基于DSP重复控制技术在单相逆变电源系统中的应用

　　本文介绍了重复控制理论，为了改善逆变器波形质量，提出了一种基于改进型重复控制的单相逆变器系统的设计。采用DSP实现了数字闭环控制方案，设计和调试了一台基于DSPTMS320I“F2407A控制的单相1kW逆变器，仿真和实验结果均验证了该方案的良好性能。实验结果证明带重复补偿的逆变系统波形质量好，高，输出电压波形畸变率小；该控制系统既有较好的稳态性能，又有较快的响应速度。

　　1  单相全桥逆变器的数学模型

　　单相逆变器主电路如图1所示[2],图中T1、T2、T3、T4是功率开关管，滤波电感L与滤波电容C构成低通滤波器，Rr为考虑滤波电感L的等效串联电阻、死区效应、开关管导通压降、线路电阻等逆变器中各种阻尼因素的综合等效电阻。

　　Ud为直流母线电压，u1为逆变桥输出电压，uo为逆变器输出电压，i1为流过滤波电感的电流，io代表负载电流。

　　

　　图1 单相全桥逆变器的主电路原理图

　　设主电路中的各元件为理想元器件，忽略开 关管在开关过程中的损耗，忽略开关纹波，则可将开关电路视为电压放大器，逆变器的动态特性主要由LC滤波特性决定，取u0作为输出，u1作为输入，由图1可得逆变器的传递函数为：

　　

　　由（3）可见，系统空载时传递函数是一阻尼很小的系统，其频率特性如图2所示，由图可见，系统空载时的谐振峰值超过了20 dB,稳定裕度很小。高谐振峰值的存在降低了系统的相位裕量，对系统稳定性不利，在选择控制策略时首先要提高系统的相对稳定性，改善系统的小阻尼。

　　2  重复控制的基本理论

　　重复控制是基于内模原理的一种控制思想。它的内模数学模型描述的是周期性的信号，因而使得闭环控制系统能够无静差地跟踪周期信号。单一频率的正弦波是典型的周期信号，它的数学模型为：

　　

　　那么只要在控制器前向通道串联上与输入同频率的正弦信号，就可以实现系统的无静差跟踪。重复控制也多用数字控制方式。离散后的重复控制内模为：

                     　　

　　式中：N为一个周期的采样次数

　　基于内模原理的理想重复控制系统的前向通道上含有一个周期性延时环节，不可避免它会导致动态性能较差。到目前为止，要实现高性能的控制效果，为有效的方法有如下两种：一是直接重复控制，引入前馈，通过前馈提高动态响应，其系统结构如图1所示；二是嵌入式重复控制，它在重复控制器侧加入PI调节器，通过 PI调节来提高动态性能，其系统结构如图2、3所示。

图2 直接重复控制系统框图

图3 嵌入式重复控制系统框图　　

　　理想重复控制器Q（z）=l,当扰动的角频率ωd是输入信号角频率ωr的整数倍，即ωd=nωr时，可以得到z-N=1,就是说，理想的重复控制器可以消除任意次谐波，可以对小于采样频率的1/2下的任意次谐波进行无差跟踪。所以本文中提出的控制器通过重复内模来抑制周期性干扰，实现稳态特性，PI控制提供动态补偿，该控制器兼顾了PI经典控制设计简单，实现方便的优点，同时弥补了重复控制单周期延时的缺点。

　　3  逆变器控制系统设计

　　图4为基于DSP的逆变器系统控制方案的示意图，如果系统引入电感电流内环，不仅可以增加系统的稳定性，还能适当降低谐振峰值。因此，在重复控制电压外环的内部加入电流内环，构成重复控制双环，可以增加重复控制系统的稳定性，还能降低补偿器设计难度。

　　

图4 基于DSP的逆变器系统控制图

　　系统模拟部分主要是功率电路和接口电路，数字部分。接口电路是设计时需要特别考虑的，它需要实现数据的转换（A/D,D /A），针对不同的A/D,还需要特别设置电平转换电路。而门极驱动电路不仅要提供足够的能量以驱动功率模块，还需要隔离，以保护数字芯片。通过数字部分的编程，实现数字控制。

　　4  重复控制器设计

　　

图5 基于重复控制的逆变电源控制图

　　图5为基于重复控制的逆变电源控制方案，图中应用改进型重复控制内模结构，重复控制器内模设计主要是对Q（z）的选取，它的选取应考虑到系统的稳定性和收敛性，一般Q（z）可以是一个低通滤波器，也可以简单地取为一个略小于1的常数，以减弱积累的效果。但取低通滤波器实现起来比较复杂，根据经验设计一般取Q（z）=0.98[5].补偿器S（z）用以改造被控对象的特性，以保证系统稳定等，通常选为二阶滤波器；相位补偿环节zk（k 为超前步长），它是用于S（z）和控制对象所带来的总相位滞后，它使控制器按上一周期的误差信息在下一周期提前k拍发出校正量；比例系数Kr 是用来终确定校正量的幅值，取值为10≤≤rK;P（z）为控制对象的传递函数。

　　5  结论

　　本文介绍了重复控制理论，并将它用于逆变器设计中，给出了一种基于重复控制的逆变器的数字控制策略，结合实验系统详细介绍了控制器的设计方法，在此基础上应用TMS320LF2407作为主控芯片，研制了全数字实验系统，进行了实验验证，实验证明各种负载时输出电压稳态误差小，高。突加负载时系统响应快，电压变化率小，输出电压能保持较好的正弦度。实验验证了本设计的正确性，本系统有较好的应用前景。