逆變電源數(shù)字PWM響應(yīng)時(shí)間延遲探討

丁長(zhǎng)健，孫恩林

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逆變電源數(shù)字PWM響應(yīng)時(shí)間延遲探討

丁長(zhǎng)健，孫恩林

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司，天津300000 ）

隨著微處理器技術(shù)的快速發(fā)展，基于DSP數(shù)字芯片的數(shù)字PWM控制器系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于電力電子變換裝置中。但與此同時(shí)，數(shù)字PWM控制器所帶來(lái)的輸出響應(yīng)時(shí)間延遲問(wèn)題也逐漸為電力電子工程師們所重視，特別是對(duì)于大功率電力電子變換裝置，由于開(kāi)關(guān)頻率受到限制使得這部分時(shí)間延遲顯得尤為突出。文中詳細(xì)分析了數(shù)字PWM控制器及濾波器和補(bǔ)償回路對(duì)逆變器響應(yīng)時(shí)間延遲的影響機(jī)理，并利用matlab軟件和數(shù)學(xué)分析方法詳細(xì)分析了逆變器的響應(yīng)時(shí)間延遲，最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了理論分析方法和結(jié)果的正確性，為時(shí)間延遲的優(yōu)化工作提供了理論指導(dǎo)。

數(shù)字脈沖寬度調(diào)制 逆變器 響應(yīng)延遲 分析

0 引言

隨著船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展，推進(jìn)系統(tǒng)的負(fù)載功率不斷增加，多種形式的脈沖大功率負(fù)載對(duì)船舶電站功率提出了更高的需求，中壓交流（直流）綜合電力系統(tǒng)逐漸成為船舶電站發(fā)展的主流趨勢(shì)[1]。于是，船上變頻器、逆變電源等變流裝置都呈現(xiàn)出高壓、大電流的特點(diǎn)，而這些電氣特性決定了其功率器件IGBT的開(kāi)關(guān)頻率不能過(guò)高[2]，否則會(huì)因?yàn)殚_(kāi)關(guān)損耗過(guò)高而燒毀器件或?qū)е伦兞髌餍实拖拢捎脭?shù)字PWM控制方式，因離散化過(guò)程中采樣頻率往往等于功率器件開(kāi)關(guān)頻率。因此，由采樣間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的逆變電源裝置性能下降，跟蹤響應(yīng)時(shí)間延遲變大等問(wèn)題就顯得越發(fā)的突出和不可忽視[2,3]。

于是，為了優(yōu)化船舶大功率逆變電源的輸出響應(yīng)特性，使其能夠滿足系統(tǒng)性能需求，本文對(duì)影響逆變電源輸出響應(yīng)時(shí)間延遲的主要因素進(jìn)行詳細(xì)分析，為系統(tǒng)優(yōu)化工作提供理論基礎(chǔ)。定義輸出電壓時(shí)間延遲為從給定電壓信號(hào)到電源輸出電壓達(dá)到給定值50%所需的時(shí)間。

1 逆變電源主電路及控制系統(tǒng)

逆變電源主電路采用H橋結(jié)構(gòu)，主電路及系統(tǒng)控制框圖如圖1所示，調(diào)制方式為單極性倍頻PWM，控制器采用以DSP為核心的數(shù)字PWM控制方式。圖1(b)中，AD采樣、轉(zhuǎn)換及保持過(guò)程的時(shí)間延遲在1 μs以內(nèi)（約為500 ns），數(shù)字PWM脈沖驅(qū)動(dòng)器Concept的時(shí)間延遲為300 ns，逆變器IGBT（FF600R06ME3）開(kāi)通時(shí)間t和關(guān)斷時(shí)間t分別為0.12 μs和0.73 μs，PWM驅(qū)動(dòng)脈沖從驅(qū)動(dòng)器輸出到IGBT的傳輸延遲為數(shù)μs，這些時(shí)間延遲都在μs量級(jí)，相對(duì)于其他部分的時(shí)間延遲來(lái)說(shuō)都比較小，于是，在延遲分析的時(shí)候可以忽略。因此，逆變電源系統(tǒng)的時(shí)間延遲主要集中體現(xiàn)在數(shù)字PWM控制器和輸出級(jí)濾波器及吸收回路兩個(gè)方面。

（a）逆變電源主電路

（b）逆變控制框圖

圖1逆變電源主電路及控制框圖

2 對(duì)稱規(guī)則采樣數(shù)字PWM

逆變電源采用對(duì)稱規(guī)則采樣方式，采樣周期T等于三角載波周期T。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，往往采用滯后一拍控制方式[4]，將當(dāng)前采樣周期采樣計(jì)算的調(diào)制波控制量推遲到下一個(gè)采樣周期去更新控制量數(shù)據(jù)。

如圖2，在載波過(guò)零時(shí)觸發(fā)采樣中斷開(kāi)始ADC采樣轉(zhuǎn)換，并更新控制量()，即上一采樣周期經(jīng)采樣計(jì)算后所得調(diào)制波控制量的值；在第個(gè)載波周期的起始時(shí)刻，事件管理器產(chǎn)生下溢中斷啟動(dòng)ADC采樣轉(zhuǎn)換，對(duì)調(diào)制波()進(jìn)行采樣，DSP對(duì)采樣值進(jìn)行相關(guān)控制算法計(jì)算，經(jīng)過(guò)采樣計(jì)算時(shí)間t之后，得到對(duì)應(yīng)的調(diào)制波控制量()，在第+1個(gè)載波周期過(guò)零時(shí)刻，更新比較寄存器TxCMPR的值為()。可以看出，相對(duì)于數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻，數(shù)據(jù)更新點(diǎn)延遲了一個(gè)采樣周期T，亦即開(kāi)關(guān)周期T。控制量()與三角載波()進(jìn)行比較，發(fā)生比較匹配事件時(shí)，產(chǎn)生比較中斷，輸出PWM脈沖進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，得到對(duì)應(yīng)占空比的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖[5]。

