基于TMS320F2806三環(huán)電壓控制逆變電源

引言

逆變電源通常采用雙環(huán)或多環(huán)反饋控制，例如采用輸出濾波電感電流滯環(huán)和輸出電壓反饋構(gòu)成的雙閉環(huán)控制、采用電容電流滯環(huán)反饋方式的閉環(huán)控制、采用固定開關(guān)頻率電感電流反饋控制和采用固定開關(guān)頻率電容電流反饋控制等控制策略。對上述的控制策略，采用電流滯環(huán)瞬時控制的控制電路比較簡單，但是功率管開關(guān)頻率不固定，輸出電壓中的諧波頻率不固定，而且頻帶比較寬，輸出濾波器的設(shè)計比較困難。采用固定開關(guān)頻率瞬時值控制方案，其載波頻率固定，輸出電壓諧波成分為固定頻率段的諧波，輸出濾波器的設(shè)計易于實現(xiàn)。其中，電容電流反饋控制的逆變器抑制負(fù)載擾動能力強，能夠適應(yīng)非線性負(fù)載，但是難以實現(xiàn)過載和短路電流的限制。而采用電感電流反饋的逆變電源穩(wěn)定性好、抑制直流電壓擾動能力強，同時由于電感電流即為開關(guān)管電流，所以可以防止開關(guān)管過流。本文設(shè)計了一臺基于DSPTMS320F2806的電感電流內(nèi)環(huán)，輸出電壓瞬時值中環(huán)，輸出電壓平均值最外環(huán)反饋的5kVA逆變電源，取得了較好的控制效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為逆變器主電路結(jié)構(gòu)示意圖，主電路采用了半橋結(jié)構(gòu)(DC／AC)，逆變器輸出采用LC濾波。圖 2是本文提出的全數(shù)字控制逆變電源的結(jié)構(gòu)框圖，控制電路是以TI公司的電機控制專用DSP芯片TMS320F2806為核心的全數(shù)字控制器。模擬量的采集主要包括：直流側(cè)輸入電壓、直流側(cè)輸入電流、逆變輸出電壓、逆變輸出電流、散熱器溫度等。

采樣值經(jīng)調(diào)理電路處理后送入DSP的A／D接口，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后可作為系統(tǒng)過壓、欠壓、系統(tǒng)過流、過熱保護等的判斷依據(jù)。本系統(tǒng)采用軟件保護。當(dāng)有故障發(fā)生時，系統(tǒng)會自動封鎖PWM輸出信號，關(guān)斷IGBT管，并斷開繼電器。采用LEM公司的LTS25-NP電流霍爾傳感器進行電流的采樣，其采樣值準(zhǔn)確，溫漂很小。主電路開關(guān)管采用Epic的型號為F4-50R 12MS4的IGBT模塊。DSP的PWM模塊輸出的兩路PWM信號(PWM1A、PWM1B)，經(jīng)驅(qū)動電路之后驅(qū)動半橋的兩個IGBT管。

2 控制策略的選擇

1)雙閉環(huán)瞬時值反饋控制方案

基于輸出電感電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時值反饋策略是逆變電源常用的一種方法。在該控制策略中，濾波電感電流內(nèi)環(huán)對包含在環(huán)內(nèi)的擾動(△Ud)，如輸入電壓的波動、死區(qū)時間、電感參數(shù)的變化等影響能起到及時的調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)特性大大改善。該方案的控制框圖如圖3所示。

本系統(tǒng)采用SPWM的方法產(chǎn)生正弦輸出電壓，即PWM驅(qū)動脈沖通過三角波調(diào)制產(chǎn)生。對圖3所使示的電壓外環(huán)P調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為Kpv，電流內(nèi)環(huán)P調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為Kpi，Kpwm為脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)的等效增益，r為濾波電感的等效串聯(lián)電阻(可以忽略不計)。

