SPWM控制技术在双Buck逆变器中的应用

SPWM调制技术及其应用2011-05-29 15:17:16 来源:互联网SPWM调制技术及其应用1、正弦脉宽调制（SPWM）技术的理论基础采样控制理论中有一个重要结论：形状不同但面积相等的窄脉冲加之于线性环节时，得到的输出效果基本相同。

如图所示，分别是矩形、三角形、正弦半波窄脉冲和理想单位脉冲函数为波形的电压源u(t) 施加于R、L负载上的情况，当负载时间常数远大于激励脉冲持续时间时，响应i(t) 基本一致，只在上升段有所不同。

由于响应持续时间较长的下降段体现了低频成份，持续时间短的上升段体现了响应的高频分量，因此各个响应按傅里叶分析在低频段基本一致，差别存在于高频段。

当激励脉冲越窄（或负载惯性常数与脉冲持续时间相差越大），则响应的高频段所占比例愈小，整个响应愈相近。

线性系统周期性窄脉冲群的响应可以等效为各个窄脉冲相应的叠加，这样某一以时间为自变量的激励函数加在惯性环节上的响应可以被等效为按时间段与之面积相等的窄脉冲序列加在同一环节上得到的响应。

利用等面积序列脉冲等效正弦半波相应时间段的面积就形成了一系列脉宽随正弦波瞬时值变动的脉冲序列－－即SPWM波，如图所示。

开关功率变换器输出为脉冲函数，利用高频SPWM波施加于负载，并配置低通滤波环节就能够产生需要的低频正弦响应－－即SPWM 调制技术的基本原理与方法。

2、自然采样法－－产生SPWM波的基本方法按照三角波（或锯齿波、统称为载波）与正弦波（调制波）比较，产生SPWM脉冲序列的方法称为自然采样法。

正弦波在不同相位角时其值不同，与三角波相交所得脉冲宽度也不同；当正弦波频率变化和幅值变化时，各个脉冲宽度也相应发生变化。

利用模拟电路可以方便的实现这个功能，将正弦波与三角波施加于比较器的两个输入，其输出即为SPWM波，因此这种方法在模拟控制方式中比较常用，但作为数字控制时由于计算工作量大，一般不常用。

自然采样法示意：uc为三角载波，周期为Tcus为正弦调制波，周期为Ts当us> uc 时，输出＋Uo当us< uc 时，输出－Uo一般有：Ts>> Tcusm≤ucm3、规则采样法（自然采样法的改进－－适合数字控制）规则采样法的原理以载波周期谷点时刻调制波瞬时值为整个载波周期内调制波的幅值，这样调制波与与载波比较得到SPWM信号的方法称为规则采样法。

SPWM变频电源双闭环控制的设计和研究在目前逆变电源的控制技术中，滞环控制技术和SPWM控制技术是变频电源中比较常用的两种控制方法。

滞环控制技术开关频率不固定，滤波器较难设计，且控制复杂，难以实现；SPWM控制技术开关频率固定，滤波器设计简单，易于实现控制。

当二者采用电压电流瞬时值双闭环反馈的控制策略时，均能够输出高质量的正弦波，且系统拥有良好的动态性能。

对于SPWM变频电源，采用电压电流瞬时值双闭环反馈的控制策略，工程中参数设计往往采用试凑法，工作繁琐，误差较大。

本文详细介绍了SPWM变频电源主要的控制参数设计准则和方法，对于快捷、准确地选择合适的闭环参数，有很大的实践应用价值。

2系统简介图1 双闭环控制的SPWM变频电源系统构成简化图图1为系统构成简化图，该系统由主电路和控制电路两部分组成。

逆变电源主电路采用以IGBT为开关器件的单相逆变电路, 采用全桥电路结构，经过LC低通滤波器，滤去高频成分，在滤波电容两端获得相应频率的光滑的正弦波。

虚线框包括的是控制电路，电压电流瞬时值双闭环反馈控制是由输出滤波电感电流和输出滤波电容电压反馈构成的。

其外环为输出电压反馈，电压调节器一般采用PI形式。

电压外环对输出电压的瞬时误差给出调节信号，该信号经PI调节后作为内环给定；电感电流反馈构成内环，电流环设计为电流跟随器。

电流内环由电感电流瞬时值与电流给定比较产生误差信号，与三角形载波比较后产生SPWM信号，通过驱动电路来控制功率器件，保证输出电压的稳定，形成典型的双环控制。

在实际应用中采用电流内环之外还设置电压外环的目的除了降低输出电压的THD外，还在于对不同负载实现给定电流幅值的自动控制。

3SPWM变频电源的线性化模型由于SPWM变频电源中存在着开关器件，因此是一个非线性系统，但因为一般情况下，SPWM变频电源的开关频率远高于调制频率，故可以利用传递函数和线性化技术，建立起SPWM变频电源的线性化模型[1]，如图2所示。

双BUCK逆变器中SPWM控制与滞环控制的比较朱琳，赵徐成，孙鹏，郭春龙，高攀徐州空军学院航空四站系，徐州221000摘要本文以研制新型航空地面电源为出发点，以逆变器为研究对象，研究了双降压式半桥逆变电路在正弦脉宽调制控制和滞环控制下的工作特点，详细分析了各自滤波器的设计方法，最后介绍了输出115V/400Hz/30kW的实验样机，讨论了两种控制方法下逆变器的谐波分布。

