逆变器控制逆变桥

UPS中逆变电路控制技术的分析（二）

基于DSP实现的无差拍控制逆变器实例　　随着高性能微处理器的出现,对逆变器的控制,使其输出波形稳态精度高、总...

基于DSP实现的无差拍控制逆变器实例

随着高性能微处理器的出现,对逆变器的控制,使其输出波形稳态精度高、总谐波畸变率低和动态响应快成为可能。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上世纪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,在80年代中期,无差拍控制被应用于逆变器控制,其具有瞬时响应快、精度高、THD小等特点,是一种优秀的控制策略。

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4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:

如图5所示,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4所示电路,Uin可以是单极性,也可以是双极性的。若Uin为图5所示双极性,则可将式(5)离散化为:

式(6)和(7)分别对应图5的(a)、(b),分别取矩阵方程(5)的第一行和式(6),并令UC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UC、IC(母线电压E的变化较小,不必精确按时检测),然后再计算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5可知,若输出为正时,采用图(a),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,其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。

无差拍控制逆变器的硬件实现

德州仪器公司(TexasInstrument)开发的第三代数字信号处理器(DigitalSignalProcessor)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,而且还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(EventManager),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,因此十分容易构成控制系统,而且极大地减少了硬件成本。

　由于具有上述优点,DSPF240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系列在控制系统设计时不需要太多的硬件费用,从而也提高了系统的可靠性。

无差拍控制逆变器的软件流程图

无差拍控制逆变器的软件流程如图6、图7和图8所示。

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