逆變電源并聯(lián)供電系統(tǒng)-4

1、逆變電源并聯(lián)供電系統(tǒng)-4            高頻鏈逆變電源的MATLAB仿真在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的控制部件采用TMS320F2812芯片。用這種芯片作為控制核心的原因是它可以開環(huán)控制直流變換中的觸發(fā)脈沖教育論文，還可以閉環(huán)控制逆變中的SPWM。本章節(jié)先對開發(fā)環(huán)境進(jìn)行簡單介紹，然后討論如何產(chǎn)生DSP工程文件，這就需要利用本章主要介紹的MATLAB硬件仿真技術(shù)，并結(jié)合上一章節(jié)中使用的控制參數(shù)來計(jì)算控制算法程序，最后將DSP工程文件直接移植到開發(fā)板上。   

2、; 1.1  MATLAB硬件仿真簡介如今世界經(jīng)歷著各種各樣的變革，任何事物都處于不斷的發(fā)展變化之中，DSP軟件實(shí)現(xiàn)方法也不例外，它隨著電子信息業(yè)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和DSP技術(shù)的發(fā)展而不斷的革新變化，為處理各種信號做出巨大的貢獻(xiàn)。表4-1列出以DSP為核心的信號處理軟件的變革歷程，并指出每種軟件實(shí)現(xiàn)方法與特點(diǎn)。表4-1 DSP軟件設(shè)計(jì)方法的變革歷程                軟件設(shè)計(jì)方法

3、0;       模擬        編程調(diào)試        開發(fā)周期        難易度        代碼效率        

4、;代碼長度        移植性                匯編        匯編        匯編       

5、0;最長        很難        高        短        不能                C+

6、匯編        C        匯編        長        很難        高        短&#

7、160;       不能                C+C/匯編        C        C+匯編        中

8、        一般        一般        中        部分                C+C&#

9、160;       C        C        短        容易        低        大 &

10、#160;      完全                MATLAB+C/匯編        MATLAB        C+匯編       &#

11、160;短        一般        一般        中        部分                

12、MATLAB+C        MATLAB        C        最短        容易        低      

13、0; 長        完全                MATLAB集成        MATLAB        MATLAB     

14、;   最短        很容易        最低        很長        完全         MATLAB即矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrix Labo

15、ratory)是一種高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式的數(shù)學(xué)軟件開發(fā)工具，主要用于開發(fā)設(shè)計(jì)算法、可視化數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)值。突出特點(diǎn)是能夠非常方便的分析和模擬數(shù)字信號處理算法。但是一個(gè)致命的缺點(diǎn)是執(zhí)行MATLAB程序的速度太慢，不能有效進(jìn)行實(shí)時(shí)信號處理。不僅速度影響MATLAB程序?qū)崟r(shí)地處理信號，而且她還受到它所依賴的平臺的限制，因?yàn)樗蕾嚨钠脚_是計(jì)算機(jī)等體積、功耗和體系結(jié)構(gòu)都不利于實(shí)時(shí)處理信號所要求的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備。這使得MATLAB技術(shù)在處理數(shù)字信號時(shí)，只能用于模擬算法或事后處理實(shí)測數(shù)據(jù)，無疑限制了MATLAB的應(yīng)用。但是經(jīng)過專家們的不屑的努力和精心研究，發(fā)現(xiàn)將DSP和MATLAB兩者相結(jié)

16、合使用會達(dá)到人們滿意的結(jié)果，這一項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)現(xiàn)可以充分利用到他們的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了二者的不足，將不利之處降到最低，從而使得信號處理算法向前邁出一大步。如今MATLAB已經(jīng)和DSP密切聯(lián)系而不可分割，在DSP設(shè)計(jì)中已經(jīng)不能缺少M(fèi)ATLAB這一非常行之有效的信號處理開發(fā)工具。這將是一種新的處理數(shù)字信號的方法，不過將這一理論應(yīng)用在實(shí)際生活中時(shí)需要我們對其進(jìn)行可行性驗(yàn)證，可以通過利用MATLAB工具來對其進(jìn)行模擬驗(yàn)證。若得到的模擬結(jié)果達(dá)到令人滿意的程度就可將其算法修改成C語言或者DSP匯編語言，并把它應(yīng)用在目標(biāo)DSP上。這種驗(yàn)證的具體實(shí)現(xiàn)步驟是：1. 模擬驗(yàn)證。利用MATLAB可以模擬數(shù)字信號的

