摘 要

车载逆变器是电动汽车的关键部件，随着电动汽车行业的快速发展，对车载逆变器的性能要求越来越高。本文以TMS320F28335为核心控制器，根据电动汽车由动力电池直流电逆变成单相交流电的工作特点，提出先通过BOOST电路升压，再通过逆变器逆变的总体方案。本文制定了程序设计的总体方案，重点讲述了车载逆变器三个关键子程序的设计。通过内置的AD转换器采集电压、电流信号，并采用中值平均滤波算法滤除信号中的杂波；采用增量式PI算法，调节PWM占空比控制BOOST变换器输出电压，调节SPWM调制比控制逆变器交流电压；通过串口通讯方式向PC机发送数据。
       在MATLAB仿真平台整定PI参数，调整电路参数，最终制作了电压稳定输出的DC/AC逆变器实物模型。其输入电压为14-20V，输出电压稳定在18V，实物模型与设计要求相比，仅减小了其功率等级，完成对程序设计的验证，基本满足所需的变换要求。

关键词：PI算法；串口通讯；MATLAB；TMS320F28335

Abstract

Vehicle inverter is the key component of electric vehicle, with the rapid development of electric vehicle industry, the performance of vehicle inverter is more and more demanding. This paper takes TMS320F28335 as the core controller, according to the working characteristics of electric vehicle from DC inverse of power battery to single-phase alternating current, and puts forward the overall scheme of first boost through BOOST circuit and then inverter through inverter. In this paper, the overall scheme of program design is developed, and the design of three key subroutine of vehicle inverter is emphatically described. The voltage and current signals are collected by the built-in AD converter, and the clutter in the signal is filtered by the median average filtering algorithm, and the incremental PI algorithm is used to adjust the PWM duty-free ratio to control the output voltage of the BOOST converter, adjust the SPWM modulation ratio to control the AC voltage of the inverter, and send data to the PC through serial communication.

The physical model of DC/AC inverter with voltage stable output is finally made by tuning PI parameters and adjusting circuit parameters in MATLAB simulation platform. The input voltage is 14-20V, the output voltage is stable at 18V, and compared with the design requirements, the physical model only reduces its power level, completes the verification of the program design, and basically satisfies the required transformation requirements.