其中Utri為三角載波峰值。

圖3系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

設(shè)Uref=Asin(ωt)，那么誤差為：

3 仿真和實驗結(jié)果

下面列出本文實驗過程中數(shù)字控制逆變電源的主要控制參數(shù)：

采樣頻率：fs：12kHz

濾波電感：L：0．66mH

濾波電容：C：10μF

母線電壓：Ud:700V

輸出電壓有效值：Uo：220V

開關(guān)頻率：fc：12kHz

首先進行系統(tǒng)的仿真研究，運用MATLAB的SIMU LINK工具箱對逆變電源系統(tǒng)進行仿真試驗，圖5為雙閉環(huán)瞬時值反饋控制的逆變電源仿真實驗波形。設(shè)置系統(tǒng)仿真時間為1．2s，在0．4s時突加負(fù)載，在0．8s時突卸負(fù)載。

經(jīng)仿真實驗驗證：電壓瞬時值外環(huán)的P調(diào)節(jié)器比例系數(shù)的增加，可以進一步減少靜態(tài)誤差，但是隨著比例系數(shù)的增大，控制系統(tǒng)的相位裕度減小，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。當(dāng)比例系數(shù)太小時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差又會增大。該仿真實驗中，輸出電壓幅值僅為278V，沒有達(dá)到指令電壓311V。

圖6為逆變電源含電感電流內(nèi)環(huán)的三環(huán)控制仿真實驗波形，設(shè)置系統(tǒng)仿真時間為1．2s，在0．4s時突加負(fù)載，在0．9s時突卸負(fù)載。與雙閉環(huán)控制方案的仿真結(jié)果對比可看出，系統(tǒng)在空載時輸出幅值為310V，具有很好的穩(wěn)態(tài)精度。輸出電壓有效值外環(huán)的加入明顯的提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。從阻性負(fù)載投載和卸載的仿真波形中可看到，在突加和突卸負(fù)載后，系統(tǒng)經(jīng)一個正弦波周期就可以達(dá)到穩(wěn)定，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出波形較好。

本系統(tǒng)控制芯片采用TI公司的TMS320F2806芯片，系統(tǒng)采用含電感電流內(nèi)環(huán)的三環(huán)控制方案。本系統(tǒng)在第K次采樣的數(shù)據(jù)在下一次(第K+1次)中斷中參與計算調(diào)節(jié)，即采樣值延遲一個中斷周期(83μs)，由于時間很短可以忽略不計。實際系統(tǒng)中，電感電流的采樣不能采用電流互感器，而應(yīng)采用霍爾電流傳感器；因為電流互感器無法檢測到電感電流中的直流分量，無法利用電流環(huán)的快速性，來消除輸出電流中直流分量帶來的負(fù)面影響，所以電感電流的檢測應(yīng)該采用霍爾電流傳感器。圖7為突加50°%額定負(fù)載的實驗波形圖。

從實驗結(jié)果可以看出，實驗波形與仿真波形比較吻合，逆變器具有較好的穩(wěn)態(tài)特性，說明了該控制方案取得了較好的效果。

4 結(jié)束語

本文總結(jié)了常用閉環(huán)瞬時控制方法的優(yōu)缺點，提出了基于TMS320F2806的數(shù)字三環(huán)控制逆變器的方案。輸出電壓有效值反饋環(huán)用來調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值，保證了穩(wěn)態(tài)精度；輸出電壓瞬時值反饋環(huán)使系統(tǒng)對擾動的響應(yīng)時間大大減少，保證了輸出電壓具有良好的正弦性；電感電流瞬時值反饋環(huán)使濾波電感上的電流能快速準(zhǔn)確地跟蹤電流指令，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性，改善了輸出電壓的品質(zhì)。

系統(tǒng)的控制方案的仿真和實驗結(jié)果表明，在空載和帶載的情況下，系統(tǒng)均可輸出穩(wěn)定優(yōu)良的正弦電壓波形。該數(shù)字化逆變電源設(shè)計實現(xiàn)更為簡便，精度較高，具有優(yōu)異的性能，可以達(dá)到甚至超過模擬雙環(huán)控制的效果。