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【逆變原創】低成本高性能極致------DSP數字逆變器實現

2015-07-26:更新 單極性調制過零點畸變問題

2015-06-30:更新 市電和逆變切換邏輯 84樓

2015-06-25:更新 UPS上常用的限流方法 62樓

 

開貼之前,說說自己觀察到的幾個現象:

1. 做UPS多年,發現Online的UPS基本都是數字化,后備機則用硬件實現居多,逆變器跟后備機類似,論壇上大多都是用單片機來實現的,功能相對單一。

   

2. 在1~20k的功率段,UPS基本都是半橋的拓撲。逆變器主要家用功率段集中在1~5k,基本都是全橋為主。UPS的負載比較單一,逆變器的負載比較多樣,半橋不能帶半波負載,全橋因為有零電平的存在,跟三電平拓撲類似。

   

3. 逆變器作為比較小的一個分支,國內UPS/并網逆變器大廠都沒有特別重視,市場上流行的工頻機大多是從山特出來的方案,高頻機則基本沒有數字化的方案。

                                                                             

看論壇上各種逆變器,基本都是用單片機打出一個PWM,驅動/死區都是用硬件來做,只是單純的實現逆變,其中涉及到的各種邏輯,顯示,通信等都無法集中在一個芯片上搞定。鑒于此,我一直在想用UPS的經驗來做逆變器,把UPS上相對成熟又靈活的方案移植到逆變器上。這個過程中跟論壇上某位大牛版主學到了不少經驗,給我了不少啟發。而且TI推出的Piccolo系列DSP 28027,價格10元左右,跟PIC價格差不多,基本能滿足低成本高性能的要求。

  

DSP 2802x系列2種封裝,48PIN和38PIN,如果48PIN覺得還貴的話,可以選用38PIN的低頻系列的,絕對比單片機要強大很多。

                                                                                                                                                            

下圖是用28027做的控制板,對國內某廠家高頻逆變器(硬件做的)進行改進的項目,圖片如下:

0

1

先寫到這里,具體功能后續詳細講解。

1.DSP直接輸出4路PWM,驅動IGBT產生SPWM波。

 

2.DSP可以直接輸出2路脈寬可變,相位相差180°的PWM驅動,實現對母線電壓的控制。3525只能固定50%占空比,這里可以把3525省掉。

 

3.多達13路ADC采樣,所有模擬量都能采集到。

 

4.內部集成2路比較器,不需外部增加比較器,即可實現對逆變電流逐波限流控制。

 

5.各種參數可以隨意設置,可以實現208/220/230/240V,50/60Hz的輸出。

 

6.內部有1路SCI接口,可以MODBUS/SNT等各種協議。

 

7.可以實現段碼LCD/數碼管顯示。

  

各位大俠們有啥問題需求,可以提出來一起討論~

 


先上個圖,這是國內某廠家的逆變/充電 一體機,前級推挽是用3525做的,后級逆變驅動+控制都是用硬件做的,后續就在這個基礎上進行的改進,改進后硬件簡單很多,功能更強大。

IMG_3449

更改后功率板如下:

IMG_3670

 

簡單說下拓撲結構:

1. 前級暫時還用3525,后續直接用DSP直接控制母線電壓。

2. 后級全橋拓撲,低頻臂和高頻臂固定。

3. 帶有市電充電器功能。

4. 有市電和旁路切換功能,可以設置為市電優先或逆變優先,可以設置節能模式。

由于用DSP直接控制,改動起來比較靈活,在處理客戶非標需求時就靈活很多了。

 

這是改進第一版本,控制部分全部在控制板區域,后續上簡單的SPEC.

 

先上個調試圖片:

IMG_3701

 

IMG_3695

 

目前有幾個問題:

1. 空載電流還是有點大,沒有鉗流表,不知道實際電流多少。

2. 逆變波形過零處死區效應很明顯,目前死區1.5us。還有點小小的畸變,這個已經是優化過的了。

沒辦法全橋的拓撲決定了。

全部回復(207)
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dobetter
LV.7
2
2015-06-21 22:56
占座,一不小心成了第一個發參賽帖的了~
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dobetter
LV.7
3
2015-06-21 23:01

發帖的編輯功能太難用了:

1. 怎么插入空格呢?

2. 在哪里改變字體大小,字體顏色呢?