17、特點(diǎn)，對算法的可行性進(jìn)行模擬驗(yàn)證。2. 生成可執(zhí)行代碼。根據(jù)MATLAB模擬驗(yàn)證的結(jié)果，并對其進(jìn)行可行性分析，若得到的時(shí)可行的且令人滿意的，就可以編C語言或DSP匯編語言程序應(yīng)用在DSP上。3. 調(diào)試驗(yàn)證代碼。因?yàn)镈SP系統(tǒng)可以有效的進(jìn)行模擬/仿真技術(shù)，所以可以在DSP開發(fā)工具上調(diào)試C語言或者DSP匯編語言程序并驗(yàn)證它們的正確性、精確性和實(shí)時(shí)性。即完成可行性驗(yàn)證。    1.2  CCS 2.0開發(fā)環(huán)境的介紹通常一個(gè)完整的軟硬件開發(fā)工具是由代碼生成工具和代碼調(diào)試工具構(gòu)成的，而對TMS320C28x

18、0;DSP芯片的開發(fā)就需要這些必不可少的開發(fā)工具。其中代碼生成工具是由編譯器(Compiler)、匯編器(Assembler)和鏈接器(Linker)構(gòu)成的，它的主要編譯對象是C語言、匯編語言或二者組合而成的源代碼，它的作用是將源代碼進(jìn)行編譯-匯編-鏈接的處理過程，最終將源代碼變成可執(zhí)行的DSP文件。而代碼調(diào)試工具的作用顧名思義是將DSP程序進(jìn)行調(diào)試，為了能夠讓系統(tǒng)達(dá)到令人滿意的設(shè)計(jì)目標(biāo)。目前應(yīng)用在TMS320C28x DSP芯片的系統(tǒng)集成和調(diào)試工具有很多種，主要有軟件模擬器(Simulator)、初學(xué)者開發(fā)工具(DSK)、仿真器(XDS)等。CCS是代碼調(diào)制器(Code 

19、Composer Studio)的縮寫，CCS提供良好的用戶圖形界面，還帶有菜單、對話框等圖形可視化窗口，有著豐富的圖形圖標(biāo)，而且為了使開發(fā)人員不必記憶那些復(fù)雜凌亂的指令并且能夠快速熟練的掌握開發(fā)環(huán)境，CCS將為用戶提供及時(shí)訪問的在線幫助系統(tǒng)。由于CCS開發(fā)環(huán)境可以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、編譯器分析的功能，還具有簡便易用的配置和圖形可視化工具，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)快速且方便可行。    1.3  高頻逆變電源的MATLAB仿真    1.3.1  MATLAB生成DSP程序目前針對D

20、SP系統(tǒng)而開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)目標(biāo)模塊 (Embedded Target for TI C2000 DSP)具有仿真逆變控制器的模型、生成C語言代碼等優(yōu)點(diǎn)。Embedded Target for TI C2000 DSP利用MATLAB技術(shù)設(shè)計(jì)，科學(xué)教育論文能夠方便地應(yīng)用DSP芯片進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)與推廣。本節(jié)就是運(yùn)用Embedded Target for TI C2000 DSP模塊如圖4-1所示，用它來對電路級進(jìn)行仿真、編譯生成C語言代碼并用

21、它直接下載到硬件電路控制板上，這樣使得程序會直接運(yùn)行和驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)而有效的提高了系統(tǒng)的運(yùn)行與開發(fā)效率23。圖4-1 DSP控制電路MATLAB仿真圖在應(yīng)用Embedded Target for TI C2000 DSP模塊時(shí)，運(yùn)用了一個(gè)整套的系統(tǒng)開發(fā)手段，即將MATLAB和Simulink工具與其它的工具或控制器相結(jié)合使用，例如將它們與Simulink與Texas Instruments eXpress-DSP工具或TI C2000 DSP控制器相互結(jié)合。為了將Simulink模型轉(zhuǎn)變成實(shí)時(shí)

22、代碼，可以利用Real-Time Workshop和TI C2000 DSP開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)。而且可以將這些產(chǎn)品應(yīng)用在TI C2000 DSP系統(tǒng)上，為此將系統(tǒng)將可以自動生成代碼和產(chǎn)品原型、實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)，并且系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)驗(yàn)證算法的可行性，從而極大的提高系統(tǒng)的開發(fā)效率。通過將這些產(chǎn)品相結(jié)合，也讓用戶更加容易熟練掌握這門技術(shù)。此外，利用這種模塊用戶可隨意在CCS(Code Composer studio)的工程項(xiàng)目中增加有用代碼、中斷程序和外圍設(shè)備驅(qū)動程序，使得系統(tǒng)具有強(qiáng)大的擴(kuò)充能力。這樣用戶就可以直接驅(qū)動自己開發(fā)的控制板，完

