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《基于dsp控制的全數(shù)字ups逆變器設(shè)計(jì)》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。
1、基于DSP控制的全數(shù)字UPS逆變器設(shè)計(jì)言超,吳燮華(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江杭州310027)摘要:功率變換器的數(shù)字化實(shí)時(shí)控制是電力電子技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。提出了一種新型的基于電感電流模式的雙環(huán)數(shù)字控制器,給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)字控制器設(shè)計(jì)的正確性。關(guān)鍵詞:數(shù)字控制;電感電流模式;雙環(huán)控制圖1UPS逆變器結(jié)構(gòu)框圖1引言隨著信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展,尤其是計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和Internet的迅猛發(fā)展,供電系統(tǒng)的可靠性要求越來(lái)越高,因此對(duì)不間斷電源(UPS)技術(shù)指標(biāo)的要求也越來(lái)越高。UPS的核心部分是一個(gè)恒頻
2、恒壓逆變器,由于傳統(tǒng)模擬控制需要使用大量的分立元器件,老化和溫漂嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性?;贒SP的數(shù)字控制技術(shù)能大大改善產(chǎn)品的一致性,同時(shí)增加了控制的柔性,提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[1]。本文主要提出了一種數(shù)字控制的UPS逆變器結(jié)構(gòu),詳細(xì)論述了控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1是本文提出的數(shù)字控制UPS逆變器的結(jié)構(gòu)框圖。主電路采用了全橋結(jié)構(gòu),控制電路是以TI公司的電機(jī)控制專用DSP芯片TMS320F240為核心的全數(shù)字控制器[2]。Lf和Cf為逆變器的輸出濾波電感和濾波電容,rL和rC分別為濾波元件的串聯(lián)寄生電阻??紤]
3、到控制的精確性和產(chǎn)品的成本,控制系統(tǒng)采用了電阻取樣,主功率電路與控制電路共地的系統(tǒng)控制方法。Rs1和Rs2為輸出電壓取樣電阻,Rc為電感電流取樣電阻。電壓和電流取樣信號(hào)通過(guò)采樣網(wǎng)絡(luò),輸入到DSP的A/D轉(zhuǎn)換口。DSP的PWM模塊輸出4路PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路之后驅(qū)動(dòng)4個(gè)IGBT管。3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1數(shù)字雙環(huán)控制器結(jié)構(gòu)逆變器的控制有許多方案[3],本文的UPS逆變器采用了電感電流模式的數(shù)字雙環(huán)PI控制方法,具體的逆變器數(shù)字控制框圖如圖2所示。圖中的虛線框內(nèi)部分為逆變器的主電路,Vref為存儲(chǔ)在DSP程序空間內(nèi)的正弦波數(shù)據(jù)表,VAB
4、為逆變橋兩橋臂中點(diǎn)間的電圖2逆變器雙環(huán)數(shù)字控制框圖圖3電流內(nèi)環(huán)簡(jiǎn)化框圖圖4電壓外環(huán)簡(jiǎn)化框圖壓。為了抑制反饋量中的高頻噪聲,提高采樣的精確性,反饋通道中增加了阻容低通濾波器。電壓誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字PI調(diào)節(jié)之后的輸出作為電流環(huán)的指令,電流誤差信號(hào)再經(jīng)過(guò)比例調(diào)節(jié)得到電流環(huán)輸出。電流環(huán)輸出與定時(shí)器產(chǎn)生的三角波比較后得到四路門極脈沖。3.2電流環(huán)和電壓環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)圖3為簡(jiǎn)化的電流內(nèi)環(huán)框圖,Zoh為零階保持環(huán)節(jié),它的s域傳遞函數(shù)為:Gh(s)=,其中Ts為采樣周期。本文設(shè)計(jì)的電壓和電流采樣周期均為50μs。電流環(huán)的開(kāi)環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為:GC(z)=
5、Z=(忽略了電感的串聯(lián)電阻rL),它的閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程為:1+KC·=0,根據(jù)無(wú)差拍控制原理,令特征根為0,得到KC=。圖4為簡(jiǎn)化的電壓外環(huán)控制框圖。其中為電壓外環(huán)數(shù)字PI控制器脈沖傳遞函數(shù)的一般形式,K1-K2=KITs,KI為積分系數(shù)。由于上面設(shè)計(jì)的電流內(nèi)環(huán)的跟蹤速度遠(yuǎn)快于電壓外環(huán),在設(shè)計(jì)電壓外環(huán)時(shí),作如下合理的簡(jiǎn)化:設(shè)電感電流已經(jīng)能夠跟蹤指令電流,這樣可以假設(shè)電流內(nèi)環(huán)為一個(gè)單位比例環(huán)節(jié)1,從而得到電壓外環(huán)的開(kāi)環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為:Gv(z)=··(忽略了電容的串連電阻rC),其閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程為:··+1=0。同樣根
6、據(jù)無(wú)差拍控制原理,令特征根為0,得到K2=,K1可以為任意常數(shù)。根據(jù)K1和K2的關(guān)系并結(jié)合仿真的方法可以確定K1。在上面的控制參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中,均采用了單位反饋的簡(jiǎn)化方框圖,實(shí)際線路的反饋通道上肯定會(huì)有比例環(huán)節(jié),因此在上述設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,還要根據(jù)實(shí)際的反饋比例變換控制方框圖,得到最終的控制環(huán)節(jié)參數(shù)。3采樣控制時(shí)序設(shè)計(jì)圖5是本文提出的一種采樣控制時(shí)序示意圖。t0-t4為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期,由于采用了倍頻單極性的正弦波脈寬調(diào)制方法,輸出濾波電感的脈動(dòng)頻率是開(kāi)關(guān)頻率的兩倍,這樣可以縮小濾波元件的體積。在定時(shí)器周期中斷的t1時(shí)刻,同時(shí)啟動(dòng)兩路A/D
7、轉(zhuǎn)換器,進(jìn)行電壓和電流反饋量的采樣,t2時(shí)刻A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束,立即進(jìn)行雙環(huán)控制算法的執(zhí)行直至t3時(shí)刻。在定時(shí)器下溢中斷的t4時(shí)刻,將計(jì)算所得的比較值CMPRx載入。顯然,在這種采樣控制方法中,控制點(diǎn)相對(duì)于采樣點(diǎn)只延時(shí)了半個(gè)開(kāi)關(guān)周期,比許多文獻(xiàn)[4][5]報(bào)道的延時(shí)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的采樣控制方法,控制的實(shí)時(shí)性得到的很大的提高,仿真和實(shí)驗(yàn)都驗(yàn)證了這一點(diǎn)。圖5采樣控制時(shí)序圖()基于DSP控制的全數(shù)字UPS逆變器設(shè)計(jì)圖6逆變器負(fù)載切換仿真波形(c)滿載到半載切換輸出電壓電流波形x:10ms/divy:100V/div10A/div(b)半載到滿
8、載切換輸出電壓電流波形x:10ms/divy:100V/div10A/div(a)滿載時(shí)輸出電壓和電感電流的波形x:4ms/divy:100V/div10A/div圖73kVA逆變器的實(shí)驗(yàn)波形4仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表1列出了本文提出的數(shù)字控制逆變器的一些