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2015-06-22 17:44
坐等你的更新,我上一次采用了STM32作為主控制器,最后沒有做成功,最后的效果就是正弦輸出全部為負的,沒有正半波。這是什么原因呢?應該是脈沖分配不對導致的。后來也沒時間做了
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dobetter
LV.7
5
2015-06-22 19:08
@皇甫仁和
坐等你的更新,我上一次采用了STM32作為主控制器,最后沒有做成功,最后的效果就是正弦輸出全部為負的,沒有正半波。這是什么原因呢?應該是脈沖分配不對導致的。后來也沒時間做了

STM32的外設不了解,可能是你PI環路輸出轉化為PWM寄存器值時出了問題吧。

 

半橋的發波方式跟全橋不同,半橋50%占空比時,輸出電壓對應為0,從正半周到負半周,占空比沒有突變,所以不存在過零點波形畸變的問題,當然死區效應還是存在的。

 

全橋發波有幾種形式,一種工頻臂和高頻臂固定,一種工頻臂和高頻臂換邊,固定時高頻臂的占空比在過零點時會有突變,導致輸出電壓會有畸變,如果處理不好,電感在過零點時會有明顯的叫聲。

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2015-06-23 10:01
@dobetter
占座,一不小心成了第一個發參賽帖的了~[圖片][圖片]
這個不小心我喜歡!~
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2015-06-23 10:06
@dobetter
發帖的編輯功能太難用了:1.怎么插入空格呢?2.在哪里改變字體大小,字體顏色呢?

 空格不需要插入吧,直接空格鍵唄~字體大小顏色 版主核心會員以后會有滴


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2015-06-23 10:52
@dobetter
STM32的外設不了解,可能是你PI環路輸出轉化為PWM寄存器值時出了問題吧。 半橋的發波方式跟全橋不同,半橋50%占空比時,輸出電壓對應為0,從正半周到負半周,占空比沒有突變,所以不存在過零點波形畸變的問題,當然死區效應還是存在的。 全橋發波有幾種形式,一種工頻臂和高頻臂固定,一種工頻臂和高頻臂換邊,固定時高頻臂的占空比在過零點時會有突變,導致輸出電壓會有畸變,如果處理不好,電感在過零點時會有明顯的叫聲。
我是來點贊  等更新的!
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2015-06-23 11:16
這也是一種創新,期待
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zwcyqxzcx
LV.6
10
2015-06-23 11:35
@dobetter
占座,一不小心成了第一個發參賽帖的了~[圖片][圖片]

好貼,頂起來!全力支持!希望樓主詳細的講解下,

對了,問一下:樓主代碼要開源嗎?

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dobetter
LV.7
11
2015-06-23 11:43
@zwcyqxzcx
好貼,頂起來!全力支持!希望樓主詳細的講解下,對了,問一下:樓主代碼要開源嗎?[圖片]

,一起交流~

俺這只是在前人基礎上改進,不敢公開代碼,不然沒法混了

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PCBBOY1991
LV.3
12
2015-06-23 12:20
DSP的入門是不是更難一些呢?比如仿真器?
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zwcyqxzcx
LV.6
13
2015-06-23 14:04
@dobetter
[圖片],一起交流~俺這只是在前人基礎上改進,不敢公開代碼,不然沒法混了[圖片]
支持,那就交流交流思路也挺好的。
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dobetter
LV.7
14
2015-06-23 14:40
@PCBBOY1991
DSP的入門是不是更難一些呢?比如仿真器?

入門不難,主要是外設多,中文資料少。。。

仿真器比較便宜,XDS100淘寶上幾十元就能買到了~

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2015-06-23 17:15
@dobetter
STM32的外設不了解,可能是你PI環路輸出轉化為PWM寄存器值時出了問題吧。 半橋的發波方式跟全橋不同,半橋50%占空比時,輸出電壓對應為0,從正半周到負半周,占空比沒有突變,所以不存在過零點波形畸變的問題,當然死區效應還是存在的。 全橋發波有幾種形式,一種工頻臂和高頻臂固定,一種工頻臂和高頻臂換邊,固定時高頻臂的占空比在過零點時會有突變,導致輸出電壓會有畸變,如果處理不好,電感在過零點時會有明顯的叫聲。
外設一樣的,我現在是用的28335,但是也沒時間來調試了。。。。
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dobetter
LV.7
16
2015-06-23 22:42
@zwcyqxzcx
支持,那就交流交流思路也挺好的。
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dobetter
LV.7
17
2015-06-23 22:43
@皇甫仁和
外設一樣的,我現在是用的28335,但是也沒時間來調試了。。。。
28335用來做小功率的逆變器太浪費了,我們大功率的UPS也是用的28335~
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PCBBOY1991
LV.3
18
2015-06-23 22:54
@dobetter
入門不難,主要是外設多,中文資料少。。。仿真器比較便宜,XDS100淘寶上幾十元就能買到了~
好的!
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2015-06-23 23:02

這樣的貼,必須要頂。

這樣的實現方式,是和我想的完全吻合。

這個東西才是有前途的方案!