Key Words：PI algorithm；serial communication；MATLAB；BOOST

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2设计目的及意义 1

1.2.1设计目的 1

1.2.2 设计意义 2

1.3 国内外研究现状 2

1.4研究内容 3

第2章 车载逆变器方案设计 4

2.1 需求分析 4

2.2 方案比较与论证 4

2.2.1 数据采集程序方案设计 4

2.2.2 控制程序方案设计 5

2.2.3 通讯程序方案设计 5

2.3 总体程序方案设计 6

2.4 本章小结 6

第3章 系统工作原理 7

3.1 BOOST变换器工作原理 7

3.1.1 BOOST变换器原理分析 7

3.1.2 BOOST电路参数计算 8

3.2逆变器工作原理 9

3.2.1 逆变器工作原理分析 9

3.2.2 SPWM原理 9

3.3 交流电压电流检测电路工作原理 11

3.3.1 交流电压检测电路工作原理 11

3.3.2 交流电流检测电路工作原理 11

3.4 本章小结 11

第4章 程序设计 12

4.1程序基本原理 12

4.2 程序总体方案 13

4.3 子程序设计 13

4.3.1 数据采集程序设计 13

4.3.2控制程序设计 14

4.3.3通讯程序程序设计： 17

4.4 本章小结 18

第6章 仿真与实验 19

5.1 仿真模型搭建 19

5.1.1 BOOST电路仿真模型 19

5.1.2数字PID仿真模型 20

5.1.3 SPWM驱动逆变电路仿真模型 20

5.2 仿真结果分析 21

5.2.1 BOOST仿真分析 21

5.2.2 逆变仿真分析 22

5.3实验及其结果分析 23

5.3.1 实验仪器 23

5.3.2 实验测试及分析 23

5.4 本章小结 24

第6章 结论 25

附录A 27

附录B 31

参考文献 26

致谢！ 33

第1章 绪论

1.1研究背景

随着全球能源问题的越来越严重，能源枯竭和大气污染成为各个国家遇到的重大难题。作为解决能源消耗、环境污染等问题的突破口[1]，电动汽车已成为各国汽车行业发展的新方向，其中，车载逆变器是电动汽车不可或缺的一部分，为便携式电子产品或车辆交流电器供电，是电动汽车发展的关键零部件之一[2]。因此，设计一款性能优越、工作效率高的电动汽车车载逆变器成为了电动汽车发展的重要环节，对电动汽车的产业化和市场化有着重要的意义[3]。

1.2设计目的及意义

1.2.1设计目的

目前逆变器设计方案主要有两种，一是PWM电源芯片方案，二是采用微处理器程序设计方案，采PWM电源芯片方案用普通的PWM电源控制芯片，SG3525,TL494,KA7500等，此类芯片的可以直接的产生脉宽调制信号，但是它缺点是波形线性不好，而且振荡发生器是依赖充放电电路而产生波形，除此之外，PWM芯片产生SPWM信号需要附加额外很多电路，增加了设计成本和电路的复杂程度。

随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展，逆变电源逆变技术也从通过直流电动机——交流发电机的旋转方式逆变技术[4]，发展到二十世纪六、七十年代的晶闸管逆变技术，而二十一世纪的逆变技术多数采用了MOSFET、IGBT、IGCT等多种先进且易于控制的功率器件，控制电路由最初的采用模拟电路产生控制信号转变成为由微处理器产生控制信号[5]。

微处理器程序设计方案是采用微处理器的PWM发生模块产生调制信号[6]，采用程序设计来调节PWM的脉宽，不仅精度较高，且无需设计复杂的SPWM生成电路，可通过修改程序实现各种控制算法。为使逆变器产生电压总谐波较小的正弦波电压、节约设计成本，并使系统更加安全稳定，需研究先进的电动汽车车载逆变器控制策略，设计并实现逆变器软件，包括数据采集程序设计、控制程序设计、通讯程序设计。

1.2.2 设计意义

逆变电源的设计，除了需要考虑其基本的可靠性、重量、体积、效率、电磁兼容等性能之外，最重要的是要考虑其输出电压波形。

逆变器在理想开关条件下，并且带的是阻性负载，使用SPWM可获得理想的正弦波波形。但在实际运行中，许多因素会导致逆变器输出波形产生畸变。其原因包括PWM死区效应、输出滤波器参数改变，负载扰动等，选择一种正确有效的控制算法可降低波形的畸变程度，降低谐波大小。因此，研究一种可靠，高效的电动汽车车载逆变器控制策略具有重大的实际意义。

车载电源不仅需要将直流电转换为交流电，还需要考虑发生故障时对电路进行保护，例如当发生欠压或者过流现象时将自动保护关机。车载电源的输出电压通过本身的反馈可以使电压稳定，空载与额定的电压值变化小于10V。因此，电动汽车车载逆变器的程序设计，对于逆变电源的可靠性、稳定性具有重大意义[8]。

1.3 国内外研究现状

逆变电源技术的发展到今天已经取得了很大的成就，随着科学技术的不断进步和持续发展，逆变电源在跟随着时代的脚步，也在经历着一代又一代的更替[9]。

SPWM(Sinusoida—PWM)正弦脉宽调制法是调制波为正弦波，载波为三角波或锯齿波的一种脉宽调制法，它是1964年由A.Schonung和H．Stemmler把通讯系统的调制技术应用到逆变器而产生的[10]。由于当时开关器件的速度慢而未得到及时推广，直到后来由Bristol大学的S.R.Bowers等于1975年才把SPWM技术正式应用到逆变技术中，使逆变器的性能大大提高，并得到了广泛的应用和发展，也使正弦波逆变技术达到了一个新的高度[11]。这项技术的特点是原理简单，通用性强，控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压的多种作用，是一种比较好的波形改善法[12]。此后，各种不同的PWM技术相继出现，如注入三次谐波的PWM、空间矢量调制，电流滞环 PWM等，成为高速开关器件逆变器的主导控制方式[13]。至此，正弦波逆变技术的发展已经基本完善。