通过仿真结果和实验数据的验证，证明了在大功率条件下，SPWM控制与电流滞环控制相比具有谐波分布固定，突加突卸负载时的输出电压稳定，滤波器设计简单的优点。

关键词双降压半桥逆变电路，正弦脉宽调制控制，大功率Performance Comparison of the SPWM Control and Hysteresis Control In Dual-Buck InverterZhu Lin Zhao Xucheng Sun Peng Guo Chunlong Gao PanDepartment of Aerial Four Shops Support,Xuzhou Air Force College,Xuzhou221000 Abstract This paper focused on the research of new pattern air ground power supply unit for start,and majored in the design of inverter,researched on the character of dual-buck half bridge inverter circuit which was controlled by Sine Pulse a115V/40Width Modulation（SPWM）and hysteresis,then analysed each filter design,at the last this page had introduced0Hz/30kW inverter prototype,discussed harmonic distribution of the two types of controlling inverter.According to the proof of simulation results and empirical datum,had illustrated that the SPWM control inverter had the advantages of fixed harmonic distribution,output voltage steadily when loading and unloading transient prosess,simple filter design that compared with the hysteresis control.Keywords dual-buck half bridge inverter circuit;SPWM control;high-power1引言本研究是在以双降压半桥逆变器（Dual buck HalfBridge Inverter—DBI）为主电路的基础上，对SPWM控制和滞环控制的方法进行比较分析，从而得出适合于大功率逆变电路的控制方法，使之输出稳定的115V/400HZ三相中频交流电压，供给飞机进行飞行前的供电检查和启发等。

SPWM波控制逆变器双闭环PID调节器的建模与仿真随着电力行业的快速发展，逆变器的应用越来越广泛，逆变器的好坏会直接影响整个系统的逆变性能和带载能力。

逆变器的控制目标是提高逆变器输出电压的稳态和动态性能，稳态性能主要是指输出电压的稳态精度和提高带不平衡负载的能力；动态性能主要是指输出电压的THD(Total Hannonic Distortion) 和负载突变时的动态响应水平。

在这些指标中对输出电压的THD 要求比较高，对于三相逆变器，一般要求阻性负载满载时THD 小于2%,非线性满载(整流性负载)的THD 小于5%.这些指标与逆变器的控制策略息息相关。

文中主要介绍如何建立电压双环SPWM 逆变器的数学模型，并采用电压有效值外环和电压瞬时值内环进行控制。

针对UPS 单模块10 kVA 单相电压型SPWM 逆变器进行建模仿真。

通过仿真，验证了控制思路的正确性以及存该控制策略下的逆变器所具有的鲁棒性强，动态响应快，THD 低等优点。

并以仿真为先导，将其思想移植到具体开发中，达到预期效果。

1 三电平逆变器单相控制模型的建立带LC 滤波器的单相逆变器的主电路结构如图1 所示。

图1 中L 为输出滤波电感，C 为滤波电容，T1,T2,T3,T4 分别是用来驱动IGBT 的三电平的SPWM 波，U0 为输出负载两端的电压。

在建立控制系统的仿真模型时，需要采集负载两端的电压与实际要求的电乐值做比较，然后通过调节器可以得到所需要调节的值。

在此仿真模型中，驱动波形采用的是三电平的SPWM 波形，具体的产生原理在这不做详细描述。

在Matlah 的Simlink 库中SPWM 波的产生如图2 所示，这里调制比设为0.8。

图1 三电平逆变器单相主电路图2 四相SPWM 产生电路。

SPWM波控制单相逆变器双闭环PID调节器的Simulink建模与仿真随着电力行业的快速发展，逆变器的应用越来越广泛，逆变器的好坏会直接影响整个系统的逆变性能和带载能力。

逆变器的控制目标是提高逆变器输出电压的稳态和动态性能，稳态性能主要是指输出电压的稳态精度和提高带不平衡负载的能力;动态性能主要是指输出电压的THD(Total Hannonic Distortion)和负载突变时的动态响应水平。

在这些指标中对输出电压的THD 要求比较高，对于三相逆变器，一般要求阻性负载满载时THD 小于2%,非线性满载(整流性负载)的THD 小于5%.这些指标与逆变器的控制策略息息相关。

文中主要介绍如何建立电压双环SPWM 逆变器的数学模型，并采用电压有效值外环和电压瞬时值内环进行控制。

针对UPS 单模块10 kVA 单相电压型SPWM 逆变器进行建模仿真。

通过仿真，验证了控制思路的正确性以及存该控制策略下的逆变器所具有的鲁棒性强，动态响应快，THD 低等优点。

并以仿真为先导，将其思想移植到具体开发中，达到预期效果。

1 三电平逆变器单相控制模型的建立带LC 滤波器的单相逆变器的主电路结构如图1 所示。

图1 中L 为输出滤波电感，C 为滤波电容，T1,T2,T3,T4 分别是用来驱动IGBT 的三电平的SPWM 波，U0 为输出负载两端的电压。

在建立控制系统的仿真模型时，需要采集负载两端的电压与实际要求的电乐值做比较，然后通过调节器可以得到所需要调节的值。

在此仿真模型中，驱动波形采用的是三电平的SPWM 波形，具体的产生原理在这不做详细描述。

在Matlah 的Simlink 库中SPWM 波的产生如图2 所示，这里调制比设为0.8.图1 三电平逆变器单相主电路图2 四相SPWM 产生电路在B1,B2,B3,B4 端口用模拟示波器观察其波形，结果如图3 所示。

图3 四相SPWM 驱动波形2 双环控制的选取在逆变控制系统中，采用输出电压有效值反馈的方法进行控制，这种方法通过将输出电压有效值与实际所要求的电压有效值进行比较，误差信号与正弦信号相乘的结果作为SPWM 的调制信号。

．８２．ＳＰＷＭ组合式ＢＯＯＳ＇ｌ＇Ｄ（ＹＡＣ逆变器实现原理分析与仿真—∞＃一＝＝＝；——；——＝＝＝＝——｛一——＝＝＝＝——＃＃——＝＝＝＝＝＝；—｛＝；——＝一一；＆＝＝＝＝＝＝；；ｔ｛＝ｄ；＝＝＝一ＳＰＷＭ组合式ＢＯＯＳＴＤＣ／ＡＣ逆变器实现原理分析与仿真孙驰林洁朱忠尼空军雷达学院（武汉４３００１０）摘要：将ｓＰ弭Ｍ方法引人组合式ＢＯＯＦＦＤｃ／Ａｃ变换器电路中，并进行ｒ电路分析与仿真。