請教幾個問題:

1;當逆變上欠壓保護的時候,此時市電在線,這時候邏輯上要切換到市電,假設開機時,此時還沒有鎖相完成,這個時候是切換還是不切換呢?

2;機器的開機初始化過程是什么樣子的。

3;當逆變工作過程中,鎖相有沒有失敗的可能性呢??發生鎖相失敗的情況,一切邏輯就要重新運行,這個過程中,如果遇到要切換的狀態,是掛起還是怎么樣呢?

4;當逆變VRMS值和市電VRMS值相差比較大的情況下,切換嗎?比如有人拿30AH的電池,帶個1KW,很快造成電池欠壓保護,此時欠壓保護點,對應了逆變此時會輸出相對很低的VRMS值,此時要切換了,該怎么辦?

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dobetter
LV.7
20
2015-06-23 23:23
@lizlk
這樣的貼,必須要頂。這樣的實現方式,是和我想的完全吻合。這個東西才是有前途的方案!請教幾個問題:1;當逆變上欠壓保護的時候,此時市電在線,這時候邏輯上要切換到市電,假設開機時,此時還沒有鎖相完成,這個時候是切換還是不切換呢?2;機器的開機初始化過程是什么樣子的。3;當逆變工作過程中,鎖相有沒有失敗的可能性呢??發生鎖相失敗的情況,一切邏輯就要重新運行,這個過程中,如果遇到要切換的狀態,是掛起還是怎么樣呢?4;當逆變VRMS值和市電VRMS值相差比較大的情況下,切換嗎?比如有人拿30AH的電池,帶個1KW,很快造成電池欠壓保護,此時欠壓保護點,對應了逆變此時會輸出相對很低的VRMS值,此時要切換了,該怎么辦?

哈哈,多謝老哥頂貼,一下子提了這么多問題,一個一個來:

1.逆變欠壓保護,這時候負載肯定是在逆變的,如果市電OK,必須要快速切到市電去。開機時,默認輸出在旁路,如果逆變優先模式,需要等逆變鎖相完成后再切到逆變來。

 

2.開機初始化,檢測各開機條件是否OK,比如電池電壓是否在開機范圍內,前級是否滿足開機條件,如果滿足,則開DCDC升母線,母線穩定后,判斷逆變是否能夠開機,如果可以則開逆變。

 

3.逆變工作過程中,如果市電存在且市電頻率在可跟蹤范圍內,則跟蹤市電頻率。如果超出可跟蹤范圍,則按額定頻率來運行。如果這個時候需要切換,則不需鎖相,直接切換,這種情況下輸出可能有間斷,但是也沒有更好的辦法了。

 

4.逆變Vrms和市電Vrms差值不會很大,所舉例子包含幾個情況都可能導致輸出切市電:a:電池低壓 b:電池低壓會導致母線電壓低 c: 逆變Vrms值變低。這3個情況都會導致輸出切市電,看哪個最先滿足了。

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2015-06-23 23:28
@dobetter
哈哈,多謝老哥頂貼,一下子提了這么多問題,一個一個來:1.逆變欠壓保護,這時候負載肯定是在逆變的,如果市電OK,必須要快速切到市電去。開機時,默認輸出在旁路,如果逆變優先模式,需要等逆變鎖相完成后再切到逆變來。 2.開機初始化,檢測各開機條件是否OK,比如電池電壓是否在開機范圍內,前級是否滿足開機條件,如果滿足,則開DCDC升母線,母線穩定后,判斷逆變是否能夠開機,如果可以則開逆變。 3.逆變工作過程中,如果市電存在且市電頻率在可跟蹤范圍內,則跟蹤市電頻率。如果超出可跟蹤范圍,則按額定頻率來運行。如果這個時候需要切換,則不需鎖相,直接切換,這種情況下輸出可能有間斷,但是也沒有更好的辦法了。 4.逆變Vrms和市電Vrms差值不會很大,所舉例子包含幾個情況都可能導致輸出切市電:a:電池低壓b:電池低壓會導致母線電壓低c:逆變Vrms值變低。這3個情況都會導致輸出切市電,看哪個最先滿足了。

第一個問題:

