逆变器的输入电压变换成适合控制电路工作的直流电 压。
(5) 保护电路
保护电路主要具有：输入过压保护、欠压保护功能；输出过压保护、欠压保 护功能；过载保护功能；过电流和短路保护功能。
(6) 逆变主电路
逆变主电路主要是根据变化的驱动控制脉冲得到变化的高压交流脉冲，即把稳定的直流电压变换为交流脉冲电压，完成逆变。现普遍使用的单相逆变主电路为全桥式逆变电路。
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2.1.2 逆变电路的基本工作原理
以单相桥式逆变电路为例说明其最基本的工作原理，图（a）中S1~S4是桥式电路的4个臂，它们由电力电子器件及辅助电路组成，当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，其波形如下图所示，这样就把直流电变成交流电，改变两组开关的切换频率，即改变输出交流电的频率，这就是逆变电路的最基本的工作原理。当负载为电阻时，负载电流io和电压uo波形形状相同，相位也相同。当负载为阻感负载时，io的基波相位滞后于uo的基波，两者波形形状也不同，图（b）给出的就是阻感负载时的io波形。
图2-2 逆变电路及其波
设t1时刻以前S1、S4导通，uo和io均为正。在t1时刻断开S1和S4,同时合上S2、S3导通,则uo的极性立刻变为负。但是，因为负载中有电感，其电流极性不能立刻改变而仍维持原方向。这时负载电流从直流电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感中储存的能量向直流电源反馈，负载电流逐渐减小，到t2时刻降为零，之后io才反向并逐渐增大。S2、S3断开，S1、S4闭合时的情况类似。
2.1.3逆变电路的换流方式
在图2-2的逆变电路工作过程中，在t1时刻出现了电流从S1到S2,以及从S3到S4的转移。电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，也常被称为换相。 1、换流方式的分类 ①器件换流
利用全控型器件的自关能力进行换流。在采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的电路中，其换流方式即为器件换流。 ②电网换流
由电网提供换流电压称为电网换流。可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交变变频电路，不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件。可控整流电路，无论其工作在整流状态还是有源逆变状态，都是借助于电网电压实现换流的，都属于电网换流。三相交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路中的换流方式也都是电网换流。在换流时，只要把负的电网电压施加在遇关断的晶闸管上即可使其关断。这种换流方式不需要器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加任何元件，但是不适用于没有交流电网的无源逆变电路。 ③负载换流
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由负载提供换流电压称为负载换流。负载电流相位超前于负载电压的场合，都可以实现负载换流。负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流。另外，当负载 为同步电动机时，由于可以控制励磁电流使负载呈现容性，因而也可以实现负载换流。
图2-3 a是基本的负载换流逆变电路，四个桥臂均由晶闸管组成。其负载是电阻电感串联后再和电容并联，整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。在实际电路中，电容往往是为改善负载功率因数，使其略呈容性而接入的。由于在直流侧传入了一个很大的电感
Ld，因而在工作过程中可以认为id基本没有脉动。
图2-3 负载换流电路及其工作波形
电路的工作波形如图2-3b所示。因为直流电流近似为恒值，四个臂开关的切换使电流流通路径改变，所以负载电流基本呈现为矩形波。负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦。
工作过程：t1时刻前，S1、S4为通态，S2、S3为断态，uo、io均为正，S2、S3上施加的电压即为uo；t1时刻时，触发S2、S3使其开通，uo通过S2、S3分别加到S4、S1上使其承受反压而关断，电流从S1、S4转移到S3、S2。触发S2、S3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。 ④强迫换流
设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流（Forced Commutation）。通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流。 直接耦合式强迫换流——由换流电路内电容提供换流电压。VT通态时，先给电容C充电。合上S就可使晶闸管被施加反压而关断。
图2-4 直接耦合式强迫换流原理图
电感耦合式强迫换流——通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流。
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两种电感耦合式强迫换流： 图2-5a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断。 图2-5b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断。
图2-5 电感耦合式强迫换流原理图
给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流（图2-4）。先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反压的换流叫电流换流（图2-5）。
当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。
2.1.4 电压型逆变电路
逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：电压型逆变电路或电压源型逆变电路，电流型逆变电路或电流源型逆变电路。
图2-6 电压型逆变电路举例 （全桥逆变电路）
电压型逆变电路有以下特点：
(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。
(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。
(3)阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。 1、单相半桥逆变电路
工作原理：V1和V2栅极信号在一个周期内各有半周正偏、半周反偏，且二者互补。当负载为感性时，其工作波形如图2-7b所示。输出电压uo为矩形波，幅值为 Um=Ud/2，输出电流io波形随负载而异。当V1或V2为通态时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提
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供能量；而当VD1或VD2为通态时，负载电流和电压反向，负载电感中储存的能量向直流侧
反馈。VD1、VD2称为反馈二极管，还使负载电流连续，因而又称续流二极管。
图2-7 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形 优点：简单，使用器件少。
缺点：输出交流电压的幅值Um仅为Ud/2，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。常用于几千瓦以下的小功率逆变电源。 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。 2、全桥逆变电路
电压型全桥逆变电路如图2-8a可以看成由两个半桥电路的组合而成。把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180°。输出电压uo波形和图2-8b的半桥电路的波形uo形状相同，但其幅值高出一倍，Um=Ud。输出电流io波形和图2-8b中的i0形状相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。 输出电压波形的的定量分析：
把幅值为Ud的矩形波u0展开成傅里叶级数得
uo4Ud11sintsin3tsin5t 354Ud其中，基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为
Uo1m1.27Ud
Uo122Ud0.9Ud
上述公式对于半桥逆变电路也是适用的，只是式中的Ud要换成Ud/2。
uo为正负电压各180°的脉冲时，要改变输出电压有效值只能改变直流电压Ud来实现。
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在阻感负载时，还可以采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压，这种方式成为移相调压。各IGBT的栅极信号为180°正偏，180°反偏，且V1和V2的栅极信号互补，V3和V4的栅极信号互补。V3的基极信号比V1落后θ（0<θ<180°)，V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移了180°－θ，输出电压uo是正负各为的脉冲，改变θ即可调节输出电压有效值。各IGBT的栅极信号uG1~uG4及输出电压uo、输出电流io的波形如图2-6b所示。
移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。在图2-6a的单相全桥逆变电路中，
图2-8 单相全桥逆变电路的移相调压方式
2.1.5逆变电路的调制方式 1.方波控制
方波逆变器输出的交流电压波形为方波，占空比不可调。此类逆变器所使用的逆变线路也不完全相同，但共同的特点是线路比较简单，使用的功率开关管数量很少。这类逆变器还有调压范围不够宽，保护功能不够完善，噪声比较大等缺点，设计功率一般在百瓦至千瓦之间。
2. SPWM调制
SPWM法就是用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。
3 .SVPWM调制
SVPWM (空间电压矢量控制PWM)调制也叫磁通正弦PWM法，它以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通,由它们的比较结果决定逆变器的开关,形成PWM波形。此法从电动机的角度出发,把逆变器和电机看作一个整体,以内切多边形逼近圆的方式进行控制,
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使电机获得幅值恒定的圆形磁场(正弦磁通)。它提出主要是为解决电机变频驱动问题，现已被用到PWM逆变和PWM整流技术中。
2.2 PWM控制技术
2.2.1 PWM控制的基本原理
理论基础：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
图2-9 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
面积等效原理：
分别将如图2-9所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图4-2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2-9b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，脉冲形状不同时i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。
图2-10 冲量相同的各种窄脉冲的影响波形
用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。
SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。
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图2-11 用PWM波代替正弦半波