分析与仿真表明这种电路能实现ＤＣ／ＡＣ变换和升压、凋压功能。

这种电路可以用在非隔离式ＵＰＳ、通信电源、电气传动装置中。

龊词：ＢＯＯｆｆｒ变换器逆变器ＳＰＷＭＡｎａｌｙｓｉｓ＆ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＳＰＷＭＭｉｘｅｄＢｏｏｓｔＤＣ—ＡＣＩｎｖｅｒｔｅｒＳｕｎｃｈｉＬｉｎｊｉｅＺｈｕｚｈｏｎｇｎｉＡｉｒＦｏｒｃｅＲａｄａｒＡｃａｄｅｍｙ（４３００１（Ｉ）Ａｈｓｌｒａｃｔ：ＳＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏａｍｉｘｅｄｂｏｏｓｔＤＣ／ＡＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｎａｌｙｓｅｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｒｅｉｎｃｌｕｄｅｄｓｉｍｕｈａｎｅｏｕｓｌｙ．’ｆｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔＰａｎｒｅａｌｉｚｅＤＣ／ＡＣｃｏｎｖｅｒ－ｓｉｏｎａｎｄｂｏｏｓｔｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｂｙｅｏｎｔｒｏｌ／ｉｎｇｍｅｄｕｌａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ．ＴｈｅＳＰＷＭｂｏｏｓｔＤＣ／ＡＣｉｎｖｅｒｔｅｒｉｓｉｎｔｅｎｄｅｄｔｏｂｅｕｓｅｄｉｎｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ（ＵＰＳ），ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐ㈣ｒｓｕｐｐｌｙａｎｄＡＣｄｒｉｖｅｒｄｅｖｉｃｅｓｅｔｃ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｏｏｓｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒｉｎｖｅｒｔｅｒＳＰＷＭ１引言目前，对非隔离式ＤＣ／ＡＣ变换器．太多数都只能实现降压输出。

简述SPWM的基本原理及应用1. 什么是SPWMSPWM（Sine-wave Pulse Width Modulation），中文名为正弦波脉宽调制，是一种常用的调制技术。

它通过将一个参考信号与一个三角波进行比较，通过改变脉冲宽度来实现输出波形的调制。

SPWM技术广泛用于电力电子领域，特别是在交流调压供电系统中，通过控制晶闸管或IGBT开关管的通断条件，控制输出电压的大小和波形。

SPWM能够产生质量较高的交流电源，被广泛应用于交流电动机驱动、UPS、逆变器等领域。

2. SPWM的基本原理SPWM的基本原理是通过对比参考信号与三角波信号的相位差，确定脉冲宽度的长度，从而控制输出波形的形状。

具体原理如下：•生成参考信号：根据输入的目标频率和幅值，生成一个和所需输出波形一致的正弦信号。

•生成三角波信号：三角波信号是一种连续的、呈线性变化的信号，通常由一个积分单元产生。

该信号用于与参考信号进行比较。

•比较参考信号与三角波信号相位差：参考信号和三角波信号在一个比较器中进行比较，产生一个以三角波信号为基准的脉冲信号。

•控制脉冲宽度：当参考信号的幅值大于三角波信号的幅值时，脉冲宽度较宽；反之，若参考信号幅值小于三角波信号幅值，则脉冲宽度较窄。

•输出波形调制：通过控制脉冲宽度的变化，实现对输出波形的调制。

脉冲宽度的改变导致输出波形的有效值和形状发生变化。

3. SPWM的应用SPWM技术在电力电子领域有着广泛的应用，以下是几个常见的应用场景：3.1 交流电动机驱动SPWM技术可以用于交流电动机驱动系统中，通过控制变频器输出的电压和频率，实现对电动机的速度和转矩的精确控制。

通过调整脉冲宽度和频率，可以使电动机在不同负载条件下运行效果更佳。

3.2 UPS（不间断电源）UPS系统通常使用SPWM技术来实现交流电转直流电并通过逆变器将直流电转换为交流电供应给负载。

SPWM技术可以提供较高的转换效率和高质量的输出电压，保证负载设备的稳定供电。

SPWM的基本原理及其应用实例1. 什么是SPWMSPWM（Sine Wave Pulse Width Modulation）即正弦波脉宽调制技术，是一种常用的电子控制技术。

在SPWM技术中，通过改变脉冲宽度来控制输出电压的大小，从而实现对电力系统的调节。

2. SPWM的基本原理SPWM技术基于一个简单的原理，即将一条直流电压通过开关器件开关，形成一串脉冲信号，通过调节脉冲的宽度和频率，可以模拟出一个接近正弦波的输出电压。

基本工作原理如下：•步骤1：通过开关器件将直流电源转换为交流电源。

•步骤2：通过比较器将一个参考正弦波信号与一个三角波信号进行比较。

•步骤3：根据比较结果，控制开关器件的导通和断开，改变脉冲的宽度和频率。

•步骤4：得到一个脉冲宽度与正弦波信号相关的输出波形，即SPWM输出。

3. SPWM的优点与应用SPWM技术具有以下优点：• 1. 输出波形接近正弦波： SPWM技术能够产生接近正弦波的输出波形，具有较低的谐波含量，适用于需要稳定高质量电源的场景。

• 2. 输出电压可调： SPWM技术可以通过改变比较器的阈值、参考信号的幅值和频率等参数，实现对输出电压的精确调节。

• 3. 调制频率高： SPWM技术的调制频率通常可以达到几百Hz甚至更高，适用于对输出电压要求高动态响应的系统。

SPWM技术在许多领域得到了广泛应用，以下是几个典型的应用实例：3.1 变频调速SPWM技术可用于电机驱动，通过调节输出电压的频率和电压大小，实现对电机的变频调速。

