基于DSP無差拍控制的逆變電源研究

全曉明,申群太

摘 要:隨著高性能數字信號處理器的廣泛應用,傳統模擬控制的逆變技術被數字化電源取代已成為必然趨勢。逆變電源因非線性負載等因素引起的干擾,采用常規(guī)控制難以獲得理想的控制效果。提出一種基于DSP實現的PI控制和無差拍控制方法相結合的數字雙閉環(huán)控制方法。逆變器控制電路的電流內環(huán)采用優(yōu)化了的數字PI控制方法;電壓外環(huán)采用干擾預測型無差拍控制方法。該方案將無差拍控制的瞬時響應快,精度高和PI控制簡單,參數易整定,魯棒性好等優(yōu)點相結合,能夠得到更優(yōu)的控制效果。最后的仿真試驗表明,采用數字雙閉環(huán)控制方法的逆變器具有輸出波形好,響應快和負載適應能力強等優(yōu)點。

關鍵詞:逆變器;雙閉環(huán)控制;無差拍控制;DSP

中圖分類號:TP274文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)12-189-03

Research of Deadbeat Control Inverter Based on DSP

QUAN Xiaoming,SHEN Quntai

(School of Information Science and Engineering,Central South University,Changsha,410083,China)

Abstract:With the wide use of high-performance digital signal processor,it is a natural trend that the traditional analog control of the inverter can be replaced by digital technology.Because the nonlinear loads cause the interference,inverter is hard to receive ideal control.This paper introduces a control method based on PI control strategy and non-deadbeat control method:Inverter control circuit of the current inner loop choose the optimized digital PI control methods,the voltage loop choose the no deadbeat control methods.This method combines the advantages of PI control and non-deadbeat control.Deadbeat control has good performance at transient state.And PI control is simple,easy parameter setting and robust.Finally,the simulation and test figures show that double-loop control method of the inverter receives a lot of advantage such as output waveform with a good,fast response,and better capacity adapt to the different loads.

Keywords:inverter;double-loop control;deadbeat control;DSP

0 引 言

隨著高性能DSP控制器的出現,采用數字化控制的UPS電源已成為現在研究的熱點[1]?；贒SP實現的數字雙閉環(huán)控制能有效提高電源系統的抗干擾能力,降低噪聲,提高效率和可靠性,進一步有利于電源的智能化管理、遠程維護和診斷。在逆變器的多種控制策略中,重復控制技術能有效消除非線性負載和干擾引起的波形畸變;滑模變結構控制方法能使系統運行于一種滑動模態(tài),能保證系統的魯棒性;模糊控制和神經網絡控制等智能控制不依賴控制對象的數學模型,適應于非線性系統;無差拍控制能夠瞬時控制電壓,對負載有很強的適應能力,有輸出總諧波畸變少,損耗少等優(yōu)點;PID控制簡單,并具有好的可靠性;新型數字化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,如果能把其中的兩種或幾種控制技術結合運用,將取得更好的輸出特性?；诖怂枷胩岢鰯底諴ID控制和無差拍控制技術相結合的控制策略[2]。理論和實踐證明,該方法具有廣泛的應用前景。

1 系統結構設計

該系統選用的TMS320F2812芯片是TI公司的TMS320C28x系列中的一種,其指令執(zhí)行速度快,從而可以在此基礎上實現復雜的控制算法,優(yōu)化系統的輸出特性。

基于該芯片的逆變電源系統框圖如圖1所示。整個系統由AC/DC,DC/DC,DC/AC,以及濾波電路和其他輔助電路構成。其中,DC/AC逆變器部分是整個系統的重要組成,逆變器采用單相全橋逆變電路,適應大功率場合。通過采樣電路采樣得到的輸出電壓和電流經過DSP的A/D轉換器轉換成數字信號,作為數字控制器的反饋信號,經與給定輸出信號比較后,再經過控制算法調節(jié)器和脈寬調制器得到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現,因此信號穩(wěn)定無溫漂、無干擾。這種控制方法在負載變化較快時仍然能保證輸出電壓不發(fā)生畸變[3,4]。

圖1 系統整體框圖

2 逆變器控制方案及其參數設計

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為負載電流;uo為輸出電壓;R為逆變器負載電阻,VS1~VS4為逆變控制開關;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[5,6]。

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

ddtx(t)=Ax(t)+B1uo(t)+B2io(t)

y=Dx

式中:A=C-1/L1/L0;B1=1/L0;

B2=0-1/C;D=[1 0]

離散化狀態(tài)方程,可以得到:

x(k+1)=Φx(k)+Γ1u(k)+Γ2io(k)

y(k)=Dx(k)

式中:

Φ=cos(ω0TS)(1/ω0C)sin(ω0TS)

-(1/ω0L)sin(ω0TS)cos(ω0TS)=

Φ11Φ12Φ21Φ22

Γ1=1-cos(ω0TS)

1ω0Csin(ω0TS)=Γ11Γ12

Γ2=-1ω0Csin(ω0TS)