在正弦波逆变电源控制方法中，目前国内外研究得比较多的主要有PID控制、无差拍控制、双环反馈控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制以及神经网络控制等[14]。PID控制是一种传统控制方法，由于其算法简单成熟，设计过程中不过分依赖系统参数，鲁棒性好和可靠性高，在模拟控制的正弦波逆变电源系统中得到了广泛的应用[15]。随着微处理器技术的发展，具有较快的动、静态响应特性数字PID算法也获得了应用。

1.4研究内容

本文研究电动汽车逆变器软件设计方法，包括数据采集程序设计、控制程序设计、通讯程序设计。其研究内容如下：对设计的需求进行分析，进行数据采集程序、控制程序的方案对比论证，最后提出总体方案；对所提出的程序方案所控制的硬件电路进行工作原理分析，参数计算；详细介绍程序的设计方法，包括其基本原理，设计流程；介绍所搭建仿真模型，实验模型，对仿真和实验结构进行分析；对本文研究内容进行总结，得出结论。

第2章 车载逆变器方案设计

2.1 需求分析

电动汽车车载逆变器将动力电池的直流电逆变成220V单相交流电，为便携式电子产品或车辆交流电器供电。

本课题的任务是基于实验室现有的单相并网逆变器实验平台，以及以DSP为核心的逆变器控制器硬件，研究电动汽车车载逆变器控制策略，设计并实现逆变器软件，包括数据采集程序设计、控制程序设计、通讯程序设计。车载逆变器参数如下：

(1) 额定功率：3kW

(2) 输入电压：165-247.2VDC

(3) 输出电压：220±10%VAC

(4) 电压总谐波: ≤5%

由题目要求，设计电动汽车车载逆变器，可将动力电池的直流电逆变成220V单相交流电，为便携式电子产品或车辆交流电器供电设备，动力电池为范围变化的直流电，作为本设计的输入电压源，其输入电压为165-247.2VDC，经变换后输出220V交流电，仅仅设计一款逆变器显然无法满足题目要求，因为当输入电压小于220V时，逆变器无法输出比直流侧更高的交流测电压，因此需再逆变器前设计升压电路，将电压升压至超过247.2的电压，再通过改变逆变器调制度，使逆变器输出稳定的220V交流电压。

由于实验条件有限，本文设计一种电动汽车车载逆变器将动力电池的直流电逆变成220V单相交流电的功率等级比例缩小模型，其输入电压为14-20V，输出电压为18V，功率为36W通过该电路模型验证了数据采集程序设计、控制程序设计、通讯程序设计的可行性。

2.2 方案比较与论证

2.2.1 数据采集程序方案设计

电压、电流为模拟量，微处理器需通过数模转换才能采集到这些数据，下面比较两种采集方法。

方案一：采用外置AD转换芯片，目前市场上有多种性能优越的AD转换芯片，有高速AD芯片、高精度AD芯片等，AD转换芯片将转换的模拟量信号，通过编写IIC、SPI等通讯程序，可将数据传递给微处理器，具有转换速度快、精度高等优点。