如果輸入是快速掉電,也就是說,輸入的電源,功率不能足夠保證,比如有人用個開關電源,做電池,如果此開關電源功率為200W,他開機之后,市電也在線,逆變輸出,且為空載,他突然加了一個1KW的燈,往上干,此時可以保證切換不炸機嗎?特別是在市電還沒有鎖相完全執行下,操作了此項。

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154600
LV.9
22
2015-06-23 23:31
@dobetter
哈哈,多謝老哥頂貼,一下子提了這么多問題,一個一個來:1.逆變欠壓保護,這時候負載肯定是在逆變的,如果市電OK,必須要快速切到市電去。開機時,默認輸出在旁路,如果逆變優先模式,需要等逆變鎖相完成后再切到逆變來。 2.開機初始化,檢測各開機條件是否OK,比如電池電壓是否在開機范圍內,前級是否滿足開機條件,如果滿足,則開DCDC升母線,母線穩定后,判斷逆變是否能夠開機,如果可以則開逆變。 3.逆變工作過程中,如果市電存在且市電頻率在可跟蹤范圍內,則跟蹤市電頻率。如果超出可跟蹤范圍,則按額定頻率來運行。如果這個時候需要切換,則不需鎖相,直接切換,這種情況下輸出可能有間斷,但是也沒有更好的辦法了。 4.逆變Vrms和市電Vrms差值不會很大,所舉例子包含幾個情況都可能導致輸出切市電:a:電池低壓b:電池低壓會導致母線電壓低c:逆變Vrms值變低。這3個情況都會導致輸出切市電,看哪個最先滿足了。
好東西,來學習了
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2015-06-23 23:32
@dobetter
哈哈,多謝老哥頂貼,一下子提了這么多問題,一個一個來:1.逆變欠壓保護,這時候負載肯定是在逆變的,如果市電OK,必須要快速切到市電去。開機時,默認輸出在旁路,如果逆變優先模式,需要等逆變鎖相完成后再切到逆變來。 2.開機初始化,檢測各開機條件是否OK,比如電池電壓是否在開機范圍內,前級是否滿足開機條件,如果滿足,則開DCDC升母線,母線穩定后,判斷逆變是否能夠開機,如果可以則開逆變。 3.逆變工作過程中,如果市電存在且市電頻率在可跟蹤范圍內,則跟蹤市電頻率。如果超出可跟蹤范圍,則按額定頻率來運行。如果這個時候需要切換,則不需鎖相,直接切換,這種情況下輸出可能有間斷,但是也沒有更好的辦法了。 4.逆變Vrms和市電Vrms差值不會很大,所舉例子包含幾個情況都可能導致輸出切市電:a:電池低壓b:電池低壓會導致母線電壓低c:逆變Vrms值變低。這3個情況都會導致輸出切市電,看哪個最先滿足了。

3.這個切換的時候,也就是說當市電輸入在線,且頻率不再鎖相范圍內,就不鎖,要轉到逆變上的時候,不鎖相就切換,這個是有點危險吧,我的做法就是:

此時逆變器關閉,讓輸出為0,然后從市電切換到逆變,切換后之后,再次開啟逆變,你認為這個方式好不好呢?

雖然有停頓,但是至少沒有安全隱患。

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dobetter
LV.7
24
2015-06-23 23:36
@lizlk
第一個問題:如果輸入是快速掉電,也就是說,輸入的電源,功率不能足夠保證,比如有人用個開關電源,做電池,如果此開關電源功率為200W,他開機之后,市電也在線,逆變輸出,且為空載,他突然加了一個1KW的燈,往上干,此時可以保證切換不炸機嗎?特別是在市電還沒有鎖相完全執行下,操作了此項。

梳理一下,主要問題是輸入功率不夠,電壓快速下跌 :

1. 檢測到電池電壓快速下跌,輸出會很快切市電,不管是否鎖相完成。

2. 炸機為何?逆變有硬件逐波限流保護,導致前級的電流不會很大。另當輸出電壓減小時,輸出的功率也會對應減小。

這里炸機是因為切換時候引起的嗎?

