基于DSP无差拍控制的逆变电源研究

全晓明,申群太

摘 要:随着高性能数字信号处理器的广泛应用,传统模拟控制的逆变技术被数字化电源取代已成为必然趋势。逆变电源因非线性负载等因素引起的干扰,采用常规控制难以获得理想的控制效果。提出一种基于DSP实现的PI控制和无差拍控制方法相结合的数字双闭环控制方法。逆变器控制电路的电流内环采用优化了的数字PI控制方法;电压外环采用干扰预测型无差拍控制方法。该方案将无差拍控制的瞬时响应快,精度高和PI控制简单,参数易整定,鲁棒性好等优点相结合,能够得到更优的控制效果。最后的仿真试验表明,采用数字双闭环控制方法的逆变器具有输出波形好,响应快和负载适应能力强等优点。

关键词:逆变器;双闭环控制;无差拍控制;DSP

中图分类号:TP274文献标识码:A

文章编号: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

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[1]。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[2]。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[3,4]。

图1 系统整体框图

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[5,6]。

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

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]

离散化状态方程,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:

uo(k+1)=Φ11uo(k)+Φ12iL(k)+Γ11ui(k)+

Γ21io(k)

iL(k+1)=Φ21uo(k)+Φ22iL(k)+Γ12ui(k)+

Γ22io(k)

图2 逆变器等效电路及其控制策略框图

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[7,8]。

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:

ui(k+1)=Γ12iref(k+2)-Φ22Γ12iref(k+1)-

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

Φ21Φ12Γ12iL(k)-Γ22Γ12io(k+1)

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:

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

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:

Δu(k)=KP[(uref(k)-uref(k-1)]-[uo(k)-

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

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。

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[9]:

Ton(k)=ui(k)ETS

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[10]:

主电路参数:电感L=10 mH,电容C=20 μF,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。

逆变器的主电路由直流稳压电源模块、全桥开关管模块、LCR模块、电压、电流测量模块、信号输入模块等部分组成;电压外环采用Simulink模块库中的PI离散控制模块;电流内环采用S函数子模块。仿真结果如图3所示。

图3 阻性负载下输出波形

如图4所示,无论在阻性负载还是在感性负载下,闭环PID控制和无差拍控制相结合控制策略下的逆变器输出波形从谐波或动态性能上都优于普通的单环控制。负载如何变化,即使存在扰动的情况下,都能很快地调节负载电压和电流波形,输出稳定的波形,而且谐波失真度低。试验证明,该次设计取得了预想的成果。

图4 感性负载下输出波形

4 结 语

通过分析对在不同负载和不同环境下逆变电路的输出电压和电流波形,可以肯定该控制方法的可行性和优越性。

参考文献

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