要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。
等幅PWM波和不等幅PWM波：由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波，如直流斩波电路及PWM逆变电路， PWM整流电路。输入电源是交流，得到不等幅上的PWM波。
SPWM波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。
2.2 .2正弦脉宽调制的生成
PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的几乎都是电压型。 1、计算法和调制法 1）计算法
根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。
缺点：繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化 2）调制法
输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称；与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求。
调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。
结合IGBT控制电压型逆变器为阻感负载时，作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。
控制规律：uo正半周，V1保持通态，V2保持断态，V3和V4交替通断，因为负载电流比电压滞后，因此在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。在负载电流为正区间，V1和V4导通时，负载电压uo等于Ud；V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0。在负载电流为负的区间，仍为V1和V4导通时，因io为负，故io实际上从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud；V4关断，V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0，这样uo总可得到Ud和零两种电平。
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uo负半周，让V2保持通态，V1保持断态，V3和V4交替通断，负载电压uo可得-Ud和零两种电平。
图2-12单相桥式PWM逆变电路
单极性PWM控制方式（单相桥逆变）：
调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角波。在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。在ur正半周，V1保持通态，V2保持断态，当ur＞uc时使V4导通，V3断开，uo=Ud；当ur＜uc时使V4断开，V3导通，uo=0。在ur负半周，V1保持断态，V2保持通态，当ur＜uc时使V3导通，V4断开，uo=﹣Ud；当ur＞uc时使V3断开，V4导通，uo=0，虚线uof表示u0的基波分量。波形见图2-13。
图 2-13 单极性PWM控制方式波形
双极性PWM控制方式（单相桥逆变）：
在ur半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负。在ur一周期内，输出PWM波只有±Ud两种电平，仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件通断。ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同，当ur>uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号，如io>0，则V1和V4导通，如io<0，则VD1和VD4导通，uo=Ud。当ur 导通，uo=﹣Ud。波形见图2-14。 经典文档 下载后可复制编辑 图2-14双极性PWM控制方式波形 2.2.3规则采样法 按SPWM基本原理，自然采样法中要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。 图2-15规则采样法 规则采样法特点是一种应用较广的工程实用方法，其效果接近自然采样法，但计算了却比自然采样法小的多。 规则采样法原理：图2-15，三角波两个正峰值之间为一个采样周期tc。自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期中点（即负峰点）重合。规则采样法使两者重合，每个脉冲中点为相应三角波中点，计算大为简化。三角波负峰时刻td对信号波采样得D点，过D作水平线和三角波交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制器件的通断，脉冲宽度和δ用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。 规则采样法计算公式推导： 正弦调制信号波公式中，a称为调制度，0≤a＜1；ωr为信号波角频率。 因此可得： urasinrt (2.1) 三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度 经典文档 下载后可复制编辑 1asinrtD2 (2.2) 2Tc22.2.4同步调制和异步调制 在SPWM逆变器中，载波频率fc与调制信号频率fr之比N＝fc/fr，称为载波比。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，SPWM逆变器调制方式分为异步调制和同步调制。 1 异步调制 载波信号和调制信号不同步的调制方式即为异步调制。通常保持载波频率fc固定不变，当调制信号频率fr变化时，载波比N是变化的。当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小，当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大，还会出现脉冲的跳动。同时，输出波形和正弦波之间的差异也变大，电路输出特性变坏。对于三相逆变器来说，三相输出的对称性也变差。因此，在采用异步调制方式时，希望尽量提高载波频率，以使在调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比，从而改善输出特性。 2 同步调制 载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的调制方式称为同步调制。在同步调制方式中，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。在三相SPWM逆变电路中通常共用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。 3 分段同步调制 为了克服上述缺点，通常采用分段同步调制的方法，即把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同。在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低；为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。 同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。 4.5 TMS320F2812DSP PWM信号的产生 为产生PWM信号，定时器需要重复按照PWM周期进行计数。比较寄存器用于保持调 制值，该值一直与定时器计数器的值相比较，当两个值匹配时，PWM输出就会产生跳变。当两个值产生第二次匹配或定时器周期结束时，会产生第二次输出跳变。通过这种方式可以产生周期与比较寄存器值成比例的脉冲信号。在比较单元中重复完成计数、匹配输出的过程，就产生了PWM信号。 经典文档 下载后可复制编辑 第三章 系统组成及各部分原理 3.1系统控制方案 系统使用的是DSP作为控制器，采用单片机产生SPWM波控制全桥逆变电路中的4个全控型器件IGBT的导通与关断来产生逆变，并通过其内部自带的8位高精度A/D转换模块采样负载两端电压，该负载两端的电压是经过降压和整流之后的，然后送到单片机中进行处理，该系统采用BANG—BANG控制理论思想，通过对软件的合理优化配置，使系统稳、准、快的达到设定值，并具有很高的抗干扰能力。 3.2 系统框图 图3-1系统结构框图 3.2.1主电路硬件结构及工作原理 本次设计采用直流信号源，并经过大电容稳压之后，送给晶闸管进行逆变，主电路采用电压源型全桥逆变电路和LC滤波电路，其中控制方式采用正弦脉宽调试SPWM，DSP产生一路SPWM信号，控制其中的一对晶闸管，另一对晶闸管的控制方式为上一SPWM信号的取反，并且其间加有硬件死区电路，以避免上下两桥臂同时导通，造成直流侧短路。开关管S1,S4门极送第一个SPWM信号，S2，S3送第二个SPWM信号，分别控制4个IGBT在不通时刻导通与关断，从而产生交流电压。交流电压经过RC滤波电路进行高次谐波的滤除，输出为正弦交流电压。 开关过程分析：某一时刻，开关S1、S4闭合,S2、S3关断,负载电压uo为正；下一时刻，当开关S1、S4关断,S2、S3闭合，uo为负，这样就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 经典文档 下载后可复制编辑 图 3-2 系统总体电路图 3.2.2 系统各级供电电源设计 IGBT驱动电路M57962L供电电源设计 每一个晶闸管都需要一个驱动进行控制，其驱动电路中的电源要分开进行供给，故需要设计四路分开的15v直流电压。 图 3-3 IGBT驱动电路供电电源设计 3.3 IGBT的特点及选取 IGBT也称为绝缘栅双极晶体管，综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。 因此，自从其1986年开始投入市场，就迅速扩展了其应用领域，目前以取代了原来GTR和GTO的市场，成为中、大功率电力电子设备的主导器件。 经典文档 下载后可复制编辑 IGBT也是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT成为N沟道IGBT，记为N-IGBT如图（a),相应的还有P沟道IGBT，记为P-IGBT如图（b)。 IGBT的电气图形符号 3.2.3 IGBT的主要特点： ⑴ IGBT开关速度高。开关损耗小。有资料表明，在电压1000V以上时，IGBT的开关损耗只有GTR的110，与电力MOSFET相当。 ⑵ 在相同电压和电流额定的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。 ⑶ 高压时IGBT的同态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。 ⑷ IGBT的输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。 ⑸ 与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特性。 3.2.4 IGBT的主要参数 ⑴ 最大集射极间电压UCSE，这是由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的。 ⑵ 最大集电极电流，包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。 ⑶ 最大集电极功耗PCM，在正常温度工作下允许的最大耗散功率。 根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗可以确定IGBT在导通工作状态的参数极限范围，即正向偏置安全工作区；根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt，可以确定IGBT在阻断工作状态下的参数极限范围，即反向偏置安全工作区。 3.3 TMS320F2812 DSP简介 3.3.1 DSP的概念 数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里， 经典文档 下载后可复制编辑 数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。 