这在工业自动化领域中非常常见，可以节省能源和提高生产效率。

3.2 逆变器控制SPWM技术也广泛应用于逆变器中，用于将直流电源转换为交流电源。

逆变器通常用于太阳能发电、风能发电和电力调制等场景，SPWM技术可实现对逆变器输出电压波形的控制。

3.3 无线电通信在无线电通信领域，SPWM技术可以用于产生高频信号，实现调频调制（FM）。

通过改变脉冲的宽度和频率，可以实现对无线电信号的调制和解调。

第4卷中国舰船研究第4卷第5期2009年10月中国舰船研究Chinese Journal of Ship Research Vol .4No.5Oct.2009收稿日期：2008-09-03作者简介：朱承邦（1963－），男，高级工程师。

研究方向：雷达应用1引言现代科技发展日新月异，各类电气设备对电源的品质要求也越来越高。

逆变供电作为一种有效的电力供应形式，已广泛应用于生产生活的各个领域。

为了不断改善逆变器输出性能，人们发展出了多种逆变器控制方法，常见的有：电压瞬时值控制、电流滞环控制、电流预测控制、鲁棒控制［1］、重复控制［2，3］、滑模控制［4］及SPWM 电流控制等。

就各种逆变器控制策略的特点来看，基于SPWM 的电压电流双环逆变器控制是一种较好的控制方法［5，6］。

本文针对电压电流双环逆变器控制模型，设计了电流内环和电压外环的控制参数，对设计的双环控制逆变器模型进行了仿真分析，分析结果基于SPWM 控制的电压、电流双环逆变器建模及其仿真朱承邦1李乐2王晓鹏21大连船舶重工集团有限公司军事代表室，辽宁大连1160052中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064摘要：基于SPWM 的电压电流双环逆变器控制相对其他逆变器控制策略具有一定优越性，但其控制器参数设计却是一个重点和难点。

针对逆变器的SPWM 电压电流双环控制策略，建立了系统的控制模型，设计了电流内环和电压外环的控制器参数，并根据经典控制理论的判据，分别对控制器电流内环和电压外环参数进行了理论验证。

最后根据设计的控制器参数，对SPWM 电压电流双环控制系统模型进行了仿真分析，结果表明，系统设计合理，效果满意。

关键词：SPWM ；逆变器；电压电流双环；仿真中图分类号：TM743文献标志码：A文章编号：1673－3185（2009）05－54－05Modeling and Si mulation of Voltage and Current Double Loop Control Based on SPWM InvertersZhu Cheng-bang 1Li Le 2Wang Xiao -p eng 21The Naval Representative Office ，Dalian Shipbuilding Heavy Industry Co.，Dalian 116005，China2China Ship Development and Design Cent er ，Wuhan 430064，ChinaAbstract ：Comparing with other inverters control strategy ，voltage and current double loop control based on SPWM inverters are superior in capabilities though the controller parameters design is significant and difficult．In this paper ，the system control model has been constructed in term s of inverters of SPWM voltage and current double loop control strategy ，and the current inner loop and voltage outer loop controller parameters design has been proposed with theoretical validation of classic control theory criterion．T he SPWM voltage and current double loop control system model simulation provided with designed controller parameters show s that the system design is reasonable and the effect is satisfying．Key words ：SPWM ；inverter ；voltage and current double loop ；simulation第5期证明了系统参数设计的合理性。

SPWM逆变器双环数字控制技术研究开题报告1. 研究背景随着电力电子技术的不断发展和应用的广泛推广， SPWM逆变器已经成为电力电子领域中最常用的一种逆变器，广泛应用于电力变换、电机控制、绿色能源等领域。

当前， SPWM逆变器的研究主要集中在控制策略、效率提升、电磁干扰、热管理等方面。

然而，采用传统模拟控制方法的逆变器在控制精度、动态响应和抗干扰能力方面存在较大的局限性。

因此，提高逆变器控制系统的自适应性、稳定性和可靠性，以及降低系统的传感器数目，成为逆变器研究的重点方向。

2. 研究目的本文的研究目的是采用双环数字控制技术，结合SPWM逆变器的特点，设计一种具有高性能和高精度的SPWM逆变器控制模块，提高逆变器的控制精度、动态响应和抗干扰能力，降低系统的传感器数目，提高系统的整体性能和可靠性。

3. 研究内容（1）SPWM逆变器原理及其控制策略研究本文对SPWM逆变器的原理和控制策略进行了研究，详细分析和阐述了SPWM逆变器的结构、原理、输出调制方式及其影响因素；介绍了传统的SPWM逆变器控制策略和其优缺点，分析了控制误差、动态响应、抗干扰性等问题，并对SPWM逆变器进行了状态空间控制理论分析。

（2）双环数字控制技术研究本文采用双环数字控制技术，构建SPWM逆变器控制模块，利用数字控制器采集逆变器的反馈信号，实现逆变器的电流控制和电压控制。

采用飞行时间测量技术，采集电压反馈信号，引入PI控制器并进行参数整定，实现稳定的电压控制；采用电流采样技术，应用双环控制策略，对逆变器输出电流进行控制，提高逆变器控制系统的稳定性和抗干扰能力。

