无差拍控制的逆变电源

2万 · 2014-7-3 23:41

　　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。

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　　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。

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　　2．2 电流内环

　　内环采用干扰无差拍控制策略，结合离散化状态方程和系统主电路图分析结果，可以得到无差拍控制实现方法为：

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　可以通过采用一个二阶预估方法对负载电流io(k+1)进行预估有：

　　而iref(k+1)可从外环控制算法中得出。

　　2．3 电压外环

　　电压外环采用增量式PI算法，其差分方程可以表示为：

　　PI调节器性能的好坏取决于KP，KI的选取。PI参数可以从理论上算出，但是由于系统参数的扰动性，采用仿真调试的方法来确定具有更实际的价值。

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　　2．4 PWM波的生成

　　通过预估算法得到正弦参考电流iref(k)，再根据内环控制算法可以算出uI(k)，从而得到开关的控制时间，即PWM的脉冲时间，从kTS～(k+1)TS的采样间隔内，IGBT的导通时间为：

　　得到导通时间后，要进一步确定DSP中PWM输出寄存器的值。从而使DSP实现了对IGBT的通断时间的控制。

　　3 逆变器控制电路的仿真研究

　　搭建逆变器控制方法研究的仿真模型如下：

　　主电路参数：电感L=10 mH，电容C=20μF，额定阻性负载R=50 Ω，开关频率fS=1／Ts=10 kHz，直流电源电压E=310 V，输出电压有效值uo=220 V，频率f=50 Hz。