DSP微处理器（芯片）一般具有如下主要特点： （1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； （2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； （3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； （4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； （5）快速的中断处理和硬件I/O支持； （6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； （7）可以并行执行多个操作； （8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 DSP优点: 1对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部因素影响小； ○ 2容易实现集成；VLSI ○ 3可以分时复用，共享处理器； ○ 4方便调整处理器的系数实现自适应滤波； ○ 5可实现模拟处理不能实现的功能：线性相位、多抽样率处理、级联、易于存储等； ○ 6可用于频率非常低的信号。 ○ DSP缺点: 1需要模数转换； ○ 2受采样频率的限制，处理频率范围有限； ○ 3数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。 ○ 4但是其优点远远超过缺点。 ○ 3.3.2 DSP的相关应用 1．信号处理：数字滤波、自适应滤波、FFT、Hilbert变换、相关运算、频谱分析、卷积、模式匹配、窗函数、波形产生等。 2．语音处理：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。 3．图像/图形：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。 4．军事：保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球定位、跳频电台、搜索和反搜索等。 5．仪器仪表：频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。 6．自动控制：控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。 7．医疗：助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等。 8．家用电器：数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等。 9．生物医学信号处理举例： 经典文档 下载后可复制编辑 10．CT：计算机X射线断层摄影装置。（其中发明头颅CT英国EMI公司的豪斯菲尔德获诺贝尔奖。） 11．CAT：计算机X射线空间重建装置。出现全身扫描，心脏活动立体图形，脑肿瘤异物，人体躯干图像重建。 12．心电图分析。 3.3.3 A/D转化单元概述 A/D转换（ADC)是嵌入式控制器一个非常重要的单元，它提供控制器与实现世界的连接通道，通过ADC单元可以检测诸如温度、湿度、压力、电流、电压、速度、加速度等模拟量。ADC转换的目的就是将这些模拟信号转换成数字信号，输入的模拟电压和转换后的数字信号之间的关系可以表示为： VinDVREFVREFVREF 2n1 其中：Vin为输入的模拟电压信号；VREF-为参考低电平；VREF+为参考高电平；D为转换后的数字量；n为模数转换的位数。 TMS320F281x DSP 内部有一个12 位模/数转换器（Analog to Digital Converter, ADC)， 可有16 通道模拟输入信号, 转换时间可以在80ns 以内。16 个结果寄存器ADCRESULT0~ ADCRESULT15 存储转换结果。 ADC模块可以设置为两个独立的8通道转换器，将一系列转换自动排序，每个模块可以从8个输入通道中任意选择输入。ADC模块也可以工作在级联模式(Cascaded Sequencer Mode)，自动排序器(Sequencer)就变成一个单16通道的排序器。 该 A/D 转换器的功能包括： ⑴ 12 位ADC 模块，内含采样/保持(Sample/Hold, S/H)电路。 ⑵ 同时采样或顺序采样模式。 ⑶ 模拟电压输入范围 0~3V。 ⑷ 25 MHz 的ADC 时钟频率，转换时间短。 ⑸ 16 通道，多路选通输入。 ⑹ 可在一次采样中同时实现 16 路自动转换的自动排序。每个转换可以从1~16 输入通道中任意选择。 ⑺ 排序器可以作为两个独立的 8 通道排序器或一个16 通道排序器即级联模式。 ⑻ 16个结果寄存器存储转换结果，每个寄存器可独立寻址。输入模拟电压和采样结果的关系为：数字结果=4095×(输入模拟电压-ADCLO)/3。ADCLO 是A/D 转换低电压参考值。 ⑼ 多个触发源可以启动 A/D 转换。包括软件(Software, S/W)启动、事件管理器EVA/EVB(多个触发源)启动、外部引脚触发启动。 ⑽ 灵活的中断控制，允许每个排序的结束(End of Sequence, EOS)或每两次EOS 申请 中断一次。 ⑾ 排序器可以工作在启动/停止模式，允许多个按时间排序的触发源同步转换。 ⑿ 事件管理器 EVA、EVB 触发源可以独立工作在双排序器模式。 ⒀ 采样保持获取时间窗口(Time Window)有单独的预分频时钟。 经典文档 下载后可复制编辑 A/D 转换器的全部操作都通过ADC 寄存器进行。ADC 寄存器映射到片内外设帧1(PF1)的地址空间，地址为0x7100~0x711F，由ADC 控制寄存器、ADC 通道选择排序控制寄存器、ADC 转换结果寄存器、ADC 状态寄存器、ADC 最大转换通道数寄存器、ADC自动排序状态寄存器等组成，全部是16 位寄存器。ADC 模块的原理框图如图所示。 ADC模块功能图 3.4 IGBT驱动电路 IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场控器件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电压uCE决定的，当uCE为正且大于开启电压UCE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使IGBT关断。 驱动电路就是将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为相应的驱动信号。 开关型功率器件的驱动分为两种形式：一是电流型驱动,如GTR ；二是电压型驱动，如功率MOSFET、IGBT。无论是哪种驱动电路，在设计时都必须考虑以下两点：最优化驱动特性和自动快速保护。所谓最优化特性就是以理想的控制极驱动电流(或电压、或两者兼有) 去控制功率器件的开关过程，以提高开关速度、减小开关损耗；自动快速保护则是在驱动电路故障状态下快速自动地切断控制极信号，避免功率管遭到损坏，在主回路故障状态时能及时自动切断与主回路的联系的能力。这里使用的驱动芯片为M57962，因为M57962可输出-12V的偏压，使得IGBT可靠地关断;另外，M57962具有过流保护自动闭锁功能，并且软关断时间可外部调节。 其管脚图如图3-5所示。 经典文档 下载后可复制编辑 图3-5 M57962管脚图 3.5输出滤波器的设计 逆变电源中输出滤波电路的主要作用是： 1）用来滤除开关频率及其邻近频带的谐波 2）保证基波电压的传输 3.5.1 滤波器的理论分析及参数选取 在逆变电源中，输出滤波通常采用LC滤波。用电感器作为输出滤波电路结构的一部分，主要目的有两个：首先，由于电感能储存能量，可使得管子关断期间输出电流能够连续地流到负载上；其次电感器与滤波电容一起对逆变后的SPWM脉冲起平滑滤波的作用，使输出的直流电压纹波很小。通常使用的滤波器结构是T型或π型滤波器，如下图所示。SPWM波形中所含主要谐波频率为ωc、2ωc及其附近的谐波。一般情况下ωc>ωr，所以PWM波形中所含有的主要谐波频率要比基波频率高的多，是很容易滤出的，载波频率越高，SPWM波形中谐波频率就越高，所需滤波器的体积就越小。另外，一般的滤波器都有一定的带宽，如按载波频率设计滤波器，载波附近的谐波可以滤除。 本电源电路输出滤波器采用T型滤波电路，输出滤波器的参数，即电感值L和电容值C与及开关SPWM频率相关。滤波器参数具体设计时，可根据截止频率ωc和负载RL来选择。 图3-6 T型滤波电路 图3-7π型滤波电路 对于LC滤波电路，其传递函数可写成： 2vos1LCn Gs （3-1） 2viss2s1RC1LCs22nsn 经典文档 下载后可复制编辑 其中n1为阻尼自然振荡角频率，1L为阻尼比，1， LC,n2RCLC2n2n2j2n这是一个典型的二阶振荡系统，频率特性为 Gj 1（3-2） Aejω 21nj2n1A2212nn式中2narctgn21n根据式（3-2），可以求得对数频率特性为 2222 L20lgA20lg1n（3-3） 2 n在ω≤1/τ的低频段，A(ω)≈1,L(ω)≈0在ω≥1/τ的高频段，A(ω)≈1/τ2ω2,L(ω)≈﹣40lgτω。所以，低频段渐近线是一条零分贝的水平线，而高频段渐近线是一条斜率为﹣40dB的直线。这两条线相交处的交接频率为ω1＝1/τ。在交接频率附近，幅频特性与渐近线之间存在一定的误差，其值取决于阻尼比ζ的值，阻尼比愈小，则误差愈大。当ξ＜0.707时，在对数幅频特性上出现峰值。 从上面的分析可以看出，影响滤波效果的参数主要是转折角频率和阻尼比，选择SPWM逆变器的输出LC滤波器的转折频率fn(fn＝ωn/2π)远低于开关频率fs，在SPWM调制下，输出谐波均为开关频率以上的高次谐波，因此取截止频率为开关频率的1/10，这样开关频率出的谐波通过LC滤波之后，有接近-40dB的衰减。故有公式： 12LCfs （3.2） 10 SPWM的频率为10KHz,则截止频率为1000Hz,取滤波电容为5μF,由上式可算出滤波电感值为5ml,通过试验检测，当参数如此选取时，输出滤波器的输出正玹波波形良好。 3.6 闸管导通死区硬件电路设计 当用PWM控制晶闸管导通时，必须注意接在直流源上的两个上下晶闸管不能同时导通，否则直流电源将在晶闸管中形成短路，这时绝对不允许的，为了避免电源元件切换反应不及 时可能造成的短路，一定要在控制信号之间设定互锁时间，这个时间又叫换流时间，或者称 经典文档 下载后可复制编辑 为死区时间。死去时间，一般情况下软件工程师在程序设计时就会考虑并写进控制软件，但是由于各公司生产的晶闸管对死区时间要求长短不一样，故用软件编写不方便，这时可以采用硬件电路进行代替，当死区时间不同时，只需要进行电阻和电容的选择就可以了，并且电路结构简单成本低廉，延时时间方便可视，当输出为高电平时，对电容进行充电，此时或非 门输出也为低电平，当高电平向低电平转换时，电容要进行放电，此时或非门输出仍为低电平，但是放电只是一定的时间，进而晶闸管相应的将关断一定的时间，然后就将导通。 电路图如下： 图3-8硬件死区电路 3.7输出电压采样电路 逆变器输出电压大概为30V左右，且为交流电，故在采样之前需要进行降压和整流，这里采用了电压互感器和整流桥等器件，其中电压互感器输出与输入呈线性关系，即ui=10uo，而整流桥输出电压Uo1=0.9Ui1，然后送给DSP A/D模块，进行模数转换。 负载电压 电压互感器 图3-9采样电路 R2 去调理电路 第四章 系统数学模型与控制 4.1系统数学模型建立 逆变器要满足负载对电源的静态指标和动态指标要求，一般需要将电力电子变换装置设计成一个闭环的自动控制系统。人们对线性系统的校正与综合比较熟悉，但是对逆变器这个非线性系统控制有些力不从心。因此，如果能建立系统的数学模型，特别是从控制到输出之间的传递函数，则有助于我们的设计和系统分析，减少盲目选择参数的调试时间，解决本质非线性系统的线性控制问题。本文以单相电压型SPWM逆变器为研究对象，状态空间平均法是基于输出频率远小于开关频率的情况，所以可以利用状态空间平均法对其进行建模研究。 一般地，单电压型SPWM逆变器的拓扑如图5-1所示。其中Lf、Cf为滤波电感和电容，R、L为感性负载电阻、电感。建模时作如下假设：开关皆为理想开关，忽略开关的死区时间。 经典文档 下载后可复制编辑 图4-1单相电压型逆变器主电路图 通过引入复阻抗的方法，直接列写网络代数方程式，然后求出传递函数，将负载定为Z，该方程可以适用于任何负载的建模。