（3）SPWM逆变器控制实验验证本文设计了实验平台，验证了所提出的SPWM逆变器控制模块的可行性。

实验结果表明，所设计的SPWM逆变器控制模块的电流控制和电压控制均具有很好的稳定性和控制精度，同时也具有良好的抗干扰能力。

与传统的模拟控制方式相比，所提出的数字控制方式具有更好的动态响应和整体性能，具有很好的应用前景。

SPWM变频电源双闭环控制的设计和研究在目前逆变电源的控制技术中，滞环控制技术和SPWM控制技术是变频电源中比较常用的两种控制方法。

滞环控制技术开关频率不固定，滤波器较难设计，且控制复杂，难以实现；SPWM控制技术开关频率固定，滤波器设计简单，易于实现控制。

当二者采用电压电流瞬时值双闭环反馈的控制策略时，均能够输出高质量的正弦波，且系统拥有良好的动态性能。

对于SPWM变频电源，采用电压电流瞬时值双闭环反馈的控制策略，工程中参数设计往往采用试凑法，工作繁琐，误差较大。

本文详细介绍了SPWM变频电源主要的控制参数设计准则和方法，对于快捷、准确地选择合适的闭环参数，有很大的实践应用价值。

2系统简介图1 双闭环控制的SPWM变频电源系统构成简化图图1为系统构成简化图，该系统由主电路和控制电路两部分组成。

逆变电源主电路采用以IGBT为开关器件的单相逆变电路, 采用全桥电路结构，经过LC低通滤波器，滤去高频成分，在滤波电容两端获得相应频率的光滑的正弦波。

虚线框包括的是控制电路，电压电流瞬时值双闭环反馈控制是由输出滤波电感电流和输出滤波电容电压反馈构成的。

其外环为输出电压反馈，电压调节器一般采用PI形式。

电压外环对输出电压的瞬时误差给出调节信号，该信号经PI调节后作为内环给定；电感电流反馈构成内环，电流环设计为电流跟随器。

电流内环由电感电流瞬时值与电流给定比较产生误差信号，与三角形载波比较后产生SPWM信号，通过驱动电路来控制功率器件，保证输出电压的稳定，形成典型的双环控制。

在实际应用中采用电流内环之外还设置电压外环的目的除了降低输出电压的THD外，还在于对不同负载实现给定电流幅值的自动控制。

3SPWM变频电源的线性化模型由于SPWM变频电源中存在着开关器件，因此是一个非线性系统，但因为一般情况下，SPWM变频电源的开关频率远高于调制频率，故可以利用传递函数和线性化技术，建立起SPWM变频电源的线性化模型[1]，如图2所示。

数字控制SPWM逆变器研究数字控制SPWM逆变器研究1.引言近年来，随着电力电子技术的不断发展，逆变器作为高效能电能转换设备，在各种实际应用中发挥着重要作用。

逆变器能将直流电转换为交流电，其输出波形质量、输出电压稳定性以及输出功率效率对于各种电力电子设备的性能和使用寿命都有着重要影响。

本文将围绕数字控制下的SPWM逆变器展开研究，并探讨其在电力领域的应用前景。

2.数字控制SPWM逆变器概述2.1 SPWM调制技术SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）技术是一种常用的逆变器调制技术，通过控制逆变器的开关管的开关周期和开关占空比，使得输出波形接近于正弦波。

SPWM技术具有输出波形质量好、谐波含量低等优点，因此被广泛应用于电能转换领域。

2.2 数字控制技术数字控制技术是指通过数字电路对电力系统进行监测和控制的技术手段。

数字控制技术具有精度高、可靠性强、抗干扰能力强等优点，因此被广泛应用于逆变器的控制系统中。

3.数字控制SPWM逆变器的优点3.1 输出波形质量高数字控制SPWM逆变器能够通过精确控制开关管的开关周期和开关占空比，使得输出波形接近于正弦波。

与传统的模拟控制方法相比，数字控制SPWM逆变器的输出波形质量更高，谐波含量更低，能够更好地满足各种电力设备的需求。

3.2 系统可靠性强数字控制技术能够提高逆变器的系统可靠性。

数字控制SPWM逆变器可以通过数字电路对输出电压、电流等参数进行实时监测和控制，及时发现并纠正系统中出现的异常情况，保证逆变器的稳定工作。

3.3 控制灵活性高数字控制SPWM逆变器具有较高的控制灵活性，可以通过参数调整和算法优化等手段对逆变器进行控制。

数字控制技术为逆变器的控制系统提供了更多的扩展空间，使得逆变器可以更好地适应各种使用场景的需求。

4.数字控制SPWM逆变器的应用前景数字控制SPWM逆变器具有广泛的应用前景。

在太阳能发电系统中，数字控制SPWM逆变器可以将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电供应给电网，实现对太阳能的高效利用。

spwm标题：SPWM技术及其应用摘要：随着电力电子技术的发展，PWM（Pulse Width Modulation）调制技术在工业控制中得到了广泛的应用。

而SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）调制技术作为PWM调制技术的一种特殊形式，对于交流电机、逆变器以及UPS （不间断电源）等领域也有着重要的应用。

本文将介绍SPWM调制技术的原理、特点以及应用场景，并深入探讨其在电力电子领域中的优势。

第一部分：SPWM的基本原理1.1 PWM调制技术简介1.2 SPWM调制技术的定义与特点1.3 SPWM调制技术的基本原理1.4 SPWM调制技术的数学模型第二部分：SPWM技术的应用领域2.1 SPWM在交流电机控制中的应用2.1.1 SPWM调制技术对交流电机的控制效果2.1.2 SPWM调制技术在变频调速系统中的应用2.1.3 SPWM调制技术在磁悬浮轴承控制中的应用2.2 SPWM在逆变器中的应用2.2.1 SPWM调制技术在逆变器输出波形控制中的应用2.2.2 SPWM调制技术在逆变器输出电压控制中的应用2.2.3 SPWM调制技术在太阳能逆变器中的应用2.3 SPWM在UPS中的应用2.3.1 SPWM调制技术在UPS输出电压控制中的应用2.3.2 SPWM调制技术在UPS输出电流控制中的应用2.3.3 SPWM调制技术在UPS输出频率控制中的应用第三部分：SPWM技术的优势与发展趋势3.1 SPWM调制技术的优势3.1.1 输出波形质量优良3.1.2 谐波内容低3.1.3 控制精度高3.1.4 载波频率大于信号频率3.1.5 适用范围广3.2 SPWM技术的发展趋势3.2.1 多级SPWM技术的发展3.2.2 高速SPWM技术的研究3.2.3 基于DSP（数字信号处理器）的SPWM控制系统结论：SPWM调制技术作为PWM调制技术的一种特殊形式，在交流电机、逆变器以及UPS等领域具有重要的应用价值。

