中北大学2013届本科毕业论文
统各项控制指标，经过对各种控制芯片的比较，最终选择TI公司DSP（TMS320F2808）芯片。主控单元实现的功能可以用图2.5表示，具体描述如下：
（1）产生IGBT驱动信号；
（2）对电网电压完成锁相，产生同频同相的基准信号； （3）完成对反馈电流信号的控制； （4）实现系统保护功能； （5）实现人机交互。 系统采样 调理电路 ADC PWM IO TMS320F2808 CAP SCI 图2.5 主控单元模块功能
IGBT 驱动电路 控制与保护 电路 电网电压 相位检测 人机交互 3. 逆变驱动电路
逆变驱动电路的设计直接影响开关管的通断，驱动电路的作用主要有： （1）放大PWM驱动信号，驱动逆变桥正常工作； （2）将四路PWM驱动信号彼此隔离，没有电气联系； （3）通过光耦将控制电路与主电路电气隔离。 4. 信号采样调理及故障检测电路
为实现逆变系统的稳定运行，需要对一些信号进行实时采样，再经过适当调理后送入DSP处理。当系统故障时，要求逆变器能迅速作出反应。需要采样的信号经采样电路送入DSP中，主要包括以下信号：
（1）直流母线电压采样； （2）直流电流采样；
（3）电网电压信号，需要测出幅值、频率及相位； （4）并网电流信号； （5）逆变器温度信号检测； （6）继电器开关信号。
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采样调理电路要保证采样信号的准确性，为系统正常工作提供各种参数，正确的参数是实现有效控制的前提。保护检测电路要能够保证系统的可靠运行，必须有可靠的灵敏性，反应要迅速准确。
5. 滤波电路
为保证逆变器输入输出信号都能满足相关要求，本设计在交流输出侧串联滤波电感，从而实现以下作用：
（1）滤除开关管产生的高频谐波，保证输出高质量的正弦电流； （2）利用电感对电流的阻尼作用，稳定电流，保证系统稳定。 6. 通讯电路
通讯电路可以实现人机交互功能，随时对系统运行状况实施监控，便于远程控制。通讯功能主要利用DSP的SCI、CAN等通讯接口。 2.3 单相并网逆变器的基本原理
在图2.3中，功率开关元件采用四只IGBT管V1、V2、V3、V4，由DSP输出的SPWM脉宽调制信号控制驱动IGBT管的导通或截止。当逆变器电路接上直流电源后，先由V1、V4导通，V2、V3截止，则电流由直流电源正极输出，经Vl、滤波器、V4后，再回到电源负极。当V1、V4截止后，V2、V3导通，电流从电源正极经V3、滤波器、V2后，再回到电源负极。此时，逆变器输出端已形成正负交变的方波。利用SPWM控制，使得两对IGBT管交替重复开关动作，输出等效交流电压，再经过滤波器的作用，使输出端形成正弦波交流信号。同时，为了给交流侧向直流侧反馈无功能量提供通道，逆交桥各臂都并联了反馈二极管，在两对IGBT管交替重复的过程中，这些二极管还起到了续流的作用。 2.4 系统主电路参数设计
直流侧输入电压Ud的选择，并网系统直流侧的电压必须大于交流侧的峰值电压，否则系统不能正常工作。选取直流侧输入电压Ud的范围为200～450V。选取Ud=400V。
开关管IGBT的选择。当并网逆变器电路正常工作时，流经功率开关管IGBT的电流峰值与滤波电感电流峰值一致，同时考虑到余量，则要求开关管的电流额定值必须略大于电感峰值的最大值。本课题设计的并网逆变器输出功率为10kW，输出电流峰值约为64.3A。同时考虑到系统余量，选择功率开关管的耐流值应该在100A
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以上。
在全桥并网逆变电路中，主功率开关管承受的最大电压应超过直流输入侧的最大电压(450V)，同时从余量和线路寄生参数影响等方面考虑，选取的IGBT耐压值应大于500V。频率20KHz。
滤波电感的选择。滤波电感在整个系统中有两个作用：抑制开关器件的高频分量；控制其两端的电压来控制并网电流。
忽略电路中的电阻R，则电感L的计算是：在输入电压和输出电压确定的情况下，输出滤波电感的最小值主要由设定的电感电流纹波的大小来决定。设电感L上的电流纹波最大值为?imax，则对于电感L有：