该电路的总电阻RLsrZCs，而电容和复电 1CsZ阻Z并联后的电阻为R1ZCs，故可以推出输出电压和输入电压的关系: 1CsZGs111ZCsucs21＝LCsLZrCs1rZLsruis1ZCs1LCLs2s1R 当忽略滤波电感的等效串联电阻r时，上式可以化简为 Gs （5-2） 双极性SPWM调制时，ui可以表示为 uiE2S1 （5-3） 式中，S为开关函数。 当S1（或VD1)导通时，S=1；当S2(或VD2)导通时，S=0。 显然，由于开关函数S的存在，式（5-3）中ui不连续。对式（5-3）求开关周期平均，得到 uiTsE2STs1 （5-4） 这里 Ts Dt （5-5） 经典文档 下载后可复制编辑 式中，D(t)为占空比，由图得到 D1um （5-6） 12Utri式中，um为参考正弦波信号，Utri为三角载波峰值。把式（5-6）代入式（5-4）有 uiTsEum （5-7） Utri所以有 uiTsumE (5-8) Utri因此，从调制器输入至逆变桥输出的传递函数为 KpwmuisE （5-9） umsUtri从式（5-9）可以看出，在SPWM中，载波频率（开关频率）远高于输出频率时，逆变桥可以看成是一个比例环节，比例系数即为Kpwm。 结合式（5-1）和式（5-9），可以得到调制器输入至逆变器输出的传递函数 GsuosuosuisumsuisumsE （5-10） LrUtriLCs2rCs1ZZ.1根据传递函数GO(s)的表达式，可以得到其等效框图如下： 图 4-2 单相逆变器主电路等效框图 利用PISM仿真软件进行数学模型验证时，取L=5MH,C=20μF,R=20，调制波幅值为4V，直流源电压为100V,将以上数据代入式(5-10)中，可以得到传递函数为 经典文档 下载后可复制编辑 Gs20 （4-11） 0.0000001s20.00025s14．2系统仿真 在该仿真中去直流电压源为100,滤波电感为5ML，滤波电容为20μF，负载电阻为20Ω，开关频率为5KHZ. 图 5-3 系统仿真电路图 图 4-4 生成SPWM波形 经典文档 下载后可复制编辑 图 4-5 仿真输出波形 由上图可以看出，V1和V2完全一样，故建立的数学模型基本正确。 4.3 闭环自动控制系统组成 闭环控制系统都是反馈控制系统，基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。自动控制系统多数是反馈控制系统。在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。其典型结构如图5-6所示。图中，系统的组成环节和被控对象用方框表示，信号通路及其传输方向用箭头线表示，反馈信号的极性用“+”、“-”号表示，“-”号表示负反馈，“+”号表示正反馈，系统中的主反馈及绝大多数局部反馈必须采用负反馈，正反馈只在补偿控制中偶尔采用，符号表示多路信号在此叠加进行代数求和。 经典文档 下载后可复制编辑 图4-6 闭环自动控制系统机构框图 系统组成部分： （1）给定环节：产生给定（输入）信号的环节或元件，如逆变电源系统中的设定电压. （2）反馈环节：对系统被控量或中间输出两进行测量并转换为与响应输入信号一致的反馈环节或元件，它可以构成主反馈或局部反馈，如逆变电源系统中的实时输出电压模数转换量。 （3）比较环节：对系统输入量和反馈量进行加、减运算求取误差的环节或元件，此环节在逆变电源系统中由软件完成。 （4）放大环节：对偏差信号进行电压放大和功率放大的环节或元件，如模拟控制电路中的各种放大器等。 （5）执行机构：直接对被控对象进行操作从而对系统产生实际控制作用的环节或元件。 （6）控制器：用与改善系统性能的环节，一般在控制系统中有所体现，本系统中由软件及数字控制器完成。 （7）被控对象：控制系统所要操纵的机器设备或生产过程，它的输出量即为系统的被控量。 同开环系统相比，闭环控制具有很多优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。 4.4 控制方案选择 4.4.1单一控制方式的效果 比例控制：就是对偏差进行控制，偏差一旦产生，控制器立即就发生作用即调节控制输出，使被控量朝着减小偏差的方向变化，偏差减小的速度取决于比例系数KP， KP越大偏差减小的越快，但是很容易引起振荡，尤其是在迟滞环节比较大的情况下，KP减小，发生振荡的可能性减小但是调节速度变慢。但单纯的比例控制存在静差不能消除的缺点。这里就需要积分控制。 积分控制：实质上就是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。积分控制作用始终施加指向给定值的作用力，有利于消除静差，其效果不仅与偏差大小有关，而且还与偏差持续的时间有关。简单来说就是把偏差积累起来，一起计算。 微分控制：它能敏感出误差的变化趋势,可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用,有利于提高输出响应的快速性,减小被控量的超调和增加系统的稳定性。但微分作用很容易放大高频噪声,降低系统的信噪比,从而使系统抑制干扰的能力下降。因此，在实际应用中，应慎用微分控制，尤其是当你开始作实验时，不防将微分控制项去掉。 4.4.2 比例积分微分控制(PID) 经典文档 下载后可复制编辑 1.模拟PID调节器的微分方程和传递函数 PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成空置量，对控制对象进行控制。 图5-7 PID调节器结构框图 （1）PID调节器的微分方程 1utKpetTIt0etdtTDdet （5-12） dt 式中：e(t)r(t)c(t) （2）PID调节器的传递函数 DSUs1Kp1TDs （5-13） EsTIs 表4-1模拟PID控制规律的离散化方程 模拟形式 离散化形式 etrtct enrncn enen1 Tdet dTtoetdt eiTTei i0i0nn 1.数字PID控制器的差分方程 经典文档 下载后可复制编辑 TDnTDunKpeneienen1uoTI0T upnuinudnuo （5-14） 2.PID算法的两种类型 1）位置式控制 TDnTunKpeneiDenen1uoTI0T (5-15) 2）增量式控制 ununun1 （5-16） unKPenen1KPTT enKPDen2en1en2 （5-17） TIT4.4.3系统控制方案选定分析 该系统闭环控制中采用的是PI控制，这是因为在单相电压型逆变器中，我们要求的是输出波形的准确和精度，来满足输出波形的频率和幅值的要求，而对系统的反应速度不是过分要求，所以PI调节完全符合系统的要求，在DSP程序编写中采用的是增量式控制方法，并且在系统仿真及实验证明中，输出波形相当准确。 第五章 实验 5.1 实验数据分析 ⑴ DSP输出SPWM波形，在程序中设定输出波形频率为9KHZ，从示波器中可以看出 结果基本一样。 经典文档 下载后可复制编辑 图5-1 设定频率9KHZ的SPWM波形图 ⑵ 输出电压曲线图 如下图所示，根据编写好的程序控制IGBT，经过滤波之后，用示波器观察输出电压波形。 图5-2 频率50HZ闭环输出电压曲线图 5.2 实验结果总结 ⒈ 在滤波器参数设计时，选择的是LC二阶振荡电路，滤除的主要是是高次谐波。 ⒉ 在反馈采样的时候，需要把交流变成直流，若负载发生突变时，该时刻的电压无法采集，故输出波形会发生畸变。 经典文档 下载后可复制编辑 5.3 实验中硬件照片 经典文档 下载后可复制编辑 5.4系统的进一步设计及方向 此逆变电源基本达到设计指标，具有良好的市场前景。由于时间和本人水平有限，在电源的设计中还存在以下的一些问题和不足。 ⑴电源没有采用软开关技术，硬开关使用IGBT的开关损耗较高，且每次晶闸管的切换造成了资源浪费，从而导致效率的降低，在以后的设计中，可以设计一种新的IGBT控制方法，可以减少死区时间和IGBT切换造成的资源浪费。也可以用梯形波作为调制信号而不用正弦波，也可以有效地提高电压利用率。 ⑵建立的单相电压型PWM逆变器的数学模型虽具有一定的合理性，但是采用的是小信号模型的方法，如能建立大信号数学模型，对指导变频电源设计会具有更大意义，在试验中我们忽略了晶闸管的内阻及滤波器中电感和电容的内阻，这会对输出结果造成影响。 ⑶输出电路中的谐波分量的频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标，在本次试验中，输出电压中的存在一定的谐波，载波频率越高的话，SPWM波形中谐波频率就越高，我们设计滤波器时，体积可以更小一些，但是由于硬件电路及控制器主频的决定，载波频率有一定的限制，在以后的设计中我们可以提高在波频率来减少谐波。 经典文档 下载后可复制编辑 致 谢 本次毕业设计完成了，在这里我要感谢所有帮助与鼓励过我的人。首先是我的指导老师皇金锋老师，因为本次毕业设计是在皇老师的悉心指导下完成的，皇老师丰富的知识和平易近人的作风让我受益匪浅，他不仅传授我们知识，更传授了我们学习的方法和严谨的态度，在此祝愿老师和各位同学一切顺利天天开心。我也会在以后的工作学习中牢记老师的教诲， 更加努力学习。 经典文档 下载后可复制编辑 经典文档 下载后可复制编辑 参考文献 [1] 王兆安、刘进军. 电力电子技术（第五版）. 机械工业出版社，2009 [2] 洪乃刚. 电力电子技术基础[J]. 清华大学出版社,2008 [3] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统（第四版）. 机械工业出版社，2010 [4] 周志敏、周纪海. 逆变电源实用技术——设计与应用. 中国电力出版社，2005 [5] 华成英. 模拟电子技术基础. 高等教育出版社，2006 [6] 邱光源. 电路. 高等教育出版社,1999 [7] 阎石. 数字电子技术基础（第四版）. 高等教育出版社，1999 [8] 陈坚. 电力电子[M]. 高等教育出版社,2002 [9] 黄忠霖 黄京. 电力电子技术MATLAB实践. 国防工业出版社.2009 [10] 孙炳达. 自动控制原理[M]. 北京：机械工业出版社,2005 [11] 徐德鸿. 电力电子系统建模及控制 .北京：机械工业出版社，2005 [12] Z.Ye, R. 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The use of automation technology can not only from the heavy manual labor, some mental work, as well as poor and dangerous working environment liberate, but also the expansion of human organ function, significantly improve productivity, enhance human understanding of the world and the ability to change the world . Therefore, the automation industry, agriculture, national defense and science and technology, an important condition for the modernization and significant signs. In 1946, the United States Ford, Hudson DS mechanical engineers made the first \"automatic\and used to describe the engine cylinder automatic transmission and processing process. 50's, automatic adjustment and the development of classical control theory, automatic access to a single-variable automatic adjustment system of the partial automation of the main stage. 60's, with the emergence of modern control theory and the popularization and application of computer, automatic control and information processing combine to automate the production process into the optimal control and management of integrated automation stage. 