基于DSP的逆變器重復(fù)控制器的設(shè)計(jì)

O 引言

開(kāi)關(guān)電源正朝著高效率、高穩(wěn)定度、高功率密度、低污染、模塊化發(fā)展。各種新型的拓?fù)潆娐泛图夹g(shù)也得到了應(yīng)用。諧振和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用也使得電源功率密度得以提高。電源控制上，控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路采用集成組件減小了電源的設(shè)計(jì)難度。高速微處理器DSP (Digital Signal Processing數(shù)字信號(hào)處理器)的出現(xiàn)，使得數(shù)字控制技術(shù)實(shí)時(shí)性障礙得以克服，控制采用全數(shù)字化，簡(jiǎn)化了硬件電路，提高了控制精度，也使得先進(jìn)的控制方式成為可能。比例積分控制、滑?？刂坪湍：刂频榷际峭ㄟ^(guò)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制特性的方法抑制干擾、改善輸出波形的。這些方法對(duì)負(fù)載突變時(shí)的波形控制效果顯著，但是對(duì)于周期性擾動(dòng)，比如整流型負(fù)載，它們的控制效果并不理想。然而重復(fù)控制是通過(guò)對(duì)前一周期或多個(gè)周期的波形處理，利用所得到的結(jié)果對(duì)當(dāng)前的控制進(jìn)行校正，并且能夠獲得很好的波形控制效果。因此重復(fù)控制現(xiàn)在越來(lái)越受到人們的重視。本文提出一種重復(fù)控制的控制方案，利用重復(fù)控制器來(lái)跟蹤周期性參考指令信號(hào)，減小輸出電壓諧波，同時(shí)電流環(huán)控制改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。并根據(jù)該控制方案，設(shè)計(jì)和調(diào)試了一臺(tái)基于DSPTMS320I~F2407A控制的單相1kW逆變器，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了該方案的良好性能。1 重復(fù)控制的基本理論重復(fù)控制是基于內(nèi)模原理的一種控制思想。它的內(nèi)模數(shù)學(xué)模型描述的是周期性的信號(hào)，因而使得閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠無(wú)靜差地跟蹤周期信號(hào)。單一頻率的正弦波是典型的周期信號(hào)，它的數(shù)學(xué)模型為那么只要在控制器前向通道串聯(lián)上與輸入同頻率的正弦信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)靜差跟蹤。重復(fù)控制也多用數(shù)字控制方式。離散后的重復(fù)控制內(nèi)模為：式中：N為一個(gè)周期的采樣次數(shù)基于內(nèi)模原理的理想重復(fù)控制系統(tǒng)的前向通道上含有一個(gè)周期性延時(shí)環(huán)節(jié)，不可避免它會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能較差。到目前為止，要實(shí)現(xiàn)高性能的控制效果，最為有效的方法有如下兩種：一是直接重復(fù)控制，引入前饋，通過(guò)前饋提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示；二是嵌入式重復(fù)控制，它在重復(fù)控制器側(cè)加入PI調(diào)節(jié)器，通過(guò)PI調(diào)節(jié)來(lái)提高動(dòng)態(tài)性能，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。理想重復(fù)控制器Q(z)=l，當(dāng)擾動(dòng)的角頻率ωd是輸入信號(hào)角頻率ωr的整數(shù)倍，即ωd=nωr時(shí)，可以得到z-N=1，就是說(shuō)，理想的重復(fù)控制器可以消除任意次諧波，可以對(duì)小于采樣頻率的1／2下的任意次諧波進(jìn)行無(wú)差跟蹤。所以本文中提出的控制器通過(guò)重復(fù)內(nèi)模來(lái)抑制周期性干擾，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)特性，PI控制提供動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，該控制器兼顧了PI經(jīng)典控制設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)彌補(bǔ)了重復(fù)控制單周期延時(shí)的缺點(diǎn)。2 逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖3為基于DSP的逆變器系統(tǒng)控制方案的示意圖，如果系統(tǒng)引入電感電流內(nèi)環(huán)，不僅可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還能適當(dāng)降低諧振峰值。