基于DSP實現(xiàn)的無差拍控制逆變器

隨著計算機以及各種精密自動化設(shè)備、電子設(shè)備被廣泛應用于通信、工業(yè)自動化控制、辦公自動化等領(lǐng)域, 逆變器作為UPS的重要組成部分，近年來得到了迅速展。對逆變器的控制成為研究重點，即要求其輸出波形穩(wěn)態(tài)精度高、總諧波畸變率低和動態(tài)響應快。目前，瞬時PID控制、重復控制等技術(shù)都在應用中占有重要地位。但這兩種技術(shù)都有難以克服的缺點，如瞬時PID控制難以實現(xiàn)數(shù)字化；重復控制的動態(tài)響應慢。美國著名控制理論專家卡爾曼于60年代初提出了數(shù)字控制的無差拍控制思想。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，80年代中期，無差拍控制被應用于逆變器控制，它具有瞬時響應快、精度高、THD小等特點，是一種優(yōu)秀的控制策略。

　　1 無差拍控制逆變器的控制原理

　　無差拍控制是一種通過狀態(tài)的數(shù)字瞬時反饋，利用微處理器的高速數(shù)值計算功能實現(xiàn)的全數(shù)字化控制方式。圖1為逆變器主電路，由逆變橋、LC濾波器和阻性負載組成。LCR可以由狀態(tài)方程表示：

　　2 無差拍控制逆變器的實現(xiàn)

　　德州儀器公司(Texas Instrument)開發(fā)的第三代數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor)TMS320F240系列具有16位高速定點運算功能。這種型號的數(shù)字信號處理器芯片具有如下優(yōu)點：

　　(1) 很高的處理速度。單指令執(zhí)行周期為50ns，即每秒可執(zhí)行兩千萬條指令。芯片內(nèi)有專用的16*16硬件乘法器，并設(shè)置有8級硬件堆棧和四級流水線處理結(jié)構(gòu)，極大地提高了對數(shù)字信號的處理速度。544kB的高速片內(nèi)雙向存取RAM使得片內(nèi)數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)高速傳送；

　　(2) 特有的并行結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的馮-諾依曼結(jié)構(gòu)中程序代碼和數(shù)據(jù)單元是統(tǒng)一編址的，而F240采用改進的Harvard結(jié)構(gòu)，程序區(qū)與數(shù)據(jù)區(qū)存儲單元是分開的，取指令和數(shù)據(jù)存取可同時進行。這樣使得處理速度進一步提高；

　　(3) 豐富的指令集提供了靈活的編程能力。不僅能實現(xiàn)各種算術(shù)和邏輯運算功能 ，而且能很方便地完成程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)之間的信息傳遞；

　　(4) 高度集成的內(nèi)部資源。芯片中嵌入了專用的事件管理器(Event Manager)，能很方便地捕獲事件中斷和輸出各種PWM波形。片內(nèi)還集成了A/D轉(zhuǎn)換器、串行通訊、I/O接口等外圍功能，因此十分容易構(gòu)造控制系統(tǒng)，而且極大地減少了硬件開銷。

　　由于具有上述優(yōu)點，DSP F240系列尤其適合實現(xiàn)數(shù)字化控制所需的實時化、高速處理的要求。其內(nèi)部資源包括:

　　(1) 三個獨立的16位硬件定時器，具有6種工作模式；輸出共有12路PWM脈沖，便于實現(xiàn)單相半橋、全橋和三相全橋（可設(shè)置死區(qū)，以及實施空間矢量PWM控制）的電力電子變換器控制；

　　(2) 具有三路外部硬件中斷和4個外部事件捕獲中斷（Capture），系統(tǒng)中有RESET復位中斷、掉電中斷PDPINT、非屏蔽中斷NMI等軟件資源，為系統(tǒng)的安全工作提供了保障，同時可以對特殊事件進行及時處理；

　　(3) 兩個獨立的10位精度A/D采樣轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部帶PLL鎖相環(huán)的時鐘單元，看門狗監(jiān)控單元Watchdog，串行同步口SPI和串行異步口SCI，28個可編程多路復用I/O口等 。

3 仿真與實驗結(jié)果

　　在理想狀態(tài)下，用MATLAB對無差拍控制半橋逆變器進行仿真。其電路參數(shù)為：L=1mH，C=20μF，開關(guān)頻率為10kHz。直流母線電壓E=300V，輸出50Hz，100V峰值交流 。其輸出波形如圖5所示。

實驗充分利用了TMS320F240的事件管理器功能和中斷，實現(xiàn)無差拍控制。圖3、圖7為控制主程序和中斷服務子程序的流程圖。主程序包括初始化(開放和設(shè)置相應中斷)、啟動檢測和軟啟動；T1周期中斷服務程序包括讀正弦表、系數(shù)計算和啟動母線電壓的檢測，如圖4。T2下溢中斷服務程序用來啟動UC、IC的檢測。A/D完畢中斷服務則用來處理母線電壓檢測完畢后的數(shù)據(jù)存儲和UC、IC檢測完畢后ΔT的計算，如圖6。圖8是中斷服務程序的時序分布圖，1、3分別是T1周期中斷服務程序和T2下溢中斷服務程序；2、4是A/D完畢中斷服務程序的兩次響應。其中，1、3相差50μs (0.5T)，1、2和3、4相差7μs (A/D轉(zhuǎn)換所需的時間)。圖9和圖10是逆變器的輸出波形及其各次諧波所占的比例。根據(jù)圖10可計算其諧波畸變率為0.8%。