70 years, become the target of automated large-scale, complex engineering and non-engineering systems, involves a lot of modern control theory it is difficult to solve. Research on these issues, to promote the automation of the theory, methods and means of innovation, the emergence of large-scale system of system control and intelligent control of complex systems, a comprehensive utilization of computers, communications technology, systems engineering and artificial intelligence, such as high-level results automation systems such as flexible manufacturing systems, office automation, intelligent robots, expert systems, decision support systems, computer integrated manufacturing systems. The emergence of automatic devices and applications in the 18 century. Of ancient man in the long-term production and life, in order to reduce their own labor, and gradually replace the power generated using natural human animal, as well as the use of automatic devices to replace human brainpower involuted part of the activities of the desire, after a long years of searching, they are unrelated to create some of the original automatic devices. A guide to the ancient Chinese cars in Europe, as well as the 17th century mill clock and wind control devices, although they are totally linked to the invention, but the formation of automation technology has played a leading role. During the formation of automation technology in the late 18th century-20th century, the 30s. 1788 invention of the British mechanics J. Watt centrifugal governor (also known as the fly ball governor), and linking it to the valve connecting the steam engine, steam engine constitute a 经典文档 下载后可复制编辑 closed-loop automatic control system speed. Watt's invention ushered in the modern application of the automatic adjustment device of a new era of the first industrial revolution and the subsequent development of control theory have had a significant impact. People began to use the automatic adjustment device, to deal with industrial production control issues raised. These regulators are given the value of tracking devices, to maintain some physical quantities in the vicinity of a given value. Automatic adjustment application automation technology marks the beginning of the new historical period. After the 20th century, industrial production, widespread application of the automatic adjustment device for regulating the promotion of a system analysis and synthesis of research. This period, although the automatic regulator has been widely applied in the structure of feedback control, but from the theoretical study of the principles of feedback control from the 20th century during the beginning of 20. In 1833 the British mathematician C. Babbage machines in the design and analysis of the first principles of process control. 939 the world's first system and the control of a number of professional research institutions set up during the 20th century, 40 the formation of classical control theory and development of local automation and organizational theory made preparations. The 20th century is the age of 40 to 50 during the partial automation of the Second World War, formed during the classical control theory for partial automation of the post-war development has played an important role in promoting. In the course of the issue of the formation of the classical control theory, the design of a variety of sophisticated automatic adjustment device, creating a system and control of the new fields of science. At that time, this new discipline in the United States known as the servo theory, known as the automatic adjustment in the Soviet Union theory, mainly to resolve the single-variable control problem. Classical control theory in 1960 the name was the United States in the first meeting of the Joint Automatic Control of. After 1945 as a result of the lifting of the ban on the publication time of war, there has been systematically expounded the writings of classical control theory. 1945, American mathematician Wiener, N. The concept of the feedback control system extended to all. After the 50's, classical control theory has many new developments. . The method of classical control theory has been able to meet the World War II military technology needs and the post-war industrial development needs. But in the late 50s found that the classic control theory approach to the multi-variable system will come to wrong conclusions. Classical control theory approach has its limitations. 40 mid 20th century invention of electronic digital computer to create a new era of digital process control, although it was limited to automatically calculated, but the manufacture of ENIAC and EDVAC success, creating a new era of electronic digital control. The invention of electronic digital computers for the age of 60 to 70 in the control system is widely used in process control and logic control as well as the wider use of electronic digital computers to directly control the production process laid the foundation. At the end of the 20th century, since the 50's is the integrated automation period of rapid development of space technology, there is an urgent need to address the multi-variable optimal 经典文档 下载后可复制编辑 control problem. Thus the birth of the modern control theory. Modern control theory for the formation and development of integrated automation laid a theoretical basis. At the same time, a new micro-electronics technology breakthrough. There transistor computer in 1958, appeared in 1965 IC computer, single-chip microprocessor appeared in 1971. The