SPWM稳频稳压逆变电源摘要：介绍了SPWM稳频稳压逆变电源的设计方案，重点分析了其测量系统，该电源设备通过取样电机实际响应电压Vpwm，解决了SPWM脉宽调制式变频器与电机的匹配问题。

关键词：逆变器；负载匹配；稳频稳压；测量系统引言近年来，变频器与变频电机组成的拖动系统在生产中发挥着重要的作用。

然而在使用中经常发现变频器与变频电机不能很好地匹配，这个问题严重困扰着变频器及变频电机的生产厂家。

因此有必要研发SPWM稳频稳压电源，使电源频率可调范围为0～5 00Hz，电压可调范围为0～420V（基波）。

且能显示电机实际响应的SPWM波的电压(Vpwm)、电流、频率和功率等。

这样，变频器的生产厂家就可以该电源为标准，测量出与之配套的变频电机真实使用的电压值、电流值、频率值，来调校变频器的矢量控制参数或v/f控制参数。

而电机生产厂家也可根据该标准电源来调整电机的参数，使其与变频器匹配。

图11 工作原理及测量系统分析如图1所示，SPWM稳频稳压电源主电路与市面上成熟的SPWM逆变电源类似。

当交流电机和一个脉宽调制变频器一起被用于变频调速时，设计Vpwm是为了测量交流电机有效电压。

这种类型的变频器首先从交流源产生一个直流电压E，被称为直流链电压。

然后利用电力电子变换技术，采用脉宽调制来变换直流链电压，可以得到一个三相电源系统，例如：通过IGBT在数ms 内将直流电压开关数百次，来创建频率可调的三相电压。

然而输出电压并不是正弦波，而是一个恒幅值的高频斩波波形，如图2所示。

这种电压被送给电机，由于电机是一个大的感性负载，主要对电源电压低频部分作出响应，故电流波形仅具有少量的高频成分，近似为一个正弦波。

对于系统设计者和使用者，能够测量出电机实际接收到的电压Vpwm，检查电机的矢量参数或v/f 是否超出范围是非常重要的。

如果长时间超出电机的标称v/f值（例如，电机在高频、低速下运转），电机将会发热，甚至损坏，而产生严重后果。

SPWM高频数字控制型双Buck全桥逆变器陈裕成;林德荣;王武;蔡逢煌【摘要】According to the characteristics of the low frequency digital control dual-Buck inverter is low switching frequency,long control period,low power density,and the output waveform quality is nothigh.Based on a high performance DSP,design of double closed loop SPWM high frequency digital control algorithm,build a dual-Buck full bridge inverter prototype platform,research on high frequency constant frequency digital control of inverter.Simulation and experiment show that the designed high-frequency control scheme is reasonable and effective.Thanks to the DSP efficient floating-point math calculation unit fast computation of complex algorithm,realization of control system for 100 kHz switching frequency.High performance DSP high frequency switch control can not only shorten the system control cycle,ensure the high efficiency and high quality waveform output,but also can effectively reduce the volume of the filter device,improve the system power density.%针对低频数字控制的双Buck逆变器开关频率低、控制周期长、系统功率密度低、输出波形质量不高的特点.基于高性能DSP设计双闭环SPWM高频数字控制算法,搭建双Buck全桥逆变器样机平台,展开逆变器高频恒频数字控制的研究.仿真与实验表明,所设计的高频控制方案合理有效,其得益于DSP内部高效的浮点数学计算单元对复杂算法的快速运算,实现系统100 kHz开关频率的控制.高性能DSP高频开关控制逆变器不仅可缩短控制周期,保证系统高效率高质量波形输出,还可有效降低滤波器件的体积,提高系统整机功率密度.【期刊名称】《福州大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(046)002【总页数】6页(P223-227,233)【关键词】SPWM;F28377D;高频数字控制;双Buck全桥逆变器【作者】陈裕成;林德荣;王武;蔡逢煌【作者单位】漳州职业技术学院建筑工程系,福建漳州 363000;福州大学电气工程与自动化学院,福建福州 350116;福州大学电气工程与自动化学院,福建福州350116;福州大学电气工程与自动化学院,福建福州 350116【正文语种】中文【中图分类】TP29;TM921.520 引言新能源发电系统的快速发展，对逆变器的性能要求越来越高. 追求高可靠性、高功率密度、高效率高质量波形输出是逆变器的发展趋势. 1995年一种组合两个单向Buck电路的双Buck半桥逆变器(dual-buck half bridge inverter， DBHBI)被提出. 该拓扑不存在桥臂直通问题且电流通过独立的二极管续流，解决了开关管体二极管反向恢复问题. 然而该拓扑直流侧需对母线电压进行大电容均分，输出电压最大值为输入母线电压的一半，直流电压利用率低；功率管的电压应力较大，在高压输入场合应用较为困难；桥臂输出电压波形是双极性的，谐波含量大[1-2]. 文献[3-5]针对以上缺点，采用工频开关桥臂取代DBHBI拓扑中的输入均压大电容，提出一种三电平双Buck全桥逆变拓扑. 