基于DSP無差拍控制的逆變電源研究與設(shè)計(jì)

引 言
隨著高性能DSP控制器的出現(xiàn)，采用數(shù)字化控制的UPS電源已成為現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)?；贒SP實(shí)現(xiàn)的數(shù)字雙閉環(huán)控制能有效提高電源系統(tǒng)的抗干擾能力，降低噪聲，提高效率和可靠性，進(jìn)一步有利于電源的智能化管理、遠(yuǎn)程維護(hù)和診斷。在逆變器的多種控制策略中，重復(fù)控制技術(shù)能有效消除非線性負(fù)載和干擾引起的波形畸變；滑模變結(jié)構(gòu)控制方法能使系統(tǒng)運(yùn)行于一種滑動(dòng)模態(tài)，能保證系統(tǒng)的魯棒性；模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制不依賴控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，適應(yīng)于非線性系統(tǒng)；無差拍控制能夠瞬時(shí)控制電壓，對(duì)負(fù)載有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，有輸出總諧波畸變少，損耗少等優(yōu)點(diǎn)； PID控制簡(jiǎn)單，并具有好的可靠性；新型數(shù)字化PID控制更能取得滿意的控制效果。各種控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，如果能把其中的兩種或幾種控制技術(shù)結(jié)合運(yùn)用，將取得更好的輸出特性?；诖怂枷胩岢鰯?shù)字PID控制和無差拍控制技術(shù)相結(jié)合的控制策略。理論和實(shí)踐證明，該方法具有廣泛的應(yīng)用前景。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)選用的TMS320F2812芯片是TI公司的TMS320C28x系列中的一種，其指令執(zhí)行速度快，從而可以在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，優(yōu)化系統(tǒng)的輸出特性。
基于該芯片的逆變電源系統(tǒng)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由AC／DC，DC／DC，DC／AC，以及濾波電路和其他輔助電路構(gòu)成。其中，DC／AC逆變器部分是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成，逆變器采用單相全橋逆變電路，適應(yīng)大功率場(chǎng)合。通過采樣電路采樣得到的輸出電壓和電流經(jīng)過DSP的A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，作為數(shù)字控制器的反饋信號(hào)，經(jīng)與給定輸出信號(hào)比較后，再經(jīng)過控制算法調(diào)節(jié)器和脈寬調(diào)制器得到SPWM波控制IGBT功率管的通斷，從而改變輸出電壓的值，使其與給定輸入電壓相等。給定參考電壓由軟件方式實(shí)現(xiàn)，因此信號(hào)穩(wěn)定無溫漂、無干擾。這種控制方法在負(fù)載變化較快時(shí)仍然能保證輸出電壓不發(fā)生畸變。

2 逆變器控制方案及其參數(shù)設(shè)計(jì)
2．1 逆變器建模及其控制策略研究
如圖2所示，圖中iL為電感電流；iC為電容電流；io為負(fù)載電流；uo為輸出電壓；R為逆變器負(fù)載電阻，VS1～VS4為逆變控制開關(guān)；r為電路阻尼電阻；L，C組成LC濾波器；E為逆變器輸入直流電源。

取x(t)=[uo(t)iL(t)]T為狀態(tài)變量，平均電壓ui(￡)和負(fù)載電流為系統(tǒng)輸入，則主電路的狀態(tài)方程為：

式中：TS為采樣周期；ω0為二階LC濾波器的諧振角頻率。由此得出的電壓電流離散化狀態(tài)方程為：

針對(duì)該逆變器所設(shè)計(jì)研究的控制方法：采用雙閉環(huán)控制算法調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性，內(nèi)環(huán)采用無差拍控制方法，是一種能夠瞬時(shí)控制電壓的有效手段，對(duì)負(fù)載具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，尤其對(duì)非線性負(fù)載，輸出波形失真小，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；外環(huán)采用瞬時(shí)值的數(shù)字PI算法，輸出電壓的瞬時(shí)值信號(hào)直接反饋，與參考正弦電壓比較，使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值上，并抑制輸出電壓的畸變。兩種控制算法能互相彌補(bǔ)各自控制上的不足，使系統(tǒng)得到較好的控制效果。
2．2 電流內(nèi)環(huán)
內(nèi)環(huán)采用干擾無差拍控制策略，結(jié)合離散化狀態(tài)方程和系統(tǒng)主電路圖分析結(jié)果，可以得到無差拍控制實(shí)現(xiàn)方法為：

可以通過采用一個(gè)二階預(yù)估方法對(duì)負(fù)載電流io(k+1)進(jìn)行預(yù)估有：

而iref(k+1)可從外環(huán)控制算法中得出。
2．3 電壓外環(huán)
電壓外環(huán)采用增量式PI算法，其差分方程可以表示為：

PI調(diào)節(jié)器性能的好壞取決于KP，KI的選取。PI參數(shù)可以從理論上算出，但是由于系統(tǒng)參數(shù)的擾動(dòng)性，采用仿真調(diào)試的方法來確定具有更實(shí)際的價(jià)值。
2．4 PWM波的生成
通過預(yù)估算法得到正弦參考電流iref(k)，再根據(jù)內(nèi)環(huán)控制算法可以算出uI(k)，從而得到開關(guān)的控制時(shí)間，即PWM的脈沖時(shí)間，從kTS～(k+1)TS的采樣間隔內(nèi)，IGBT的導(dǎo)通時(shí)間為：

得到導(dǎo)通時(shí)間后，要進(jìn)一步確定DSP中PWM輸出寄存器的值。從而使DSP實(shí)現(xiàn)了對(duì)IGBT的通斷時(shí)間的控制。
3 逆變器控制電路的仿真研究
搭建逆變器控制方法研究的仿真模型如下：
主電路參數(shù)：電感L=10 mH，電容C=20μF，額定阻性負(fù)載R=50 Ω，開關(guān)頻率fS=1／Ts=10 kHz，直流電源電壓E=310 V，輸出電壓有效值uo=220 V，頻率f=50 Hz。
逆變器的主電路由直流穩(wěn)壓電源模塊、全橋開關(guān)管模塊、LCR模塊、電壓、電流測(cè)量模塊、信號(hào)輸入模塊等部分組成；電壓外環(huán)采用Simulink模塊庫(kù)中的PI離散控制模塊；電流內(nèi)環(huán)采用S函數(shù)子模塊。仿真結(jié)果如圖3、4所示。

4 結(jié) 語(yǔ)
通過分析對(duì)在不同負(fù)載和不同環(huán)境下逆變電路的輸出電壓和電流波形，可以肯定該控制方法的可行性和優(yōu)越性。