emergence of microprocessor technology to control had a significant impact, control engineers can easily use to achieve a variety of complex microprocessor control, so that integrated automation a reality. \"Automation (Automation)\" Americans DSHarder in 1936 he proposed that in a production process, transfer of parts between machines do not have people to move is the \"automation\" The concept of automation is a dynamic process of development. The past, people's understanding of automated function or goal of automated machines to replace human operator action, automatic completion of specific operations. This is essentially a substitute for manual automation point of view. Later, as the electronic and information technology, especially with the emergence of computers and extensive application of the concept of automation has been extended for the use of machinery (including computers) instead of people not only physical but also mental work in place of or complementary to automatically completion of specific operations. Today the concept of automation of the above is not perfect. To automate the functions of the target machine as a substitute for people with physical or mental work is a rather narrow understanding. Such an interpretation is hindered to some extent even in the development of automation technology, for example, it was believed that the Chinese people, and engage in a lot of automation is not necessary. Today, automation has been far from a breakthrough of the traditional concept with a more broad and profound content. At least the broad meaning of automation include the following: the form of manufacturing automation has three aspects: to replace human labor to replace or support people's mental, man-machine manufacturing system and the system-wide coordination, management, control and optimization. Concerning function, the automation instead of manual or mental work of human automation is only part of the target system. The goal is to automate a wide range of functions, and has formed an organic system. In the scope of manufacturing automation is not only related to the specific manufacturing process, but all involve the process of product life cycle. Automation is a dynamic concept, with a very broad and profound content. Manufacturing automation technology is currently very active research, 【Research】 Automation is involved in a more interdisciplinary, applied a wide range of integrated science and technology. As a systematic project, which is composed of five units: ① process unit. Decide what to do and what to do. ② the role of units. Imposed by the energy and position. ③ sensing unit. Detection performance and the status of the process. ④ the development of modules. Sent to the sensor unit to compare the information to develop and issue a command signal. ⑤ Control Unit. To develop and regulate the cell body. Automation research and automatic control 经典文档 下载后可复制编辑 are mainly two aspects of information processing, including theory, methods, hardware and software, from the application point of view, study the contents of process automation, machinery automation, management, automation, laboratory automation and home automation and so on. Process automation, such as petroleum refining and chemical industries in the fluid or chemical treatment automated powder. Generally used by the instrumentation, and computer and other regulators of the process control system components, the furnace, distillation column, such as equipment or the whole plant for optimal control. The main control method used in feedback control, feedforward control and optimal control. This is a machinery manufacturing automation mechanization, electrification and the result of a combination of automatic control, handling of the workpiece is separated. Early automated machinery is mechanical or electrical components or a simple stand-alone automation automated production lines. 60 since the 20th century, due to the application of electronic computer, a CNC machine tools, machining centers, robotics, computer-aided design, computer-aided manufacturing, such as automated warehouses. More than adapt to the development of varieties, small batch production type of flexible manufacturing systems (FMS). To flexible manufacturing systems based on the automation of the workshop, together with information management, production management automation, there has been the use of computer integrated manufacturing system (CIMS) for factory automation. Management automation in factories or institutions, and financial, and material, production, business management and other office automation, information processing is at the core of integrated technologies, involved in computer and communications systems and control subjects. Generally used by more than a great deal of information with high-speed processing capabilities of computers and a variety of terminal, composed of local networks. Of modern management information system has been developed on the basis of the Decision Support System (DSS), decision-making for senior management to provide alternative options. Automation of the social impact of new technologies is an important aspect of the revolution. Automation technology research, application and promotion of human production, ways of life have far-reaching effects. Production process automation and office automation can greatly improve the productivity and efficiency, saving energy and raw materials consumption, to ensure product quality, improve the working conditions, improve production processes and management system, to accelerate the industrial structure of society and social change in the process of information . 