1、、，0l-37 No4 20l74 船电技术I应用研究 逆变电源数字PWM响应时间延迟探讨 丁长健，孙恩林 (1中海油能源发展股份有限公司，天津300000) 摘要：随着微处理器技术的快速发展，基于DSP数字芯片的数字PWM控制器系统广泛地应用于电力电子变换 装置中。但与此同时，数字PWM控制器所带来的输出响应时间延迟问题也逐渐为电力电子工程师们所重视，特 别是对于大功率电力电子变换装置，由于开关频率受到限制使得这部分时间延迟显得尤为突出。文中详细分析了 数字PWM控制器及滤波器和补偿回路对逆变器响应时间延迟的影响机理，并利用matlab软件和数学分析方法详 细分析了逆变器的响应时问延迟，最后
2、，通过实验数据验证了理论分析方法和结果的正确性，为时间延迟的优化 工作提供了理论指导。 关键词：数字脉冲宽度调制 逆变器响应延迟分析 中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：10034862(2017)04002303 The Analysis of Digital PWM and Inverter Delay Ding Changjian，Sun Enlin (CNOOC Energy Technology&Services Limited,Tianjin 300000China) Abstract： the development ofmicro-processors,digit
3、al PWM controllers system based on DSP are widely used in power electronics conversion devicesHowevemore and more engineers attentions are paid to the inverter&Zay caused by digital PWMEspecially,with limited switchingfrequency,the aeZay problem ofhigh power electronics conversion devices isparticul
4、arly outstandingIn thispaper,the mechanism that digitalPWM controller andfilter act on inverter&Zay is amply analyzed And matlab and mathematical analysis methods are used to determine what caused the output voltage time aeZay ofinverr and how inverter delay generated Then experimental data appropri
5、ately verifies that the theoretical analysis method and result are correctThus，the analysis methodprovides a theoreticalfoundationfo following optimization Keywords：digital P M：inverr,“time aelay,analysis 0引言 随着船舶电力推进系统的发展，推进系统的负 载功率不断增加，多种形式的脉冲大功率负载对 船舶电站功率提出了更高的需求，中压交流(直 流)综合电力系统逐渐成为船舶电站发展的主流 趋势。于
6、是，船上变频器、逆变电源等变流装置 都呈现出高压、大电流的特点，而这些电气特性 决定了其功率器件IGBT的开关频率不能过高I2， 否则会因为开关损耗过高而烧毁器件或导致变流 器效率低下，而采用数字PWM控制方式，因离 收稿日期：20161226 作者简介：丁长健(1980-)，男，工学学士。研究方向：船 舶工程建造项目管理。 散化过程中采样频率往往等于功率器件开关频 率。因此，由采样间隔时间过长导致的逆变电源 装置性能下降，跟踪响应时间延迟变大等问题就 显得越发的突出和不可忽视【23J。 于是，为了优化船舶大功率逆变电源的输出响 应特性，使其能够满足系统性能需求，本文对影 响逆变电源输出响应时
7、间延迟的主要因素进行详 细分析，为系统优化工作提供理论基础。定义输 出电压时间延迟为从给定电压信号到电源输出电 压达到给定值50所需的时间。 1逆变电源主电路及控制系统 逆变电源主电路采用H桥结构，主电路及系 统控制框图如图1所示，调制方式为单极性倍频 船电技术l应用研究 、，0l_37 No4 20174 PWM，控制器采用以DSP为核心的数字PWM控 制方式。图1(b)中，AD采样、转换及保持过程的 时间延迟在1 us以内(约为500 ns)，数字PWM 脉冲驱动器Concept的时问延迟为300 ns，逆变器 IGBT(FF600R06ME3)开通时间 和关断时间 分别为012 gs和0
8、73 gs，PWM驱动脉冲从驱 动器输出到IGBT的传输延迟为数 s，这些时间 延迟都在 s量级，相对于其他部分的时间延迟来 说都比较小，于是，在延迟分析的时候可以忽略。 因此，逆变电源系统的时间延迟主要集中体现在 数字PWM控制器和输出级滤波器及吸收回路两 个方面。 (a)逆变电源主电路 (b)逆变控制框图 图1逆变电源主电路及控制框图 2对称规则采样数字PWM 逆变电源采用对称规则采样方式，采样周期 等于三角载波周期 。为了实现数字控制，往 往采用滞后一拍控制方式 ，将当前采样周期采样 计算的调制波控制量推迟到下一个采样周期去更 新控制量数据。 如图2，在载波过零时触发采样中断开始ADC