方案二：采用内置AD转换模块，DSP片上自带12位高速AD转换模块，在DSP中通过修改TI公司提供的标准例程代码，可自由配置内置的AD模块

比较两方案，由于我采用内置AD转换较为方便，不占用过多DSP的引脚接口，且精度能满足要求，故采用内置AD转换模块转换，综合比较，采用方案二。

2.2.2 控制程序方案设计

控制程序为本设计的核心程序，现如今逆变电路发展日趋成熟，多种不同的程序控制方案用于不同场合，下面对比两种控制方案，选择适用于本设计的控制程序方案。

方案一：采用开环电压控制方案，即无反馈的系统控制方式，在控制逆变器输出时，只需给固定参数的控制信号，其优点是控制方法简单。缺点是系统抗干扰性差，响应速度慢。

方案二：采用闭环电压控制方案，通过反馈电压信号作为控制的输入端，采用一定的闭环控制算法，可以使电压稳定在设定值，具有抗负载扰动以及输入电源波动的效果

比较两方案，由于需要输出的交流电压稳定在18V，不受负载扰动即输入电源波动的影响，综合比较，采用方案二。

2.2.3 通讯程序方案设计

本设计以DSP为核心控制器，需要时刻监测车载逆变器的运行状态，将这些监测的数据通过合适的通讯方式与其他车载电子系统进行通讯，下面介绍两种常用的以DSP为核心的通讯方式，并进行优劣比较。

方案一：采用CAN通讯方式。使用TI公司官方提供的例程，例程中已经已将ECANA和ECANB配置，只需要在编写程序时，在接收和发送时对相应的RMPn（接收）和TAn（发送）进行软件复位即可连续接收发送。

方案二：采用串口通讯方式。串口通讯具有传输方式简单，驱动程序容易编写，传输速度快等优点。也可通过TI公司官方提供的例程，配置其SCI模块即可使用串口通讯方式

综合比较两个方案，出于降低程序设计难度的考虑，选择采用串口通讯方式。

2.3 总体程序方案设计

系统以TMS320F28335单片机为主控制器，整个电路由主功率电路、辅助电源模块、人机交互模块、交流电压电流检测模块组成。

STM320F28335单片机根据逆变电路负载电流电压反馈，通过软件方式输出SPWM波和PWM波，分别控制逆变电路与BOOST电路。通过控制PWM占空比来控制逆变器直流侧电压的大小，通过控制逆变器的的调制度来控制交流电压的大小；同时单片机根据ADC采集电压以及电流计算值，通过PI算法改变BOOST电路PWM占空比与逆变电路SPWM调制度，使输出直流侧电压以及输出交流电压稳定。通过串口通讯的方式向电脑发送电压、电流数据。系统框图如图2.1所示。

图2.1 系统框图

2.4 本章小结

本章首先进行需求分析，再列举部分功能模块进行方案对比论证，最后确定总体方案，画出总体框。

第3章 系统工作原理

3.1 BOOST变换器工作原理

3.1.1 BOOST变换器原理分析

本设计采用数控同步BOOST电路将电动汽车直流侧电压升高。数控BOOST方案应用于许多场合，如单项功率因数校正，直流电机传动，以及多种交直流电源。数控同步BOOST电路由于使用开关管代替了二极管，电路损耗更小，效率更高，适用于多种中小功率场合，其控制信号为两路互补带死区的PWM波，驱动两个开关管，电路原理图如图3.1所示。

充电时，开关管Q2导通，开关管Q1关断时，电源E向电感L充电，充电电流基本稳定为，同时由电容C给负载供电，电容C具有较大的容值，因此可以基本保持输出电压为恒定值，恒定值为Uo。设Q2处于开通状态的时间为，在这个阶段中，电感L上储存的能量为E。

当Q2处于关断状态，Q1处于开通状态时，电源VCC和L同时向电容C充电并向负载提供能量。设Q2处于关断状态的时间为，则此阶段电感L提供的能量为（Uo-VCC）。当电流工作于稳定状态时，在一个周期T内，电感储存的能量和提供的能量是相等的，则有：

(3.1)

化简得：

(3.2)

其中D为PWM占空比。

式中，由于，输出电压大于输入的电源电压，因此达到了升压的效果，即为BOOST变换器。

图3.1 boost电路原理图

3.1.2 BOOST电路参数计算

BOOST变换器之所以能使输出电压高于输入电压，有两点原因：一是电容C容量足够大，可以使输出电压保持在一定值，二是电感L在充电储能之后，可以和电源共同作用于负载上，起到电压泵升的作用。以下介绍电容和电感参数计算。

（1）电感量计算

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