Uinv?Ugrid?L?i （2.1） ?t因为Uinv?1Udc，代入式（2.1）则 T1?i Udc?Ugrid?L （2.2）
T?t其中，T为载波周期，Udc为直流侧电压。将式（2.2）变换得式（2.3），
?i?1?t (Udc??tUgrid) （2.3）
LT对式（2.3）求导，并令导数为0，得到电流纹波最大时的调制比。
?tUgrid? （2.4） T2Udc将式（2.4）代入式（2.3）得，
TU2?i? （2.5）
4LUdc变换得，
TU2L? （2.6）
4Udc?imax对电压有，
222Uinv?Ugrid?UL （2.7）
因为Uinv?Udc则，
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22UL?Udc?Ugrid （2.8）
其中UL为电感电压幅值。通过计算得出，
L?22Udc?Ugrid?i?22Udc?Ugrid?I （2.9）
整合式（2.6）与式（2.9）得到，电感L的取值范围。
2TUgrid4Udc?imax?L?22Udc?Ugrid?I （2.10）
3 并网逆变控制系统硬件设计
上章中对单相并网逆变控制系统的总体设计及各部分模块的功能作了详细介绍，本章主要就控制系统的硬件具体实现作全面介绍。 3.1 TMS320F2808DSP及开发环境CCS介绍
TI公司生产的TMS320F2808是TMS320C200系列下的一种定点32位MCU芯片。与TI前期推出的C24x系列DSP相比，各项指标都有较大改善，性能也大大提高。主频由40MHz提高到100MHz,结构采用100管脚，体积更小，功耗低，运算能力强，大量应用于工业控制领域，尤其在逆变器、数字电源、数字马达控制以及智能传感器控制等领域获得广泛应用。F2808外设资源丰富、片内存储空间足以满足平常使用、足够多的I/O口、非常迅速的A/D转换速率等，并且与TMS320F280x系列其他芯片相比具有相同的管脚结构，代码也完全兼容，具有很好的可移植性。下面对其各项性能指标作个详细介绍：
（1）采用高性能静态CMOS技术，100MHz主频，功耗低，设计成低电压形式，内核电源采用1.8V供电，I/O电源采用3.3V供电；
（2）采用高性能32位CPU，哈佛总线结构，中断响应时间短；
（3）片内集成高达64K*16的FLASH，18K*16的SARAM，1K*16的OTP ROM以及4K*16的Boot ROM；
（4）代码安全模块提供的密码保护高达128位，安全性非常高； （5）具有35个可独立编程的多路复用GPIO通道和43个外设中断； （6）增强型外设控制单元：一共有16路EPWM通道，其中4路为高分辨率
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HRPWM，另外12路为普通发波通道；4路捕获输入单元；2路正交编码结构；
（7）3个32位CPU定时器；
（8）16个片上ADC转换通道，精度12位的，可以配置为级联模式，构成一个16通道模块，也可以配置成2个独立的8通道模块，高达6.25MSPS的超快转换速率，能够在160ns内完成一次A/D转换；
（9）具有丰富的通讯接口，支持SPI、SCI、eCAN及I2C多种通讯方式。 DSP的开发需要一定的软件工具，CCS（Code Composer Studio）就是专门开发DSP的一种集成开发环境，可视化程度高，界面良好，集成了编辑、调试代码、跟踪、分析等多种功能[25]。利用CCS开发调试数字信号处理产品时，一般步骤如图3.1所示：
应用设计 图3.1 采用CCS开发过程
编辑源代码 创建相关的配置和 工程文件 调试 分析和 调整 在这几个开发阶段中，经常利用CCS来实现以下功能单步调试、设置断点、观察变量、配置存储器和寄存器、观察调用堆栈、观察图形、编辑源代码、观察反汇编和C指令执行情况等。 3.2 并网逆变控制系统的硬件设计 3.2.1 辅助电源设计
本系统设计的辅助电源，从直流输入取电，采用控制芯片UC3844，经变压器产生四路相互隔离的电源，分别供给主芯片、IPM模块、继电器和各种有源芯片。如图3.2所示。
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