该拓扑可有效提高输入电压利用率，降低器件电压应力；全桥拓扑结构使得系统桥臂三电平输出，降低输出谐波含量. 在数字微控制器未得到发展和普及的早期，逆变器多采用模拟控制技术，其系统整机体积庞大、电路结构复杂、成本高、维护升级不方便. 随着大规模数字集成电路技术的发展，逆变器实现从模拟控制到数字控制的转变. 模拟控制复杂电路搭建实现的系统控制，数字控制只需一片小小的DSP便可实现所有复杂的算法和逻辑控制. 然而受限于DSP主频不够高，运算复杂算法周期长等性能限制，无论是半桥还是全桥拓扑的逆变器仍处在较低的开关控制等级(20～60 kHz)，导致系统输出滤波器件体积大，功率密度低. 此外，低频恒频控制的系统控制周期较长，系统输出波形质量也不够高，电气性能无法得到保障.本研究基于德州仪器(texas instruments， TI)近些年新推出的一款C2000系列32位浮点型高性能DSP TMS320F28377D(简称F28377D)，搭建一台1 kW的双Buck全桥逆变器样机平台，结合SPWM控制策略，展开逆变器高频恒频数字控制的设计，研究高性能微控制器在逆变器领域的应用并得出以下结果：高性能微控制器可大大缩减程序运算时间，从而缩短控制周期，提高系统开关频率；系统功率器件高频SPWM控制，输出波形的分辨率有所提高，波形更加逼真；高频开关等级可有效减小输出滤波器件体积和参数大小，提高系统整机功率密度.1 双Buck逆变器系统设计基于文献[3-5]所提出的拓扑，其稍加整理后得到如图1结构的双Buck全桥逆变拓扑. 全桥的拓扑结构使得系统仅需360 V直流电输入，便可实现220V/50 Hz、1 kW交流电输出. 为实现系统数字型高频控制，设计开关管S1、 S2为高频恒频开关控制， S3、 S4为工频50 Hz开关控制. 系统整机相关参数见表1.图1 双Buck全桥逆变器Fig.1 Dual-Buck full bridge inverter表1 系统高频数字控制参数设定Tab.1 High frequency digital controlsystem parameter setting名称变量数值DSP主频fCPU/MHz200开关频率fs/kHz100输出频率fo/Hz50输出电压uo/V220输出功率Po/kW1如表1所示，设定高频开关管S1、 S2控制频率为100 kHz，该频率同时也是SPWM控制策略中三角波载波的频率，对应系统的控制周期Tc等于开关周期Ts.(1)开关管高频数字化设计，必将影响输出滤波器件参数和大小的设计. 参考文献[6]中对输出滤波电感电容的公式进行设计，将fs的值带入计算，得出L1 =L2≈660 μH，Cf≈1 μF. 显然系统高频开关控制有效减小了滤波器件的参数值和体积大小，方便实物制作和系统散热设计，从而可以有效提高系统功率密度.TMS320F28377D作为TI C2000系列一款高性能数字信号处理器，其内部集成了： 1) 单精度浮点单元(floating-point uint， FPU)，专门用于计算机系统进行浮点数运算，如典型的加减乘除和开方，还可以计算超越函数如指数函数或者三角函数； 2) 新型三角法数学单元(trigonometric math uint， TMU)加速器，是F28377D相对于同系列微控制器特有的数学运算单元，对于变换和转矩环路计算中的三角运算算法具有加速计算能力； 3) Viterbi/复杂数学单元(viterbi, conplex math, and CRC uint II， VCU-II)加速器，常应用于程序中复杂数学运算，缩短编码时间. 这三个加速单元使得F28377D可以快速执行控制算法，缩短程序运行时间，从而实现逆变系统高频控制.2 拓扑结构分析对图1拓扑结构进行分析，可分解为图2的2个Buck电路： Ud、开关管S1和S4、二极管D1与D4、滤波电感L1、滤波电容Cf组成图2(a)的Buck电路一；Ud、开关管S2和S3、二极管D2和D3、滤波电感L2、滤波电容Cf组成图2(b)的Buck电路二. 其中， Buck电路一工作在输出电压正半周， Buck电路二工作在输出电压负半周. 其具体工作模态可用表2表示.(a) Buck电路1 (b) Buck电路2图2 双Buck全桥逆变器拓扑结构分解Fig.2 Topological decomposition of dual-Buck full bridge inverter表2 双Buck全桥逆变器工作模态Tab.2 Operating modes of dual Buck full bridge inverter 工作区间模态S1S2S3S4D1D2D3D4iL1iL2Buck一Ⅰ10010001↑0工作Ⅱ00011001↓0Buck二Ⅲ011000100↑工作Ⅳ001001100↓注：“1”表示导通，“0”表示截至根据表2的系统工作模态，本研究利用PSIM仿真软件建立双Buck全桥逆变器数字化控制仿真电路模型，实现对系统理论的仿真验证，得到图3所示的系统仿真波形图. 其中图3(a)为四个开关管驱动波形图，图3(b)为四个开关管的电压应力波形图.(a)开关管驱动信号波形(b) 开关管电压应力波形图3 双Buck全桥逆变器仿真波形Fig.3 Dual-Buck full bridge inverter simulation waveform对比表2和图3(a)可知, 50 Hz系统输出，在输出电压正半周，开关管S1以100 kHz高频开关， S4导通， S2、 S3截至；电感L1电流先上升后下降，电感L2电流为零；输出电压负半周，开关管S2以100 kHz高频开关， S3导通， S1、S4截至；电感L2电流先反向上升，而后反向下降，电感L1电流为零. 分析图3(b)，全桥的拓扑结构使得系统功率器件最大电压应力为Ud，相对于DBHBI拓扑，功率器件的电压应力降为一半，器件选型更加容易. 由于开关管和二极管都存在结电容，工频开关管S3、 S4漏源极承受的电压达到最大值之后不会保持恒定[5].3 数字化控制设计双Buck逆变器是一个时变、周期性、非线性变化的系统，通过采样系统输出电压电流进行控制的双闭环控制策略最为经典：电流内环可以提高系统的稳定性，电压外环可以做到高增益，双闭环控制使得逆变器可在较高效率和频率下运行，在保证系统输出电压精度的同时，动态性能也有所提高[7-8].