使用DSP无差拍控制的逆变电源研究与设计

　　引 言

　　随着科学技术发展，各种产品性能的提升，DSP越来越多在各个器件上的应用。DSP是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。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，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。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

　　DSP2812功能比单片机强大的多，TMS320F2812 是美国TI 公司推出的C2000 平台上的定点32 位DSP 芯片，适合用于工业控制，电机控制等，用途广泛，应该相当于单片的升级版。运行时钟也快可达150MHz，处理性能可达150MIPS，每条指令周期6.67ns。IO口丰富，对用户一般的应用来说足够了。两个串口。具有12位的0~3.3v的AD转换等。具有片内128k×16位的片内FLASH，18K ×16 位的SRAM，一般的应用系统可以不要外扩存储器。具体的指标你可以查阅相关的数据文档。单片机电源是5v。dsp2812的内核1.8v供电，IO是3.3v供电。单片机有贴片或DIP，2812的引脚根据封装的不同有176脚的LQFP, 179脚的MicroStar BGA。

　　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。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，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。

　　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。

　　该逆变器采用容量为400VA的工频变压器，铁芯采用45×60mm2的硅钢片。初级绕组采用直径1.2mm的漆包线，两根并绕2×20匝。次级取样绕组采用0.41mm漆包线绕36匝，中心抽头。次级绕组按230V计算，采用0.8mm漆包线绕400匝。开关管VT4～VT6可用60V/30A任何型号的N沟道MOS FET管代替。VD7可用1N400X系列普通二极管。该电路几乎不经调试即可正常工作。当C9正极端电压为12V时，R1可在3.6～4.7kΩ之间选择，或用10kΩ电位器调整，使输出电压为额定值。如将此逆变器输出功率增大为近600W，为了避免初级电流过大，增大电阻性损耗，宜将蓄电池改用24V，开关管可选用VDS为100V的大电流MOS FET管。

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

　　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：

　　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，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。

　　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：　　

　　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：

　　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：

　　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，IGBT的导通时间为：

　　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：

　　主电路参数：电感L=10 mH，电容C=20μF，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、4所示。

　　4 结 语

　　如同上文所述，逆变器在工作时其本身也要消耗一部分电力，源逆变也有无源逆变。比如说直流电压，经过一个简单的单相H型晶闸管桥，H的横就是那个输出，H的竖线上各有四个晶闸管，编号上12，下34，则分别开通14和23就得到正负相隔的输出电压和电流了。逆变器的效率即是逆变器输出功率与输入功率之比。