基于DSP的逆變器重復(fù)控制器的設(shè)計
開關(guān)電源正朝著高效率、高穩(wěn)定度、高功率密度、低污染、模塊化發(fā)展。各種新型的拓撲電路和技術(shù)也得到了應(yīng)用。諧振和軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用也使得電源功率密度得以提高。電源控制上,控制電路、驅(qū)動電路、保護電路采用集成組件減小了電源的設(shè)計難度。高速微處理器DSP (Digital Signal Processing數(shù)字信號處理器)的出現(xiàn),使得數(shù)字控制技術(shù)實時性障礙得以克服,控制采用全數(shù)字化,簡化了硬件電路,提高了控制精度,也使得先進的控制方式成為可能。
比例積分控制、滑??刂坪湍:刂频榷际峭ㄟ^提高系統(tǒng)的動態(tài)控制特性的方法抑制干擾、改善輸出波形的。這些方法對負載突變時的波形控制效果顯著,但是對于周期性擾動,比如整流型負載,它們的控制效果并不理想。然而重復(fù)控制是通過對前一周期或多個周期的波形處理,利用所得到的結(jié)果對當(dāng)前的控制進行校正,并且能夠獲得很好的波形控制效果。因此重復(fù)控制現(xiàn)在越來越受到人們的重視。
本文提出一種重復(fù)控制的控制方案,利用重復(fù)控制器來跟蹤周期性參考指令信號,減小輸出電壓諧波,同時電流環(huán)控制改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。并根據(jù)該控制方案,設(shè)計和調(diào)試了一臺基于DSPTMS320I~F2407A控制的單相1kW逆變器,仿真和實驗結(jié)果均驗證了該方案的良好性能。
1 重復(fù)控制的基本理論
重復(fù)控制是基于內(nèi)模原理的一種控制思想。它的內(nèi)模數(shù)學(xué)模型描述的是周期性的信號,因而使得閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠無靜差地跟蹤周期信號。單一頻率的正弦波是典型的周期信號,它的數(shù)學(xué)模型為
那么只要在控制器前向通道串聯(lián)上與輸入同頻率的正弦信號,就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差跟蹤。重復(fù)控制也多用數(shù)字控制方式。離散后的重復(fù)控制內(nèi)模為:
式中:N為一個周期的采樣次數(shù)
基于內(nèi)模原理的理想重復(fù)控制系統(tǒng)的前向通道上含有一個周期性延時環(huán)節(jié),不可避免它會導(dǎo)致動態(tài)性能較差。到目前為止,要實現(xiàn)高性能的控制效果,最為有效的方法有如下兩種:一是直接重復(fù)控制,引入前饋,通過前饋提高動態(tài)響應(yīng),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示;二是嵌入式重復(fù)控制,它在重復(fù)控制器側(cè)加入PI調(diào)節(jié)器,通過PI調(diào)節(jié)來提高動態(tài)性能,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
理想重復(fù)控制器Q(z)=l,當(dāng)擾動的角頻率ωd是輸入信號角頻率ωr的整數(shù)倍,即ωd=nωr時,可以得到z-N=1,就是說,理想的重復(fù)控制器可以消除任意次諧波,可以對小于采樣頻率的1/2下的任意次諧波進行無差跟蹤。所以本文中提出的控制器通過重復(fù)內(nèi)模來抑制周期性干擾,實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)特性,PI控制提供動態(tài)補償,該控制器兼顧了PI經(jīng)典控制設(shè)計簡單,實現(xiàn)方便的優(yōu)點,同時彌補了重復(fù)控制單周期延時的缺點。
2 逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計