【Development trends】 Modern production and development of science and technology, automation technology for the ever-increasing demands, as well as automation technology provides a necessary condition for innovation. 70s after the beginning of the complex automated system control and advanced the development of intelligent control, and widely used in national defense, scientific research and economic and other fields, to achieve a large-scale automation, such as large-scale enterprise 经典文档 下载后可复制编辑 integrated automation system, the national railway automatic scheduling system, the national power grid auto-scheduling systems, air traffic control systems, urban traffic control systems, automated command system, national economic management system. From the application of automation engineering to expand to non-engineering fields, such as medical automation, population control, economic management and automation. Automation will be a greater extent mimic human intelligence, robotics has been in industrial production, ocean development and the universe are applied in areas such as detection, expert systems in medical diagnosis, geological exploration and achieved significant results. Factory automation, office automation, home automation and agricultural automation will become an important new technological revolution and signed by the rapid development. 中文翻译 自动化 是在干预的情况下自动或操作的过程的控制下，与目标“稳定，准确，快速的程序或指令中的机器或装置。”自动化技术广泛应用于工业，农业，军事，科研，交通，商业，医疗，服务和家庭等。采用自动化技术不仅可以从繁重的体力劳动，部分脑力劳动，以及贫困和危 经典文档 下载后可复制编辑 险的工作环境中解放出来，而且还可以扩大人体器官功能，显著提高生产效率，提高人类对世界的认识和能力改变世界的。因此，自动化工业，农业，国防和科学技术现代化的重要件 和显著的迹象。 在1946年，美国福特，哈德森DS机械工程师发明出第一个“自动”，用来描述发动机汽缸的自动传输和处理过程。50年的自动调整和经典控制理论的发展，自动化进入一个单变量自动调节系统中的主要阶段的部分自动化。 60年代，随着现代控制理论的出现和普及计算机，自动控制和信息处理和应用相结合，生产过程自动化到最佳的控制和管理的综合自动化阶段。 70年代，成为自动化大规模，复杂工程和非工程体系发展的目标，其中涉及到很多现代控制理论，这是难以解决的。对这些问题的研究，促进了自动化的理论，方法和手段的创新，出现了大型复杂的系统，综合利用计算机，通信技术，系统工程和人工智能系统控制和智能控制系统，如高层次的自动化系统，如柔性制造系统，办公自动化，智能机器人，专家系统，决策支持系统，计算机集成制造系统 自动设备和应用程序的出现在18世纪。古代人类在长期的生产和生活，以减少自己的劳动成果，并逐步更换电源产生的使用人类自然动物的，以及使用自动装置代替人的脑力活动的一部分繁难欲望，搜索之后漫长的岁月里，他们创造一些原自动化设备无关。古代中国汽车在欧洲，以及17世纪的磨坊时钟和风控设备指南，虽然他们是完全挂钩的发明，但自动化技术的形成中发挥了主导作用。 自动化技术是在18世纪后期至20世纪30年代形成的。在这期间英国机械师J.瓦特离心调速器（也被称为飞球省长），并将其链接到蒸汽机的阀门连接的1788项发明，蒸汽机构成一个闭环自动控制系统的运行速度。瓦特发明迎来了现代应用程序的自动调节装置的第一次工业革命和随后的控制理论发展的新时代，有一个显着的影响。人们开始使用自动调节装置，处理工业生产控制提出的问题。这些稳压器的跟踪装置中给出的值，保持在一个给定值附近的一些物理量。自动调整应用自动化技术标志着新的历史时期的开始。 20世纪后，工业生产，广泛应用的自动调节装置调节系统的分析和综合研究促进。这期间，虽然自动稳压器已被广泛应用于反馈控制的结构，但是从反馈控制的原则，从20世纪20年初的理论研究。 1833年，英国数学家C.巴贝奇机的设计和分析的过程控制的首要原则。 939世界上第一个系统和控制了一些专业研究机构设立在20世纪，40经典控制理论的形成和发展当地自动化和组织理论做了准备。 20世纪40年代至50年代，在第二次世界大战过程中形成的经典控制理论部分自动化战后发展起到了重要的推动作用，部分自动化。在这个问题的过程中形成的经典控制理论，设计了各种先进的自动调节装置，建立系统和控制的新的科学领域。当时，这门新的学科在美国被称为伺服理论，在苏联理论被称为自动调节，主要是为了解决单变量控制问题。经典控制理论的名字是在1960年在美国的第一次会议联合自动控制。 1945年由于战争时期出版的禁令解除后，已经系统地阐述了经典控制理论的著作。 1945年，美国数学家维纳，N.反馈控制系统的概念扩展到所有。 50年代以后，经典控制理论有许多新的发展。 。经典控制理论的方法，已经能够满足第二次世界大战的军事技术的需求和战后工业发展的需要。 经典文档 下载后可复制编辑 但在50年代后期发现的多变量系统的经典控制理论方法会得出错误的结论。经典控制理论方法有其局限性。 20世纪40年代中期发明的电子数字计算机，以创建一个新的时代，数字化的过程控制，但它仅限于自动计算，但的制造ENIAC和EDVAC成功的，创造一个新时代的电子数码控制。 60至70岁的在控制系统中的电子数字计算机的发明被广泛应用于过程控制和逻辑控制以及更广泛地使用电子数字计算机直接控制生产过程奠定了基础。 20世纪末，自50年代是综合自动化空间技术的飞速发展时期，有一个迫切需要解决的多变量的最优控制问题。因此，现代控制理论的诞生。现代控制理论的形成和综合自动化的发展奠定了理论基础。与此同时，一个新的微电子技术的突破。晶体管电子计算机于1958年，出现在1965年集成电路计算机，单片微处理器出现在1971年。控制微处理器技术的出现，有一个显着的影响，控制工程师可以很容易地使用，实现各种复杂的微处理器控制，使综合自动化成为现实。 “自动化（自动化）”——在1936年，美国人DSHarder提出在生产过程中，转让部分机器之间的没有人移动操作的过程为“自动化”。 自动化的概念，是一个动态的发展过程。过去，人们的理解自动化功能或自动化机器代替人类操作员操作，自动完成具体操作的目标。这本质上是手动自动化的角度来看的替代品。后来，随着电子信息技术，特别是随着计算机的出现和广泛应用，自动化的概念已延长机械的使用（包括电脑），而不是人们不仅身体，而且脑力劳动代替或补充自动完成的具体操作。 如今上述的自动化概念是不完美的。自动化作为替代目标机器的功能与体力或脑力劳动的人，是一个比较狭窄的认识。这样的解释是阻碍在一定程度上，即使是在自动化技术的发展，例如，它被认为中国人，搞了很多自动化是没有必要的。 今天，自动化这一已经从传统观念中突破，发展为更广泛而深刻的内容。 自动化广泛的含义至少包括以下内容：生产自动化的形式有三个方面：代替人类劳动的替代或支持人的精神，人机制造系统和全系统的协调，管理，控制和优化。在功能方面，人类自动化手动或脑力劳动的自动化，而不是仅仅是一部分的目标系统。我们的目标是广泛的功能自动化，并已形成了一个有机的系统。在制造自动化的范围不仅涉及到具体的生产过程，但所有涉及产品生命周期过程中。 自动化是一个动态概念，具有非常广泛和深刻的内容。制造自动化技术是目前非常活跃的研究. 【研究】 涉及自动化是一个跨学科，综合科学和技术适用范围广。作为一个系统工程，它是由五个单位：①工艺单元。决定做什么和怎么做。 ②单位的作用。征收能源和位置。 ③感测单检测性能和过程中的状态。 ④开发模块。发送到所述传感器单元的信息进行比较，开发和发出的命令信号。 ⑤控制单元。要制定和调节细胞体。主要有两方面的信息处理，包括理论，方法，硬件和软件，从应用的角度来看，研究的内容，过程自动化，机械自动化管理，自动化，实验室自动化和家庭自动化等自动化研究和自动控制上。流程自动化，如石油炼油和化工行业中的液体或化学处理的自动化粉末。一般所使用的仪器仪表，计算机和其他监管 经典文档 下载后可复制编辑 机构的过程控制系统组件，炉，蒸馏塔中，如设备或整个工厂的最优控制。反馈控制，前馈控制和最优控制的主要控制方法。 这是机械制造自动化机械化，电气化和自动控制的组合的结果，被分离的工件的处理。早期的自动化机械是机械或电气元件或简单的单机自动化的自动化生产线。 6020世纪以来，由于电子计算机，数控机床，加工中心，机器人，计算机辅助设计，计算机辅助制造，自动化仓库等应用。适应品种，小批量的生产型柔性制造系统（FMS）的发展。基于柔性制造系统的自动化车间，加上信息管理，生产管理自动化，为工厂自动化，计算机集成制造系统（CIMS）一直使用。 管理自动化工厂或机构，财务，材料，生产，经营管理和其他办公自动化，信息处理为核心的综合性技术，涉及计算机和通信系统和控制科目。一般用于超过了大量的信息高速处理能力的计算机和各种终端组成的本地网络。现代化的管理信息系统，决策支持系统（DSS），决策的高级管理人员，提供备选方案的基础上开发的。 自动化新技术对社会的影响是革命的一个重要方面。自动化技术的研究，应用和推广人类生产，生活方式有深远的影响。生产过程自动化和办公自动化，可以大大提高生产力和工作效率，节约能源和原材料消耗，以确保产品质量，改善劳动条件，提高生产流程和管理制度，加快工业社会结构和社会变化过程中的信息。 【发展趋势】 现代生产和科学技术的发展，自动化技术，为日益增加的需求，以及自动化技术提供了一个创新的必要条件。 70年代开始后的复杂的自动化系统控制和智能控制，先进的开发，并广泛应用于国防，科研，经济等领域，实现了大规模的自动化，如大型企业综合自动化系统，全国铁路自动调度系统，国家电网自动调度系统，空中交通管制系统，城市交通控制系统，自动化指挥系统，国家的经济管理体制。从自动化工程的应用扩大到非工程领域，如医疗自动化，人口控制，经济管理和自动化。自动化将在更大程度上模仿人类的智能，机器人已在工业生产，海洋开发和宇宙的应用领域，如检测，医疗诊断专家系统，地质勘探，并取得了显著成效。工厂自动化，办公自动化，家庭自动化，农业自动化将成为一个重要的新的科技革命和签署的快速发展。 