圖2對(duì)稱規(guī)則采樣PWM

(a)

(b)

圖3對(duì)稱規(guī)則采樣2種極限情況

圖3(a)中，采樣點(diǎn)剛好與調(diào)制波控制量的突變點(diǎn)t重合，控制量的突變被及時(shí)地采集到，會(huì)在下一個(gè)采樣及數(shù)據(jù)更新點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，從而反映到負(fù)載側(cè)，有一個(gè)采樣周期T的時(shí)間延遲；而圖3(b)中，采樣點(diǎn)卻剛好錯(cuò)過(guò)了控制量的突變點(diǎn)t，只有在下一個(gè)采樣時(shí)刻才能采集到控制量的突變情況，經(jīng)2個(gè)采樣周期T才能將該突變情況反映到負(fù)載側(cè)。

于是，對(duì)稱規(guī)則采樣數(shù)字PWM過(guò)程的時(shí)間延遲為T~2T.

3 單極性倍頻PWM

如圖4所示，調(diào)制波控制量()與三角載波信號(hào)U比較產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM脈沖u、u分別驅(qū)動(dòng)H橋中的開(kāi)關(guān)器件VT1和VT2，()與相移180度的三角載波信號(hào)U比較產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM脈沖u、u分別驅(qū)動(dòng)VT3和VT4，唯有開(kāi)關(guān)器件VT1和VT4同時(shí)開(kāi)通的時(shí)候，H橋才會(huì)有輸出電壓，即圖中的u。

由圖，從采樣及數(shù)據(jù)更新點(diǎn)t時(shí)刻到H橋響應(yīng)輸出電壓時(shí)刻t之間有時(shí)間延遲，根據(jù)三角形相似原理有：

圖4單極性倍頻PWM

得出時(shí)間延遲：

于是

其中，Δ為時(shí)間延遲，T為開(kāi)關(guān)頻率。

4 濾波器及吸收回路

為了更好地單獨(dú)分析濾波器及吸收回路對(duì)系統(tǒng)延遲的影響，忽略數(shù)字控制器及逆變電路的影響，假定IGBT處于完全開(kāi)通狀態(tài)，此時(shí)可將前級(jí)電路等效為一個(gè)直流電源，如圖5。

圖5濾波器及吸收回路

由圖有，傳遞函數(shù)

代入數(shù)值可得()。

用matlab畫(huà)出其階躍響應(yīng)曲線如圖6所示，由圖可得出，濾波器及吸收回路導(dǎo)致的系統(tǒng)延遲為40.6 μs。

圖6階躍響應(yīng)曲線

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

逆變電源系統(tǒng)IGBT開(kāi)關(guān)頻率10 kHz，根據(jù)前面的理論分析，時(shí)間延遲為：

在電壓控制模式下，給定100 Hz正負(fù)方波信號(hào)V=4 V，輸出電壓波形如圖5所示，CH1通道為給定電壓信號(hào)，CH2通道為電源輸出總電壓波形。實(shí)驗(yàn)測(cè)得逆變電源輸出電壓相對(duì)于給定信號(hào)的時(shí)間延遲為196 μs，這在誤差范圍內(nèi)，所以，理論分析與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合。

圖7輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形

為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析的正確性，進(jìn)行了多次試驗(yàn)，并隨機(jī)選取幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)的輸出電壓響應(yīng)時(shí)間延遲，如表1所示，可以看出逆變電源輸出響應(yīng)時(shí)間延遲始終在理論分析范圍內(nèi)隨機(jī)變動(dòng)。

表1逆變電源響應(yīng)時(shí)間延遲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

文中對(duì)影響逆變電源輸出響應(yīng)時(shí)間延遲的因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，忽略一些影響小的環(huán)節(jié)后，重點(diǎn)分析了以DSP為核心的數(shù)字PWM控制方式的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，明確了數(shù)字PWM對(duì)逆變電源響應(yīng)時(shí)間延遲的影響機(jī)理，以及數(shù)字PWM控制器和濾波器及吸收回路對(duì)逆變電源輸出電壓響應(yīng)時(shí)間延遲的影響情況。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了理論分析方法的正確性和實(shí)用性，為下一步的響應(yīng)時(shí)間延遲優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

[1] 馬偉明. 艦船動(dòng)力發(fā)展的方向——綜合電力系統(tǒng)[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 14（1）: 1-11.

[2] 余勇, 張興, 季建強(qiáng), 等.大功率電流型多重化變頻電源系統(tǒng)控制與分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004, 24（12）: 24-28.

[3] 單鴻濤, 彭力, 孔雪娟, 等.數(shù)字化過(guò)程對(duì)脈寬調(diào)制逆變電源性能的影響機(jī)理[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 29（6）: 29-35.

[4] 孔雪娟.數(shù)字控制PWM逆變電源關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢: 華中科技大學(xué), 2005.

[5] 顧衛(wèi)鋼編著.手把手教你學(xué)DSP—基于TMS320x281x[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2011.

The Analysis of Digital PWM and Inverter Delay

Ding Changjian, Sun Enlin

(CNOOC Energy Technology & Services Limited, Tianjin 300000, China)

TM464

A

1003-4862（2017）04-0023-03

2016-12-26

丁長(zhǎng)健(1980-)，男，工學(xué)學(xué)士。研究方向：船舶工程建造項(xiàng)目管理。