圖3為基于DSP的逆變器系統(tǒng)控制方案的示意圖,如果系統(tǒng)引入電感電流內(nèi)環(huán),不僅可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性,還能適當(dāng)降低諧振峰值。因此,在重復(fù)控制電壓外環(huán)的內(nèi)部加入電流內(nèi)環(huán),構(gòu)成重復(fù)控制雙環(huán),可以增加重復(fù)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,還能降低補償器設(shè)計難度。
圖4是數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)模擬部分主要是功率電路和接口電路,數(shù)字部分。接口電路是設(shè)計時需要特別考慮的,它需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換(A/D,D/A),針對不同的A/D,還需要特別設(shè)置電平轉(zhuǎn)換電路。而門極驅(qū)動電路不僅要提供足夠的能量以驅(qū)動功率模塊,還需要隔離,以保護數(shù)字芯片。最后通過數(shù)字部分的編程,實現(xiàn)數(shù)字控制。
根據(jù)內(nèi)模原理,重復(fù)控制設(shè)計的基礎(chǔ)是受控系統(tǒng)穩(wěn)定,然后加入重復(fù)內(nèi)模,以獲得周期性輸入或干擾的無靜差特性。設(shè)計重復(fù)控制系統(tǒng)需要知道受控系統(tǒng)的精確模型,這樣才能設(shè)計出滿足穩(wěn)定域關(guān)系的補償器。加入重復(fù)控制器后的系統(tǒng)如圖5所示。
圖5中T是基波周期;S(s)為需要設(shè)計的補償器;Gp(s)為受控系統(tǒng)的平均模型,即式(3)。
為簡化分析,忽略濾波電感等效串聯(lián)電阻rL和濾波電容等效串聯(lián)電阻rc,將Kvf,Utr、Ud恒定增益環(huán)節(jié)視為單位增益,可以得到簡化為單位反饋的逆變器平均模型,即
由圖3可以獲得重復(fù)控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為
由于純延時環(huán)節(jié)e-Ts的存在,模擬上難于實現(xiàn),需要將其離散化,從而采用離散系統(tǒng)的分析方式。其中e-Ts=z-N,N為一個基波內(nèi)的采樣次數(shù)。Q是用于改善重復(fù)控制器內(nèi)模臨界穩(wěn)定特性的,可以是一個略小于l的參數(shù)或低通濾波器,常數(shù)型Q和函數(shù)型的對比,函數(shù)型在低頻段具有更高的增益,穩(wěn)態(tài)特性將更加理想,不過也能看出它會引入相移,因此,需要再針對它設(shè)計相位補償,設(shè)計不好,系統(tǒng)有可能不穩(wěn)定,反而達不到預(yù)期的穩(wěn)定性補償效果,因此,在通常的設(shè)計中,常選擇常數(shù)性Q=0.95作簡化設(shè)計。
3 實驗結(jié)果
基于前面的理論分析,設(shè)計了一臺基于DSPTMS320LF2407A控制的單相1kW逆變器,控制算法均由DSP編程實現(xiàn),逆變器由單相全橋電路構(gòu)成,開關(guān)管工作頻率為20kHz,并通過LC濾波器輸出交流電壓。逆變器控制系統(tǒng)根據(jù)前述的瞬時控制結(jié)構(gòu)結(jié)合重復(fù)控制策略進行設(shè)計。
從實驗結(jié)果可以看出,逆變器采用本文的控制系統(tǒng),穩(wěn)態(tài)輸出波形質(zhì)量好,總諧波畸變率小。在線性和非線性負載條件下均保持了高性能的輸出效果,系統(tǒng)同時得到了滿意的穩(wěn)態(tài)輸出波形和動態(tài)效果。
4 結(jié)語
本文分析了基于DSP的重復(fù)控制策略在數(shù)字化正弦波逆變電源系統(tǒng)中的應(yīng)用,提出了一種基于電感電流反饋控制和電壓重復(fù)控制的復(fù)合控制策略。該策略吸取了電流環(huán)瞬時控制和重復(fù)控制的長處,克服了它們各自的不足,使系統(tǒng)得到了較為理想的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性。實驗結(jié)果證明,本文提出的基于重復(fù)控制的逆變器控制系統(tǒng)是一種實用的正弦波逆變電源控制方案,并能達到高性能的控制效果。
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