经典文档 下载后可复制编辑 经典文档 下载后可复制编辑 附录1 单相电压型逆变电源设计总程序 /****************************************************************** 单相逆变 载波 18k 调制比 72 经典文档 下载后可复制编辑 ******************************************************************/ /*****************头文件********************/ #include \"DSP281x_Device.h\" #include \"System.h\" #include \"math.h\" /****************端口宏定义*****************/ /****************常量宏定义*****************/ /***************全局变量定义****************/ float table[72]; float w=2*3.1415926/72; float TC=2083; float M=0.5; unsigned int m=72; unsigned int flag_ad, duan; float TON; float table[72]; float read_ad[6]={0,0,0,0,0,0}; float value,PI; unsigned int k; typedef struct pid { float setvalue; float Kp; float Ki; float Kd; float lassterror; float error; 经典文档 下载后可复制编辑 float Sum; float PrevError; }pid; pid spid; /****************函数声明*******************/ void Init(void); void InitEva(void); interrupt void T1UFINT(void); float smoothing(float *p); float PID(float wucha); void Initad(void); interrupt void ad(void); /*------------------------------------------*/ /*形式参数：void /*返回值:void /*函数描述:主函数 /*------------------------------------------*/ void main(void) { InitSysCtrl(); Init(); Initad(); InitEva(); for(;;) { if(flag_ad>=1) { flag_ad=0; */ */ */ 经典文档 下载后可复制编辑 } } } value=smoothing(read_ad); M=PID(value); void Init(void) { } void InitEva(void) { unsigned int i; for(i=0;i<=m;i++) table[i]=sin(w*i); k=0; TON=0; duan=0; spid.lassterror=0; spid.Sum=0; EALLOW; GpioMuxRegs.GPAMUX.all=0x00ff;//引脚配置为PWM EDIS; EALLOW; PieVectTable.T1UFINT=&T1UFINT; //将中断函数的入口地址存入中断向量表 EDIS; 经典文档 下载后可复制编辑 PieCtrlRegs.PIEIER2.bit.INTx6=1;//使能通用定时器1周期中断 IER|=M_INT2; EINT; //使能CPU级中断2 //使能全局中断 EvaRegs.GPTCONA.all=0x0000; EvaRegs.T1PR=TC; //初始化通用定时器控制寄存器 //设置定时器采样周期 //清零定时器1的计数寄存器 EvaRegs.T1CNT=0x0000; EvaRegs.EVAIFRA.bit.T1UFINT=1; //复位周期中断标志 EvaRegs.EVAIMRA.bit.T1UFINT=1; //使能定时器1的周期中断 EvaRegs.T1CON.all=0x0840; //对输入的高速时钟分频，使能定时器1 /************启动AD**********/ EvaRegs.T2PR=12*TC; EvaRegs.T2CNT=0x0000; //设置载波周期 EvaRegs.T2CON.bit.TMODE=1; EvaRegs.T2CON.bit.TENABLE=1; EvaRegs.T2CON.bit.TPS=0; //设置连续增\\减计数 //使能定时器 EvaRegs.GPTCONA.bit.T2TOADC=1; ADC // 使能下溢中断来启动 EvaRegs.CMPR1=(int)(TC/2); EvaRegs.CMPR2=(int)(TC/2); //比较单元1赋值 //比较单元2赋值 EvaRegs.ACTRA.all=0x0999; //PWM1\\3\\5高电平有效，PWM2\\4\\6低电平有效 经典文档 下载后可复制编辑 } EvaRegs.DBTCONA.all=0x07f0; EvaRegs.COMCONA.all=0xaa00; //设置死区 //使能比较输出及操作 interrupt void T1UFINT(void) { } void Initad(void) DINT;//关总中断 if(k>=m) TON=(1041.0*(M*table[k]+1.0)); duan=(int)((TC-TON)/2.0); k=0; EvaRegs.CMPR1=duan; EvaRegs.CMPR2=duan; k++; EvaRegs.EVAIFRA.bit.T1UFINT=1;///清零下溢中断标志位 PieCtrlRegs.PIEIFR2.bit.INTx6=0;//清零PIE中断标志位 PieCtrlRegs.PIEACK.bit.ACK2=1;//相应后面中断 EvaRegs.EVAIMRA.bit.T1UFINT=1;//使能定时器1的下溢中断 EINT; 经典文档 下载后可复制编辑 { long i; AdcRegs.ADCTRL1.bit.RESET=1; for(i=0;i<100;i++)NOP; AdcRegs.ADCTRL1.bit.RESET=0; AdcRegs.ADCTRL1.bit.SUSMOD=0; AdcRegs.ADCTRL1.bit.ACQ_PS=0; 钟 AdcRegs.ADCTRL1.bit.CPS=0; AdcRegs.ADCTRL1.bit.CONT_RUN=0; AdcRegs.ADCTRL1.bit.SEQ_CASC=1; AdcRegs.ADCTRL3.bit.ADCBGRFDN=3; 电 for(i=0;i<20000;i++)NOP; AdcRegs.ADCTRL3.bit.ADCPWDN=1; 电路上电 for(i=0;i<5000;i++)NOP; AdcRegs.ADCTRL3.bit.ADCCLKPS=3; 数 AdcRegs.ADCTRL3.bit.SMODE_SEL=0; AdcRegs.ADCMAXCONV.bit.MAX_CONV1=5; AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV00=0; AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV01=1; //忽略仿真挂起 //设置采样时间为一个ADC 时 //内核时钟预定标器 //开始停止模式 //级联模式 //给ADC模块内部基准电路上 //给ADC内部其他的模拟 //设定ADC的时钟分频系 //顺序采样 //每次转换5通道 //选择通道ADCINA0 //选择通道ADCINA1 经典文档 下载后可复制编辑 AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV02=2; AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV03=3; AdcRegs.ADCCHSELSEQ2.bit.CONV04=4; AdcRegs.ADCCHSELSEQ2.bit.CONV05=5; AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR=1; AdcRegs.ADCTRL2.bit.EVA_SOC_SEQ1=1; 动SEQ1 AdcRegs.ADCTRL2.bit.EVB_SOC_SEQ=0; 级联排序 AdcRegs.ADCTRL2.bit.INT_ENA_SEQ1=1; AdcRegs.ADCTRL2.bit.INT_MOD_SEQ1=1; 时，置位中断标志 AdcRegs.ADCTRL2.bit.EXT_SOC_SEQ1=0; 的自动转换序列 AdcRegs.ADCTRL2.bit.RST_SEQ1=1; AdcRegs.ADCTRL2.bit.SOC_SEQ1=0; EALLOW; PieVectTable.ADCINT=&ad; 入中断向量表 EDIS; PieCtrlRegs.PIEIER1.bit.INTx6=1; IER|=M_INT1; EINT; } interrupt void ad(void) { DINT; //清除SEQ1的中断标志位 //允许EVA的触发信号启 //禁止EVB触发信号启动 //使能INT_SEQ1中断请求 //每个SEQ1序列序列结束 //禁止外部引脚启动ADC //复位到CONV00 //禁止软件触发 //将AD中断处理函数的入口地址存 //使能PIE级中断INT1_6 //使能CPU级中断1 //使能全局中断 //关总中断 经典文档 下载后可复制编辑 read_ad[0]=((AdcRegs.ADCRESULT0>>4)*3)/4095.0+0.0; read_ad[1]=((AdcRegs.ADCRESULT1>>4)*3)/4095.0+0.0; read_ad[2]=((AdcRegs.ADCRESULT2>>4)*3)/4095.0+0.0; read_ad[3]=((AdcRegs.ADCRESULT3>>4)*3)/4095.0+0.0; read_ad[4]=((AdcRegs.ADCRESULT4>>4)*3)/4095.0+0.0; read_ad[5]=((AdcRegs.ADCRESULT5>>4)*3)/4095.0+0.0; //转换结果1 //转换结果2 //转换结果3 //转换结果4 //转换结果5 //转换结果6 flag_ad++; AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR=1; AdcRegs.ADCTRL2.bit.RST_SEQ1=1; PieCtrlRegs.PIEIFR1.bit.INTx6=0; PieCtrlRegs.PIEACK.bit.ACK1=1; EINT; } float smoothing(float *p) { float average; average=(p[0]+p[1]+p[2]+p[3]+p[4]+p[5])/6.0; return average; } /*--------------------PID函数----------------------*/ float PID(float wucha) { spid.setvalue=2.2; spid.Kp=1.0; spid.Ki=0.01; //清零SEQ1中断标志位 //复位到CONV00 //清零中断标志 //使能后面的中断 //使能全局中断 经典文档 下载后可复制编辑 spid.error=spid.setvalue-wucha; PI=spid.Kp*(spid.error-spid.lassterror)+spid.Ki*spid.error+spid.Sum;//+spid.Kp*(spid.error-2*spid.lassterror+spid.PrevError) } /* float PID(float wucha) { ; } spid.setvalue=2.0; spid.Ki=1; spid.Kp=0.01; spid.error=spid.setvalue-wucha; PI=spid.Ki*spid.error+spid.Kp*(spid.error+spid.Sum);//+spid.Kp*(spid.error-spid.lassterror)spid.lassterror=spid.error; spid.PrevError=spid.lassterror; spid.Sum=PI; if(PI>=0.9) PI=0.9; if(PI<=0.1) PI=0.1; return (PI); spid.lassterror=spid.error; spid.Sum+=spid.error; if(PI>=0.9) PI=0.9; if(PI<=0.1) PI=0.1; return (PI); 经典文档 下载后可复制编辑 */ 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容