图4 双闭环SPWM控制双Buck逆变系统 Fig.4 Dual-loop SPWM control dual-Buck inverter system图5 双闭环SPWM双Buck逆变器仿真波形Fig.5 Dual-loop SPWM dual-Buck inverter simulation waveform基于斜坡调制的双闭环SPWM控制策略，是一种恒频的线性控制，通过设置三角载波(uc)的频率，与调制波(ur)进行交截，能够很方便地控制开关管. 图4为本研究根据拓扑所设计的双闭环SPWM高频数字控制型双Buck全桥逆变系统. 系统首先采样电感电流瞬时值和负载电压瞬时值作为反馈量，再通过高性能DSP的12-bits ADC模块实现模拟信号到数字信号的转变. DSP对这些反馈信号进行双闭环SPWM算法运算和基本的逻辑控制计算，实现对开关管S1、 S2高频控制，以及对开关管S3、 S4工频控制.TI C2000系列的DSP内自带IQmath数学函数库，其可加快浮点数学运算速度. 故图4中输入参考电压uref可通过调用IQmath数学函数库得到：(2)其中: n表示uref数字离散化后，当前控制周期所对应数量值，其每经过一个控制周期加一，一个正弦周期清零. N为SPWM数字控制策略特有的参数，大小为SPWM控制的调制波ur频率与三角波uc频率的比值，其值越大，逆变输出波形数字化分辨率越高，输出波形质量越高.(3)DSP内PWM模块的时基计数器，其计数方式有增计数模式、减计数模式和连续增/减计数模式. SPWM控制策略的三角波载波可通过设定PWM为连续增/减计数模式来形成，则三角波载波计数器的中间值TB_PRD等于：fCPU/k·fs, 式中k = 2.确定了系统的控制策略，采用PSIM仿真软件进行理论验证. 图5为220 V/1 kW 满载输出时，输出电压uo、电感L1和L2、输出桥臂uAC和uBD的仿真波形图. 从图中可以看出，电感L1、 L2分别在输出电压的正负半周半正弦变化；满载输出时，电感L1和L2上的电流最大值不超过7 A；双闭环SPWM恒频单极性控制的双Buck全桥逆变器，输出桥臂电压uAC、 uBD为单极性三电平输出.4 实验结果结合上述系统理论设计，搭建图6所示的一台由F28377D控制的双Buck全桥逆变器实验样机. 图7为实验满载输出过程，输出电压uo、输出桥臂uAC和uBD的波形图. 对比图5的仿真波形，实验结果与理论仿真一致，验证了实物设计的静态可行性、参数设计的正确性. 实验实际测量样机满载工作时电流总谐波畸变(THD)为0.8%、输出效率值为97.58%.图6 双Buck全桥逆变器样机Fig.6 Dual-Buck full bridge inverter prototype图7 输出电压及桥臂uAC、 uBD波形Fig.7 Output voltage and bridge arm uAC, uBD waveform图8～10为实验中的部分切载实验，通过观察切载瞬间输出电压和电感电流变换，验证系统动态响应能力. 分析图8波形，系统切载过程，电流波形响应速度快，未出现严重的波形畸变现象；满载时输出电压波形在过零点处无明显畸变现象；轻载或者半载时，由于采用SPWM控制策略，过零点处出现些许畸变，但波形整体趋势不变，系统稳定可靠.图11为系统整机效率曲线图，双闭环SPWM恒频单极性控制使得Buck电路一和Buck电路二分别工作在半周期模式，电感L1、 L2上的电流续流时不经过开关管体二极管，功率损耗显著降低； 100 kHz高频开关控制，功率器件参数与体积有所减小，大大方便系统散热设计，使得系统负载从轻载到满载变化过程，保持较高的效率输出.图8 满载切轻载电压电流波形Fig.8 Full load switch light load uo and io waveforms图9 轻载切半载电压电流波Fig.9 Light load switch half load uo and io waveforms图10 半载切满载电压电流波形Fig.10 Half load switch Full load uo and io waveforms图11 系统效率曲线图Fig.11 The system efficiency curve5 结语本研究通过选用TI的一款高性能DSP，搭建双Buck全桥逆变器实验平台，设计数字化双闭环SPWM控制策略，展开逆变器高频数字型控制的研究. DSP内部高效的浮点加速单元加快控制算法的计算，缩短程序运行时间，从而实现逆变系统高频控制. 高频开关控制等级有效降低滤波器件体积，提高输出波形分辨率和整机功率密度；双闭环SPWM高频数字控制，虽然在逆变器半载和轻载时出现轻微的过零点畸变问题，但整体静态输出波形逼真，动态自我调整能力强.参考文献：[1] 嵇保健, 赵剑锋, 洪峰. 一种新颖的三电平双Buck逆变器[J]. 电工技术学报, 2011(增刊1): 148-153.[2] 马海啸, 陈凯, 龚春英. 双Buck逆变器的建模与优化设计[J]. 电工技术学报, 2012(8): 35-41.[3] YAO Z. Two-switch dual-buck grid-connected inverter[C]// IEEE International Power Electronics and Motion Control Conference. Wuhan: IEEE, 2009: 2182-2187.[4] YAO Z L. Two- switch dual- buck grid- connected inverter with hysteresis current control[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(7) : 3310 -3318.[5] 姚志垒, 肖岚, 魏星. 双降压全桥并网逆变器[J]. 中国电机工程学报, 2011,31(12): 29-33.[6] 黄瑞哲. 单级单相电压型准Z源逆变器研究[D]. 福州: 福州大学, 2014.[7] 邹学伟. 双Buck逆变器拓扑结构与控制策略的改进研究[D]. 重庆：重庆大学, 2014.[8] 洪峰, 单任仲, 王慧贞, 等. 三电平双降压式全桥逆变器[J]. 中国电机工程学报, 2008, 28(12): 55-59.。