基于DSP无差拍控制的逆变电源研究

1万 · 2014-5-12 23:34

　引言

　　随着高性能DSP控制器的出现，采用数字化控制的UPS电源已成为现在研究的热点。基于DSP实现的数字双闭环控制能有效提高电源系统的抗干扰能力，降低噪声，提高效率和可靠性，进一步有利于电源的智能化管理、远程维护和诊断。在逆变器的多种控制策略中，重复控制技术能有效消除非线性负载和干扰引起的波形畸变；滑模变结构控制方法能使系统运行于一种滑动模态，能保证系统的鲁棒性；模糊控制和神经网络控制等智能控制不依赖控制对象的数学模型，适应于非线性系统；无差拍控制能够瞬时控制电压，对负载有很强的适应能力，有输出总谐波畸变少，损耗少等优点； PID控制简单，并具有好的可靠性；新型数字化PID控制更能取得满意的控制效果。各种控制策略各有优缺点，如果能把其中的两种或几种控制技术结合运用，将取得更好的输出特性。基于此思想提出数字PID控制和无差拍控制技术相结合的控制策略。理论和实践证明，该方法具有广泛的应用前景。

　　1 系统结构设计

　　该系统选用的TMS320F2812芯片是TI公司的TMS320C28x系列中的一种，其指令执行速度快，从而可以在此基础上实现复杂的控制算法，优化系统的输出特性。

　　基于该芯片的逆变电源系统框图如图1所示。整个系统由AC／DC，DC／DC，DC／AC，以及滤波电路和其他辅助电路构成。其中，DC／AC逆变器部分是整个系统的重要组成，逆变器采用单相全桥逆变电路，适应大功率场合。通过采样电路采样得到的输出电压和电流经过DSP的A／D转换器转换成数字信号，作为数字控制器的反馈信号，经与给定输出信号比较后，再经过控制算法调节器和脉宽调制器得到SPWM波控制IGBT功率管的通断，从而改变输出电压的值，使其与给定输入电压相等。给定参考电压由软件方式实现，因此信号稳定无温漂、无干扰。这种控制方法在负载变化较快时仍然能保证输出电压不发生畸变。

1万 · 2014-5-12 23:35

　　2 逆变器控制方案及其参数设计

　　2．1 逆变器建模及其控制策略研究

　　如图2所示，图中iL为电感电流；iC为电容电流；io为负载电流；uo为输出电压；R为逆变器负载电阻，VS1～VS4为逆变控制开关；r为电路阻尼电阻；L，C组成LC滤波器；E为逆变器输入直流电源。

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　取x(t)=[uo(t)iL(t)]T为状态变量，平均电压ui(￡)和负载电流为系统输入，则主电路的状态方程为：

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　式中：TS为采样周期；ω0为二阶LC滤波器的谐振角频率。由此得出的电压电流离散化状态方程为：

　　针对该逆变器所设计研究的控制方法：采用双闭环控制算法调节系统的动静态特性，内环采用无差拍控制方法，是一种能够瞬时控制电压的有效手段，对负载具有很强的适应能力，尤其对非线性负载，输出波形失真小，可以改善系统的动态响应特性；外环采用瞬时值的数字PI算法，输出电压的瞬时值信号直接反馈，与参考正弦电压比较，使输出电压稳定在设定值上，并抑制输出电压的畸变。两种控制算法能互相弥补各自控制上的不足，使系统得到较好的控制效果。