基于DSP和增量式PI電壓環(huán)控制的逆變器研究

摘要：研究了一種基于數(shù)字控制的逆變器，該方案采用電壓瞬時(shí)值環(huán)控制，以提高輸出穩(wěn)定性，同時(shí)兼顧輸出動態(tài)性能。反饋電路中采用增量式PI法則，并對PI增量及PI輸出進(jìn)行限幅控制,避免因誤擾動造成輸出的不穩(wěn)定，進(jìn)一步確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性與動態(tài)性能。采用TMS320LF2407A來實(shí)現(xiàn)算法，并進(jìn)行了一個輸出最大值為200V，輸出功率為500W的逆變器實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：逆變器；電壓環(huán)控制；增量式PI；DSP控制

0 引言

目前，逆變器應(yīng)用最為廣泛的PWM技術(shù)中，SPWM控制具有很多優(yōu)點(diǎn)。其控制技術(shù)主要有電壓瞬時(shí)值單環(huán)反饋、電流瞬時(shí)值單環(huán)反饋、電壓電流雙環(huán)反饋環(huán)控制及電壓空間矢量控制。電壓環(huán)使系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性，瞬時(shí)值反饋則增強(qiáng)系統(tǒng)的動態(tài)性能[1]。電壓環(huán)采用PI控制，其中比例環(huán)節(jié)及時(shí)反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差；積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。相對于位置式控制，增量式控制誤動作影響小，必要時(shí)可以用邏輯判斷的方法去掉；且手動/自動切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無擾動切換；同時(shí)其算式中不需要累加，比較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果[2]。

相對于數(shù)字控制，傳統(tǒng)的模擬控制已暴露諸多缺點(diǎn)：需要大量的分立元器件和電路板，制造成本比較高；大量的模擬元器件使其之間的連接相當(dāng)復(fù)雜；模擬器件的老化問題和不可補(bǔ)償?shù)臏仄瘑栴}，以及易受環(huán)境干擾等因素都會影響控制系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。隨著微處理器的可靠性與質(zhì)量的不斷提高，數(shù)字控制已經(jīng)在逆變控制中占據(jù)著主導(dǎo)地位[3]，本文提出了一種基于DSP控制的方案。

1 逆變器建模

單相全橋逆變器如圖1所示，E為輸入直流電壓，S₁～S₄為開關(guān)管，L為濾波電感，r為電感等效內(nèi)阻，C為濾波電容，R為負(fù)載。

圖1 單相全橋逆變器

將電感用L_s表示，電容用1/C_s表示，可推導(dǎo)出輸出電壓V_o（s）與AB兩點(diǎn)間電壓V_i（s）之間的傳遞函數(shù)G（s）如式（1）所示。

G（s）==（1）

忽略電感等效內(nèi)阻，則式（1）可簡化為

G（s）=（2）

在一個開關(guān)周期中，當(dāng)S₁及S₄導(dǎo)通時(shí)，v_i為－E；當(dāng)S₂及S₃導(dǎo)通時(shí)，v_i為E。由于開關(guān)頻率與輸出頻率相比為400，故一個開關(guān)周期中可以用平均值代替瞬時(shí)值。

v_i=ED＋(－E)(1－D)=(2D－1)E（3）

本方案采用雙極性SPWM，故

D=（4）

式中：v_m為正弦波信號，v_m=V_msinωt；

V_tri為三角載波峰值。

則調(diào)制比M為

M=（5）

將式（5）代入式（3）可得

v_i≈（6）

轉(zhuǎn)化為頻域有

（7）

由式（7）與式（1）可得式（8）

（8）

此即逆變器輸出傳遞函數(shù)，由此可得逆變器的等效框圖如圖2所示。

圖2 逆變器等效框圖