因此，在重復(fù)控制電壓外環(huán)的內(nèi)部加入電流內(nèi)環(huán)，構(gòu)成重復(fù)控制雙環(huán)，可以增加重復(fù)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還能降低補(bǔ)償器設(shè)計(jì)難度。圖4是數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)模擬部分主要是功率電路和接口電路，數(shù)字部分。接口電路是設(shè)計(jì)時(shí)需要特別考慮的，它需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換(A／D，D／A)，針對(duì)不同的A／D，還需要特別設(shè)置電平轉(zhuǎn)換電路。而門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路不僅要提供足夠的能量以驅(qū)動(dòng)功率模塊，還需要隔離，以保護(hù)數(shù)字芯片。最后通過(guò)數(shù)字部分的編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。根據(jù)內(nèi)模原理，重復(fù)控制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是受控系統(tǒng)穩(wěn)定，然后加入重復(fù)內(nèi)模，以獲得周期性輸入或干擾的無(wú)靜差特性。設(shè)計(jì)重復(fù)控制系統(tǒng)需要知道受控系統(tǒng)的精確模型，這樣才能設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足穩(wěn)定域關(guān)系的補(bǔ)償器。加入重復(fù)控制器后的系統(tǒng)如圖5所示。圖5中T是基波周期；S(s)為需要設(shè)計(jì)的補(bǔ)償器；Gp(s)為受控系統(tǒng)的平均模型，即式(3)。為簡(jiǎn)化分析，忽略濾波電感等效串聯(lián)電阻rL和濾波電容等效串聯(lián)電阻rc，將Kvf，Utr、Ud恒定增益環(huán)節(jié)視為單位增益，可以得到簡(jiǎn)化為單位反饋的逆變器平均模型，即 由圖3可以獲得重復(fù)控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為由于純延時(shí)環(huán)節(jié)e-Ts的存在，模擬上難于實(shí)現(xiàn)，需要將其離散化，從而采用離散系統(tǒng)的分析方式。其中e-Ts=z-N，N為一個(gè)基波內(nèi)的采樣次數(shù)。Q是用于改善重復(fù)控制器內(nèi)模臨界穩(wěn)定特性的，可以是一個(gè)略小于l的參數(shù)或低通濾波器，常數(shù)型Q和函數(shù)型的對(duì)比，函數(shù)型在低頻段具有更高的增益，穩(wěn)態(tài)特性將更加理想，不過(guò)也能看出它會(huì)引入相移，因此，需要再針對(duì)它設(shè)計(jì)相位補(bǔ)償，設(shè)計(jì)不好，系統(tǒng)有可能不穩(wěn)定，反而達(dá)不到預(yù)期的穩(wěn)定性補(bǔ)償效果，因此，在通常的設(shè)計(jì)中，常選擇常數(shù)性Q=0．95作簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果基于前面的理論分析，設(shè)計(jì)了一臺(tái)基于DSPTMS320LF2407A控制的單相1kW逆變器，控制算法均由DSP編程實(shí)現(xiàn)，逆變器由單相全橋電路構(gòu)成，開(kāi)關(guān)管工作頻率為20kHz，并通過(guò)LC濾波器輸出交流電壓。逆變器控制系統(tǒng)根據(jù)前述的瞬時(shí)控制結(jié)構(gòu)結(jié)合重復(fù)控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，逆變器采用本文的控制系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)輸出波形質(zhì)量好，總諧波畸變率小。在線(xiàn)性和非線(xiàn)性負(fù)載條件下均保持了高性能的輸出效果，系統(tǒng)同時(shí)得到了滿(mǎn)意的穩(wěn)態(tài)輸出波形和動(dòng)態(tài)效果。4 結(jié)語(yǔ)本文分析了基于DSP的重復(fù)控制策略在數(shù)字化正弦波逆變電源系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出了一種基于電感電流反饋控制和電壓重復(fù)控制的復(fù)合控制策略。該策略吸取了電流環(huán)瞬時(shí)控制和重復(fù)控制的長(zhǎng)處，克服了它們各自的不足，使系統(tǒng)得到了較為理想的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文提出的基于重復(fù)控制的逆變器控制系統(tǒng)是一種實(shí)用的正弦波逆變電源控制方案，并能達(dá)到高性能的控制效果。