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2015-06-23 23:39
@lizlk
3.這個切換的時候,也就是說當市電輸入在線,且頻率不再鎖相范圍內,就不鎖,要轉到逆變上的時候,不鎖相就切換,這個是有點危險吧,我的做法就是:此時逆變器關閉,讓輸出為0,然后從市電切換到逆變,切換后之后,再次開啟逆變,你認為這個方式好不好呢?雖然有停頓,但是至少沒有安全隱患。
路過學習了
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2015-06-23 23:40
@dobetter
哈哈,多謝老哥頂貼,一下子提了這么多問題,一個一個來:1.逆變欠壓保護,這時候負載肯定是在逆變的,如果市電OK,必須要快速切到市電去。開機時,默認輸出在旁路,如果逆變優先模式,需要等逆變鎖相完成后再切到逆變來。 2.開機初始化,檢測各開機條件是否OK,比如電池電壓是否在開機范圍內,前級是否滿足開機條件,如果滿足,則開DCDC升母線,母線穩定后,判斷逆變是否能夠開機,如果可以則開逆變。 3.逆變工作過程中,如果市電存在且市電頻率在可跟蹤范圍內,則跟蹤市電頻率。如果超出可跟蹤范圍,則按額定頻率來運行。如果這個時候需要切換,則不需鎖相,直接切換,這種情況下輸出可能有間斷,但是也沒有更好的辦法了。 4.逆變Vrms和市電Vrms差值不會很大,所舉例子包含幾個情況都可能導致輸出切市電:a:電池低壓b:電池低壓會導致母線電壓低c:逆變Vrms值變低。這3個情況都會導致輸出切市電,看哪個最先滿足了。

4.有沒有考慮在這種情況下:

由于機器默認的切換位置是再市電上,當輸入的功率有限流保護,比如超載,輸入電壓會降低,拉低輸入電壓,在此之前,逆變一直在工作,此時檢測到這個輸入降低,可能來的太晚,繼電器此時又在逆變上,既有可能造成輔助電源急劇掉電,以至于繼電器掉電,切換回市電,此時相當于負載開路,輸入電壓又會很快回升,CPU此時根本沒有來得及執行欠壓保護動作后,電壓又回升了,此時繼電器可能又從市電位置切換到逆變下,因為CPU上的供電,掉的沒有繼電器的快,控制繼電器的IO,一直在保持著正常的邏輯,但是繼電器的供電掉了,因為輔助電源掉了。這種情況是如何處置的呢,雖然是極端,但是我搞過測試,燒的幾率很大。

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2015-06-23 23:45
@dobetter
梳理一下,主要問題是輸入功率不夠,電壓快速下跌:1.檢測到電池電壓快速下跌,輸出會很快切市電,不管是否鎖相完成。2.炸機為何?逆變有硬件逐波限流保護,導致前級的電流不會很大。另當輸出電壓減小時,輸出的功率也會對應減小。這里炸機是因為切換時候引起的嗎?
快速下跌,很快切換到市電,不管鎖相,95%的幾率是炸機的。這點一定要慎重,因為這是極端情況,我的做法,是這種情況,不切換,一旦CPU在工作的時候遇到這種問題,此類故障一直保持,繼電器不會切換到市電上,而且逆變器和DC-DC都會被關閉,等輸出電壓到0的時候才切換。
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2015-06-23 23:46
@dobetter
梳理一下,主要問題是輸入功率不夠,電壓快速下跌:1.檢測到電池電壓快速下跌,輸出會很快切市電,不管是否鎖相完成。2.炸機為何?逆變有硬件逐波限流保護,導致前級的電流不會很大。另當輸出電壓減小時,輸出的功率也會對應減小。這里炸機是因為切換時候引起的嗎?
逐個波形限流,估計都很難解決此類問題,因為他不是短路的這種情況了。市電過來功率太強大,一個電弧就燒脆弱的IGBT。
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dobetter
LV.7
29
2015-06-23 23:46
@lizlk
3.這個切換的時候,也就是說當市電輸入在線,且頻率不再鎖相范圍內,就不鎖,要轉到逆變上的時候,不鎖相就切換,這個是有點危險吧,我的做法就是:此時逆變器關閉,讓輸出為0,然后從市電切換到逆變,切換后之后,再次開啟逆變,你認為這個方式好不好呢?雖然有停頓,但是至少沒有安全隱患。

恩,這個說的沒有問題。切換的時候可以關逆變,如果逆變本身有問題且沒有鎖相成功,就把逆變關掉,如果是其他問題引起則不需要關逆變。

另小功率一般都是用繼電器來切換,沒有并SCR,所以逆變和市電不存在共通的問題,所以引起炸機的概率很小。

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dobetter
LV.7
30
2015-06-23 23:47
@154600
好東西,來學習了
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dobetter
LV.7
31
2015-06-23 23:47
@象山寶馬電腦
路過學習了
寶馬也來了,呵呵
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