利用DSP實現的無差拍控制逆變器設計方案

利用DSP實現的無差拍控制逆變器設計方案

美國著名控制理論專家卡爾曼于60年代初提出了數字控制的無差拍控制思想。隨著電力電子技術的發展，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，是一種優秀的控制策略。

目前，瞬時PID控制、重復控制等技術都在應用中占有重要地位。但這兩種技術都有難以克服的缺點，如瞬時PID控制難以實現數字化；重復控制的動態響應慢。

?隨著計算機以及各種精密自動化設備、電子設備被廣泛應用于通信、工業自動化控制、辦公自動化等領域, 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態精度高、總諧波畸變率低和動態響應快。

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的數字瞬時反饋，利用微處理器的高速數值計算功能實現的全數字化控制方式。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可以由狀態方程表示：
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??? 在逆變器系統中，Uin是逆變橋的輸出，是一個中間變量；只有脈寬ΔT才是原始的控制量。并且，逆變器主電路可以認為是一種數?；旌想娐?，因而利用離散變量狀態方程可以更方便的分析。對于圖1所示電路，Uin可以是單極性，也可以是雙極性的 。若Uin為圖2所示雙極性，則可將式(1)離散化^{［1］［2］：}

??? 式(2.a)和(2.b) 分別對應圖2的(a)、(b)。分別取矩陣方程(2.a)和(2.b)的第一行，并令，U?C(K+1)=U?*?C(K+1)，U?*?C為參考正弦，則所需脈寬可相應計算 。那么，在每個開關周期的開始，必須先檢測U?C、I?C(母線電壓E的變化較小，不必精確按時檢測)，然后計算ΔT。因此，在實際系統中，通常需要三個傳感器和A/D轉換器檢測直流母線電壓、輸出電壓和濾波電容電流。由于A/D轉換和計算都需要一定的時間，因此ΔT的最大值受到限制。從圖2可知，若輸出為正時，采用圖2a，則ΔT≤0.5T。所以，存在足夠的(T-ΔT)/2時間用于采樣和計算。

??? 普通PWM逆變器在空載和滿載時，它的輸出相位有較大的差異，這是因為逆變橋的輸出相位雖與給定正弦同相，但是LC濾波器的相移與負載有關。無差拍控制逆變器的輸出相位基本不變，它通過調節逆變橋的輸出相位來彌補LC濾波器的相位延時。

2 無差拍控制逆變器的實現

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

　　(1) 很高的處理速度。單指令執行周期為50ns，即每秒可執行兩千萬條指令。芯片內有專用的16*16硬件乘法器，并設置有8級硬件堆棧和四級流水線處理結構，極大地提高了對數字信號的處理速度。544kB的高速片內雙向存取RAM使得片內數據能夠實現高速傳送；

　　(2) 特有的并行結構。傳統的馮-諾依曼結構中程序代碼和數據單元是統一編址的，而F240采用改進的Harvard結構，程序區與數據區存儲單元是分開的，取指令和數據存取可同時進行。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。不僅能實現各種算術和邏輯運算功能 ，而且能很方便地完成程序區和數據區之間的信息傳遞；

　　(4) 高度集成的內部資源。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。片內還集成了A/D轉換器、串行通訊、I/O接口等外圍功能，因此十分容易構造控制系統，而且極大地減少了硬件開銷。

??? 由于具有上述優點，DSP F240系列尤其適合實現數字化控制所需的實時化、高速處理的要求。其內部資源包括:

　　(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，便于實現單相半橋、全橋和三相全橋（可設置死區，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采樣轉換器，內部帶PLL鎖相環的時鐘單元，看門狗監控單元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 。

??? 從上述內部資源可見，TMS320F240系列的DSP在控制系統設計時不需要太多的硬件開銷，從而也提高了系統的可靠性。

3 仿真與實驗結果

??? 在理想狀態下，用MATLAB對無差拍控制半橋逆變器進行仿真。其電路參數為：L=1mH，C=20μF，開關頻率為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U_C、I_C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據存儲和U_C、I_C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。根據圖10可計算其諧波畸變率為0.8%。

參考文獻

1 Gokhale K P, Atsuo Kawamura，Hoft R G． Deadbeat Microprocessor Control of PWM Inverter for sinusoidal Output Waveform Synthesis．IEEE-PESC’85．28～36

2 Hua Chihchiang．Two-Lever Switching Pattern Deadbeat DSP Controlled PWM Inverter． IEEE Trans. Power Electron．1995，10(3)：310～317

3 Yasuhiko Miguchi, Atsuo Kawamura and Richard G.Hoft．Optimal Pole Assignment for Power Electronic Systems．IEEE-PESC’85.74～88