基于DSP無(wú)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(shù)字信號(hào)處理器的廣泛應(yīng)用,傳統(tǒng)模擬控制的逆變技術(shù)被數(shù)字化電源取代已成為必然趨勢(shì)。逆變電源因非線性負(fù)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(shí)現(xiàn)的PI控制和無(wú)差拍控制方法相結(jié)合的數(shù)字雙閉環(huán)控制方法。逆變器控制電路的電流內(nèi)環(huán)采用優(yōu)化了的數(shù)字PI控制方法;電壓外環(huán)采用干擾預(yù)測(cè)型無(wú)差拍控制方法。該方案將無(wú)差拍控制的瞬時(shí)響應(yīng)快,精度高和PI控制簡(jiǎn)單,參數(shù)易整定,魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合,能夠得到更優(yōu)的控制效果。最后的仿真試驗(yàn)表明,采用數(shù)字雙閉環(huán)控制方法的逆變器具有輸出波形好,響應(yīng)快和負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:逆變器;雙閉環(huán)控制;無(wú)差拍控制;DSP

中圖分類(lèi)號(hào):TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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(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)[1]。基于DSP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(lài)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,適應(yīng)于非線性系統(tǒng);無(wú)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(mǎn)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。基于此思想提出數(shù)字PID控制和無(wú)差拍控制技術(shù)相結(jié)合的控制策略[2]。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(guò)采樣電路采樣得到的輸出電壓和電流經(jīng)過(guò)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(guò)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(wú)溫漂、無(wú)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[3,4]。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

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(kāi)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[5,6]。

取x(t)=[uo(t) iL(t)]T為狀態(tài)變量,平均電壓ui(t)和負(fù)載電流為系統(tǒng)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(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(wú)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[7,8]。

2.2 電流內(nèi)環(huán)

內(nèi)環(huán)采用干擾無(wú)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(wú)差拍控制實(shí)現(xiàn)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(guò)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:

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(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(lái)確定具有更實(shí)際的價(jià)值。

2.4 PWM波的生成

通過(guò)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(kāi)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[9]:

Ton(k)=ui(k)ETS

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[10]:

主電路參數(shù):電感L=10 mH,電容C=20 μF,額定阻性負(fù)載R=50 Ω,開(kāi)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(kāi)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所示。

圖3 阻性負(fù)載下輸出波形

如圖4所示,無(wú)論在阻性負(fù)載還是在感性負(fù)載下,閉環(huán)PID控制和無(wú)差拍控制相結(jié)合控制策略下的逆變器輸出波形從諧波或動(dòng)態(tài)性能上都優(yōu)于普通的單環(huán)控制。負(fù)載如何變化,即使存在擾動(dòng)的情況下,都能很快地調(diào)節(jié)負(fù)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(yàn)證明,該次設(shè)計(jì)取得了預(yù)想的成果。

圖4 感性負(fù)載下輸出波形

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)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。

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