1-cos(ω0TS)=Γ21Γ22

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:

uo(k+1)=Φ11uo(k)+Φ12iL(k)+Γ11ui(k)+

Γ21io(k)

iL(k+1)=Φ21uo(k)+Φ22iL(k)+Γ12ui(k)+

Γ22io(k)

圖2 逆變器等效電路及其控制策略框圖

針對該逆變器所設計研究的控制方法:采用雙閉環(huán)控制算法調節(jié)系統的動靜態(tài)特性,內環(huán)采用無差拍控制方法,是一種能夠瞬時控制電壓的有效手段,對負載具有很強的適應能力,尤其對非線性負載,輸出波形失真小,可以改善系統的動態(tài)響應特性;外環(huán)采用瞬時值的數字PI算法,輸出電壓的瞬時值信號直接反饋,與參考正弦電壓比較,使輸出電壓穩(wěn)定在設定值上,并抑制輸出電壓的畸變。兩種控制算法能互相彌補各自控制上的不足,使系統得到較好的控制效果[7,8]。

2.2 電流內環(huán)

內環(huán)采用干擾無差拍控制策略,結合離散化狀態(tài)方程和系統主電路圖分析結果,可以得到無差拍控制實現方法為:

ui(k+1)=Γ12iref(k+2)-Φ22Γ12iref(k+1)-

Φ21Φ11Γ12uo(k)-Φ21Φ21Γ12io(k)-Φ21Γ11Γ12ui(k)-

Φ21Φ12Γ12iL(k)-Γ22Γ12io(k+1)

可以通過采用一個二階預估方法對負載電流io(k+1)進行預估有:

io(k+1)=3io(k)-3io(k-1)+io(k-2)

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:

Δu(k)=KP[(uref(k)-uref(k-1)]-[uo(k)-

uo(k-1)]+KI[uref(k)-uo(k)]

PI調節(jié)器性能的好壞取決于KP,KI的選取。PI參數可以從理論上算出,但是由于系統參數的擾動性,采用仿真調試的方法來確定具有更實際的價值。

2.4 PWM波的生成

通過預估算法得到正弦參考電流iref(k),再根據內環(huán)控制算法可以算出uI(k),從而得到開關的控制時間,即PWM的脈沖時間,從kTS~(k+1)TS的采樣間隔內,IGBT的導通時間為[9]:

Ton(k)=ui(k)ETS

得到導通時間后,要進一步確定DSP中PWM輸出寄存器的值。從而使DSP實現了對IGBT的通斷時間的控制。

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[10]:

主電路參數:電感L=10 mH,電容C=20 μF,額定阻性負載R=50 Ω,開關頻率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、全橋開關管模塊、LCR模塊、電壓、電流測量模塊、信號輸入模塊等部分組成;電壓外環(huán)采用Simulink模塊庫中的PI離散控制模塊;電流內環(huán)采用S函數子模塊。仿真結果如圖3所示。

圖3 阻性負載下輸出波形

如圖4所示,無論在阻性負載還是在感性負載下,閉環(huán)PID控制和無差拍控制相結合控制策略下的逆變器輸出波形從諧波或動態(tài)性能上都優(yōu)于普通的單環(huán)控制。負載如何變化,即使存在擾動的情況下,都能很快地調節(jié)負載電壓和電流波形,輸出穩(wěn)定的波形,而且諧波失真度低。試驗證明,該次設計取得了預想的成果。

圖4 感性負載下輸出波形

4 結 語

通過分析對在不同負載和不同環(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。

參考文獻

[1]王兆安,黃俊.電力電子技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.

[2]刁元均.基于DSP的逆變電源數字控制技術的研究[D].成都:西南交通大學,2007.

[3]周志敏.逆變電源實用技術[M].北京:中國電力出版社,2005.

[4]曲學基,曲敬鎧,于明揚.逆變技術基礎與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[5]Zhang Kai,Kang Yong,Xiong Jian.Repetitive Waveform Correction Technique for CVCF-SPWM Inverters [A].IEEE Trans.on PESC Conf.Rec[C].2000:153-158.

[6]Miura Y M,Matsukawa M,Nakano H.A Deadbeat Control Method for a PWM Converter Applied to a Superconducting Magnet [J].Fusion Engineering and Design,2001,58(59):57-62.

[7]Mario E Salgado,Diego A Oyarzun,Eduardo I Silva.H2 Optimal Ripple-free Deadbeat Controller Design [J].Automatica,2007,43:1 961-1 967.

[8]李巍,冀捐灶,郭慶,等.基于DSP的SVPWM逆變電源研制[J].繼電器,2007,35(20):60-63.

[9]強文,黃西平,王鑫.基于重復控制和無差拍控制的逆變電源數字控制技術研究[J].通信電源技術,2007,24(4):14-17.

[10]黃文梅,楊勇,熊桂林,等.系統仿真分析與設計Matlab語言工程應用[D].長沙:國防科技大學,2004.