23、善系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。所以，開發(fā)人員采用這種模塊可以有效的完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真和下載24。這種模塊可以自動生成的PID程序，見附錄1。將MATLAB輔助DSP的設(shè)計(jì)方式雖然非常行之有效，有利于系統(tǒng)開發(fā)，但是利用這種方式設(shè)計(jì)產(chǎn)品往往非常麻煩且浪費(fèi)時(shí)間。而經(jīng)過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)可以將MATLAB與DSP集成在一起的開發(fā)環(huán)境能夠滿足需要，它從此根治了傳統(tǒng)DSP的設(shè)計(jì)方法。圖4-2 MATLAB生成CCS程序目錄利用MATLAB-DSP集成開發(fā)環(huán)境不僅可以進(jìn)行訪問DSP的存儲器和寄存器等操作，還可以應(yīng)用MATLAB工具來分析或可視化處理DSP存儲器中的數(shù)據(jù)，甚至還可以將MATLAB程序轉(zhuǎn)變成DSP可執(zhí)行的代碼

24、。MATLAB-DSP環(huán)境的應(yīng)用也非常廣泛，例如熟悉MATLAB的DSP開發(fā)人員可以完成DAP軟件的開發(fā)，若只熟悉MATLAB的開發(fā)人員可以利用這一環(huán)境可以快速而輕松的完成DSP設(shè)計(jì)。而且MATLAB-DSP環(huán)境還能實(shí)時(shí)驗(yàn)證在DSP系統(tǒng)上的算法可行性，這將對于那些想要了解算法可行性的MATLAB專業(yè)人員非常有效。    1.3.2  MATLAB電路仿真經(jīng)過深入的理論分析和仿真調(diào)試，本系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置如下：輸入直流電壓48V，輸出電壓(有效值)220V，輸出功率500W，頻率50Hz，開關(guān)頻率40kHz，占空比49.5%，仿真時(shí)間0

25、.15，采樣時(shí)間10-7s時(shí)。MATLAB仿真模型如圖4-3所示。開環(huán)控制主電路仿真模型如圖4-4所示。圖4-5為反饋逆變環(huán)節(jié)仿真，圖4-6為閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線，圖4-7為閉環(huán)頻率響應(yīng)曲線，圖4-8為直流環(huán)節(jié)輸出電壓圖。電路參數(shù)如下，變壓器匝比設(shè)置為3：26，其輸出電壓波形如圖4-9所示，未加入濾波環(huán)節(jié)時(shí)，輸出電壓波形為+311V，0V和-311V的脈沖電壓。加入濾波環(huán)節(jié)后，輸出為220V/50Hz正弦波電壓。輸出電壓THD含量分析如圖4-10所示。圖4-3 控制系統(tǒng)圖圖4-4 開環(huán)控制主電路圖圖4-5 反饋控制圖圖4-6 閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線圖4-7

26、0;閉環(huán)頻率響應(yīng)曲線圖4-8 直流環(huán)節(jié)輸出電壓圖圖4-9 逆變環(huán)節(jié)輸出電壓波形逆變電源的性能指標(biāo)主要包括：輸出波形質(zhì)量、逆變效率、功率密度(單位重量或體積的輸出功率)、可靠性指標(biāo)、電磁干擾EMI及電磁兼容EMC，其中波形質(zhì)量是最主要的性能衡量指標(biāo)。1. 輸出電壓迅速、準(zhǔn)確地跟蹤正弦參考信號，波形畸變率低。波形畸變率用穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的單次諧波畸變系數(shù)(Harmonic Factor)和總諧波畸變率(THD)來衡量。電壓諧波總畸變率THD(total harmonic distortion)是通過下面公式進(jìn)行定義的                  (4-1)式中：Un第n次諧波電壓有效值(方均根值)；U1基波電壓有效值。2. 逆變電源負(fù)載突變時(shí)，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度快，輸出電壓波動小，這用動態(tài)過程中的電壓幅值變化量和過渡過程時(shí)間來衡量。圖4-10 輸出電壓THD含量分析由仿真結(jié)果可知，電源系統(tǒng)最終產(chǎn)生波形正確。所產(chǎn)生的SP