利用DSP實現(xiàn)的無差拍控制逆變器設(shè)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(shù)字控制的無差拍控制思想。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，80年代中期，無差拍控制被應(yīng)用于逆變器控制，它具有瞬時響應(yīng)快、精度高、THD小等特點，是一種優(yōu)秀的控制策略。

目前，瞬時PID控制、重復(fù)控制等技術(shù)都在應(yīng)用中占有重要地位。但這兩種技術(shù)都有難以克服的缺點，如瞬時PID控制難以實現(xiàn)數(shù)字化；重復(fù)控制的動態(tài)響應(yīng)慢。

?隨著計算機以及各種精密自動化設(shè)備、電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用于通信、工業(yè)自動化控制、辦公自動化等領(lǐng)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(wěn)態(tài)精度高、總諧波畸變率低和動態(tài)響應(yīng)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(tài)的數(shù)字瞬時反饋，利用微處理器的高速數(shù)值計算功能實現(xiàn)的全數(shù)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(tài)方程表示：
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??? 在逆變器系統(tǒng)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(shù)模混合電路，因而利用離散變量狀態(tài)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(yīng)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(yīng)計算 。那么，在每個開關(guān)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(tǒng)中，通常需要三個傳感器和A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)。無差拍控制逆變器的輸出相位基本不變，它通過調(diào)節(jié)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(xiàn)

??? 德州儀器公司(Texas Instrument)開發(fā)的第三代數(shù)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(shù)字信號處理器芯片具有如下優(yōu)點：

　　(1) 很高的處理速度。單指令執(zhí)行周期為50ns，即每秒可執(zhí)行兩千萬條指令。芯片內(nèi)有專用的16*16硬件乘法器，并設(shè)置有8級硬件堆棧和四級流水線處理結(jié)構(gòu)，極大地提高了對數(shù)字信號的處理速度。544kB的高速片內(nèi)雙向存取RAM使得片內(nèi)數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)高速傳送；

　　(2) 特有的并行結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的馮-諾依曼結(jié)構(gòu)中程序代碼和數(shù)據(jù)單元是統(tǒng)一編址的，而F240采用改進的Harvard結(jié)構(gòu)，程序區(qū)與數(shù)據(jù)區(qū)存儲單元是分開的，取指令和數(shù)據(jù)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(xiàn)各種算術(shù)和邏輯運算功能 ，而且能很方便地完成程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)之間的信息傳遞；

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

??? 由于具有上述優(yōu)點，DSP F240系列尤其適合實現(xiàn)數(shù)字化控制所需的實時化、高速處理的要求。其內(nèi)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(xiàn)單相半橋、全橋和三相全橋（可設(shè)置死區(qū)，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(tǒng)中有RESET復(fù)位中斷、掉電中斷PDPINT、非屏蔽中斷NMI等軟件資源，為系統(tǒng)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(zhuǎn)換器，內(nèi)部帶PLL鎖相環(huán)的時鐘單元，看門狗監(jiān)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(fù)用I/O口等 。

??? 從上述內(nèi)部資源可見，TMS320F240系列的DSP在控制系統(tǒng)設(shè)計時不需要太多的硬件開銷，從而也提高了系統(tǒng)的可靠性。

3 仿真與實驗結(jié)果

??? 在理想狀態(tài)下，用MATLAB對無差拍控制半橋逆變器進行仿真。其電路參數(shù)為：L=1mH，C=20μF，開關(guān)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(xiàn)無差拍控制。圖3、圖7為控制主程序和中斷服務(wù)子程序的流程圖。主程序包括初始化(開放和設(shè)置相應(yīng)中斷)、啟動檢測和軟啟動；T1周期中斷服務(wù)程序包括讀正弦表、系數(shù)計算和啟動母線電壓的檢測，如圖4。T2下溢中斷服務(wù)程序用來啟動U_C、I_C的檢測。A/D完畢中斷服務(wù)則用來處理母線電壓檢測完畢后的數(shù)據(jù)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(wù)程序的時序分布圖，1、3分別是T1周期中斷服務(wù)程序和T2下溢中斷服務(wù)程序；2、4是A/D完畢中斷服務(wù)程序的兩次響應(yīng)。其中，1、3相差50μs (0.5T)，1、2和3、4相差7μs (A/D轉(zhuǎn)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(jù)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