基于DSP实现的无差拍控制逆变器

随着计算机以及各种精密自动化设备、电子设备被广泛应用于通信、工业自动化控制、办公自动化等领域, 逆变器作为UPS的重要组成部分，近年来得到了迅速展。对逆变器的控制成为研究重点，即要求其输出波形稳态精度高、总谐波畸变率低和动态响应快。目前，瞬时PID控制、重复控制等技术都在应用中占有重要地位。但这两种技术都有难以克服的缺点，如瞬时PID控制难以实现数字化；重复控制的动态响应慢。美国著名控制理论专家卡尔曼于60年代初提出了数字控制的无差拍控制思想。随着电力电子技术的发展，80年代中期，无差拍控制被应用于逆变器控制，它具有瞬时响应快、精度高、THD小等特点，是一种优秀的控制策略。 1 无差拍控制逆变器的控制原理 无差拍控制是一种通过状态的数字瞬时反馈，利用微处理器的高速数值计算功能实现的全数字化控制方式。图1为逆变器主电路，由逆变桥、LC滤波器和阻性负载组成。LCR可以由状态方程表示： 在逆变器系统中，Uin是逆变桥的输出，是一个中间变量；只有脉宽ΔT才是原始的控制量。并且，逆变器主电路可以认为是一种数模混合电路，因而利用离散变量状态方程可以更方便的分析。对于图1所示电路，Uin可以是单极性，也可以是双极性的 。若Uin为图2所示双极性，则可将式(1)离散化［1］［2］： 式(2.a)和(2.b) 分别对应图2的(a)、(b)。分别取矩阵方程(2.a)和(2.b)的第一行，并令，UC(K+1)=U*C(K+1)，U*C为参考正弦，则所需脉宽可相应计算 。那么，在每个开关周期的开始，必须先检测UC、IC(母线电压E的变化较小，不必精确按时检测)，然后计算ΔT。因此，在实际系统中，通常需要三个传感器和A/D转换器检测直流母线电压、输出电压和滤波电容电流。由于A/D转换和计算都需要一定的时间，因此ΔT的最大值受到限制。从图2可知，若输出为正时，采用图2a，则ΔT≤0.5T。所以，存在足够的(T-ΔT)/2时间用于采样和计算。 普通PWM逆变器在空载和满载时，它的输出相位有较大的差异，这是因为逆变桥的输出相位虽与给定正弦同相，但是LC滤波器的相移与负载有关。无差拍控制逆变器的输出相位基本不变，它通过调节逆变桥的输出相位来弥补LC滤波器的相位延时。 2 无差拍控制逆变器的实现 德州仪器公司(Texas Instrument)开发的第三代数字信号处理器(Digital Signal Processor)TMS320F240系列具有16位高速定点运算功能。这种型号的数字信号处理器芯片具有如下优点： 　　(1) 很高的处理速度。单指令执行周期为50ns，即每秒可执行两千万条指令。芯片内有专用的16*16硬件乘法器，并设置有8级硬件堆栈和四级流水线处理结构，极大地提高了对数字信号的处理速度。544kB的高速片内双向存取RAM使得片内数据能够实现高速传送； 　　(2) 特有的并行结构。传统的冯-诺依曼结构中程序代码和数据单元是统一编址的，而F240采用改进的Harvard结构，程序区与数据区存储单元是分开的，取指令和数据存取可同时进行。这样使得处理速度进一步提高； 　　(3) 丰富的指令集提供了灵活的编程能力。不仅能实现各种算术和逻辑运算功能 ，而且能很方便地完成程序区和数据区之间的信息传递； 　　(4) 高度集成的内部资源。芯片中嵌入了专用的事件管理器(Event Manager)，能很方便地捕获事件中断和输出各种PWM波形。片内还集成了A/D转换器、串行通讯、I/O接口等外围功能，因此十分容易构造控制系统，而且极大地减少了硬件开销。 由于具有上述优点，DSP F240系列尤其适合实现数字化控制所需的实时化、高速处理的要求。其内部资源包括: 　　(1) 三个独立的16位硬件定时器，具有6种工作模式；输出共有12路PWM脉冲，便于实现单相半桥、全桥和三相全桥（可设置死区，以及实施空间矢量PWM控制）的电力电子变换器控制； 　　(2) 具有三路外部硬件中断和4个外部事件捕获中断（Capture），系统中有RESET复位中断、掉电中断PDPINT、非屏蔽中断NMI等软件资源，为系统的安全工作提供了保障，同时可以对特殊事件进行及时处理； 　　(3) 两个独立的10位精度A/D采样转换器，内部带PLL锁相环的时钟单元，看门狗监控单元Watchdog，串行同步口SPI和串行异步口SCI，28个可编程多路复用I/O口等 。 从上述内部资源可见，TMS320F240系列的DSP在控制系统设计时不需要太多的硬件开销，从而也提高了系统的可靠性。 3 仿真与实验结果 在理想状态下，用MATLAB对无差拍控制半桥逆变器进行仿真。其电路参数为：L=1mH，C=20μF，开关频率为10kHz。直流母线电压E=300V，输出50Hz，100V峰值交流 。其输出波形如图5所示。 实验充分利用了TMS320F240的事件管理器功能和中断，实现无差拍控制。图3、图7为控制主程序和中断服务子程序的流程图。主程序包括初始化(开放和设置相应中断)、启动检测和软启动；T1周期中断服务程序包括读正弦表、系数计算和启动母线电压的检测，如图4。T2下溢中断服务程序用来启动UC、IC的检测。A/D完毕中断服务则用来处理母线电压检测完毕后的数据存储和UC、IC检测完毕后ΔT的计算，如图6。图8是中断服务程序的时序分布图，1、3分别是T1周期中断服务程序和T2下溢中断服务程序；2、4是A/D完毕中断服务程序的两次响应。其中，1、3相差50μs (0.5T)，1、2和3、4相差7μs (A/D转换所需的时间)。图9和图10是逆变器的输出波形及其各次谐波所占的比例。根据图10可计算其谐波畸变率为0.8%。 参考文献 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