9、采样转换，并更新控制量m(k-1)，即上一采样周 期经采样计算后所得调制波控制量的值；在第k 个载波周期的起始时刻，事件管理器产生下溢中 断启动ADC采样转换，对调制波m(0进行采样， DSP对采样值进行相关控制算法计算，经过采样 计算时间 之后，得到对应的调制波控制量 ， 在第 1个载波周期过零时刻，更新比较寄存器 TxCMPR的值为 ( 。可以看出，相对于数据采 样时刻，数据更新点延迟了一个采样周期 ，亦 即开关周期 。控制量re(k)与三角载波c( 进行 比较，发生比较匹配事件时，产生比较中断，输 出PWM脉冲进行翻转，得到对应占空比的PWM 驱动脉冲5】c 图2对称规则采样PWM 采样
10、成 采样髓 采扦乏 数 更 数槲更 数 型 新点 新点 新点 L J L J 1 袋佯段 氍样嚏 采样雎 数 毁槲 数拉|：世 髓虹 瓠如 瓤 L J (b) 图3对称规则采样2种极限情况 图3(a)中，采样点刚好与调制波控制量的突变 点t 重合，控制量的突变被及时地采集到，会在 下一个采样及数据更新点进行数据更新，从而反 映到负载侧，有一个采样周期 的时问延迟；而 图3(b)e0，采样点却刚好错过了控制量的突变点 t2，只有在下一个采样时刻才能采集到控制量的突 变情况，经2个采样周期 才能将该突变情况反 映到负载侧。 于是，对称规则采样数字PWM过程的时问延 迟为 2 3单极性倍频PWM 如
11、图4所示，调制波控制量 与三角载波 信号 比较产生两路互补的PWM脉冲 、 分别驱动H桥中的开关器件VT1和VT2， ( 船电技术l应用研究 V0l_37 No4 20l74 得比AISI304综合性能更优良的渗碳层组织，具 有较厚的渗碳层与较高的表面硬度。但AISI316 渗碳层的耐磨性不及AISI304，而耐蚀性则较 AISI304为优。 参考文献： 1DWu，YGe，HKahn，et a1Diffusion profiles after nitrocarburizing austenitic stainless steelJSurface &Coatings Technology,201
12、5279：l80185 2 Shinichiro Adachi，Nobuhiro UedaSurface hardness improvement of plasmasprayed AISI 3 1 6L stainless steel coating by lowtemperature plasma carburizingJAdvanced Powder Technology,20 1 3， 24：8l8823 3】 Sun Y Kinetic of Low Temperature plasma carburizing of austenitic stainless steelsJJourn
13、al of Materials Processing Technology, 2005， 168(2)：1 89194 4zXYuan，ZSYu，E Tan，SHSongEffect of rare eahs on the carburization of steelJMaterials Science and Engineering A，1 999，267：1 62-1 66 5 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国 国家标准化管理委员会GBT94512005，钢件薄表 面总硬化层深度或有效硬度层深度的测定S北京 中国标准出版社2006 6 李炯辉主编金属材料金相图谱下册M北京：机
14、械工业出版社，2006 7 邓宇，余圣甫，行舒乐，等堆焊高合金钢碳氮合金 化行为及高温耐磨性能J华中科技大学学报(自 然科学版)，2013，8(41)：9296 【8 马飞，潘邻，张良界，等奥氏体不锈钢低温气体渗 碳后的组织性能J_材料保护，2014，47(增1)： 6871 9 刘伟，赵程，窦百香奥氏体不锈钢离子渗碳后的 腐蚀行为J材料保护，2009，42(7)：2224 10GMMichal， FEmst，HKahn， eta1 Carbon supersaturation due to paraequilibrium carburization： stainless steels wit
15、h greatly improved mechanical propertiesJ Acta Materialia， 2006， 54(6)： 1597-1606 11李朋，潘邻，张良界，等奥氏体不锈钢低温气体渗 碳的组织性能J中国表面工程，2013，26(2)： 97101 12朱云峰，潘邻，张良界，等不损害耐蚀性的奥氏体 不锈钢渗碳强化技术研究进展J金属热处理，2012， 42(7)：17 13】 国家质量技术监督局GBT178991999，不锈钢点 蚀电位测量方法S北京：中国标准出版社，1999 14朱云峰，潘邻，张良界，等AISI316奥氏体不锈钢 低温渗碳层的组织及耐蚀性J_材料保护
16、，2013，46 (5)：2729 15马飞，潘邻，张良界，等316奥氏体不锈钢低温气 体渗碳层组织与强化性能J材料热处理学报， 20l536(6)：216221 (上接第2 5页) 6结论 文中对影响逆变电源输出响应时间延迟的因 素进行了详细分析。忽略一些影响小的环节后， 重点分析了以DSP为核心的数字PWM控制方式 的具体实现过程，明确了数字PWM对逆变电源 响应时间延迟的影响机理，以及数字PWM控制 器和滤波器及吸收回路对逆变电源输出电压响应 时间延迟的影响情况。最后通过实验所得的实测 数据也验证了理论分析方法的正确性和实用性， 为下一步的响应时间延迟优化提供了理论基础。 参考文献： 30 1 马伟明舰船动力发展的方向一一综合电力系统J 上海海事大学学报，2004，14(1)：111 2】 余勇，张兴，季建强，等大功率电流型多重化变频 电源系统控制与分析J中国电机工程学报，2004， 24(12)：2428 3 单鸿涛，彭力，孔雪娟，等数字化过程对脉宽调制 逆变电源性能的影响机理J中国电机工程学报， 200929(6)：2935 4】 孔雪娟数字控制PWM逆变电源关键技术研究D 武汉：华中科技大学，2005 5顾卫钢编著手把手教你学DSP一基于 TMS320x28 lxM北京：北京航空航天大学出版社 201 1
