基於DSP的逆變器重複控制器的設計

基於DSP的逆變器重複控制器的設計

[日期：2008-11-18]

來源：電源技術  作者：周雨田

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O 引言
    開關電源正朝著高效率、高穩定度、高功率密度、低汙染、模組化發展。各種新型的拓撲電路和技術也得到了應用。諧振和軟開關技術的應用也使得電源功率密度得以提高。電源控制上，控制電路、驅動電路、保護電路採用整合組件減小了電源的設計難度。高速微處理器DSP (Digital Signal Processing數位訊號處理器)的出現，使得數字控制技術即時性障礙得以克服，控制採用全數字化，簡化了硬體電路，提高了控制精度，也使得先進的控制方式成為可能。
    比例積分控制、滑模控制和模糊控制等都是通過提高系統的動態控制特性的方法抑制幹擾、改善輸出波形的。這些方法對負載突變時的波形控制效果顯著，但是對於周期性擾動，比如整流型負載，它們的控制效果並不理想。然而重複控制是通過對前一周期或多個周期的波形處理，利用所得到的結果對當前的控制進行校正，並且能夠獲得很好的波形控制效果。因此重複控制現在越來越受到人們的重視。
    本文提出一種重複控制的控制方案，利用重複控制器來跟蹤周期性參考指令訊號，減小輸出電壓諧波，同時電流環控制改善系統的動態效能。並根據該控制方案，設計和調試了一台基於DSPTMS320I~F2407A控制的單相1kW逆變器，模擬和實驗結果均驗證了該方案的良好效能。

1 重複控制的基本理論
    重複控制是基於內模原理的一種控制思想。它的內模數學模型描述的是周期性的訊號，因而使得閉環控制系統能夠無靜差地跟蹤周期訊號。單一頻率的正弦波是典型的周期訊號，它的數學模型為

   
    那麼只要在控制器前向通道串聯上與輸入同頻率的正弦訊號，就可以實現系統的無靜差跟蹤。重複控制也多用數字控制方式。離散後的重複控制內模為：

   
式中：N為一個周期的採樣次數
    基於內模原理的理想重複控制系統的前向通道上含有一個周期性延時環節，不可避免它會導致動態效能較差。到目前為止，要實現高效能的控制效果，最為有效方法有如下兩種：一是直接重複控制，引入前饋，通過前饋提高動態響應，其系統結構1所示；二是嵌入式重複控制，它在重複控制器側加入PI調節器，通過PI調節來提高動態效能，其系統結構2所示。

    理想重複控制器Q(z)=l，當擾動的角頻率ωd是輸入訊號角頻率ωr的整數倍，即ωd=nωr時，可以得到z-N=1，就是說，理想的重複控制器可以消除任意次諧波，可以對小於採樣頻率的1／2下的任意次諧波進行無差跟蹤。所以本文中提出的控制器通過重複內模來抑制周期性幹擾，實現穩態特性，PI控制提供動態補償，該控制器兼顧了PI經典控制設計簡單，實現方便的優點，同時彌補了重複控制單周期延時的缺點。

2 逆變器控制系統設計
    圖3為基於DSP的逆變器系統控制方案的，如果系統引入電感電流內環，不僅可以增加系統的穩定性，還能適當降低諧振峰值。因此，在重複控制電壓外環的內部加入電流內環，構成重複控制雙環，可以增加重複控制系統的穩定性，還能降低補償器設計難度。

    圖4是數字控制系統的結構框圖。系統類比部分主要是功率電路和介面電路，數字部分。介面電路是設計時需要特別考慮的，它需要實現資料的轉換(A／D，D／A)，針對不同的A／D，還需要特別設定電平轉換電路。而門極驅動電路不僅要提供足夠的能量以驅動功率模組，還需要隔離，以保護數字晶片。最後通過數字部分的編程，實現數字控制。

    根據內模原理，重複控制設計的基礎是受控系統穩定，然後加入重複內模，以獲得周期性輸入或幹擾的無靜差特性。設計重複控制系統需要知道受控系統的精確模型，這樣才能設計出滿足穩定域關係的補償器。加入重複控制器後的系統5所示。

    圖5中T是基波周期；S(s)為需要設計的補償器；Gp(s)為受控系統的平均模型，即式(3)。
    為簡化分析，忽略濾波電感等效串聯電阻rL和濾波電容等效串聯電阻rc，將Kvf，Utr、Ud恒定增益環節視為單位增益，可以得到簡化為單位反饋的逆變器平均模型，即

   
    由圖3可以獲得重複控制系統的開環傳遞函數為

   
    由於純延時環節e-Ts的存在，類比上難於實現，需要將其離散化，從而採用離散系統的分析方式。其中e-Ts=z-N，N為一個基波內的採樣次數。Q是用於改善重複控制器內模臨界穩定特性的，可以是一個略小於l的參數或低通濾波器，常數型Q和函數型的對比，函數型在低頻段具有更高的增益，穩態特性將更加理想，不過也能看出它會引入相移，因此，需要再針對它設計相位補償，設計不好，系統有可能不穩定，反而達不到預期的穩定性補償效果，因此，在通常的設計中，常選擇常數性Q=0．95作簡化設計。

3 實驗結果
    基於前面的理論分析，設計了一台基於DSPTMS320LF2407A控制的單相1kW逆變器，控制演算法均由DSP編程實現，逆變器由單相全橋電路構成，開關管工作頻率為20kHz，並通過LC濾波器輸出交流電壓。逆變器控制系統根據前述的瞬時控制結構結合重複控制策略進行設計。
    從實驗結果可以看出，逆變器採用本文的控制系統，穩態輸出波形品質好，總諧波畸變率小。線上性和非線性負載條件下均保持了高效能的輸出效果，系統同時得到了滿意的穩態輸出波形和動態效果。

4 結語
    本文分析了基於DSP的重複控制策略在數字化正弦波逆變電源系統中的應用，提出了一種基於電感電流反饋控制和電壓重複控制的複合控制策略。該策略吸取了電流環瞬時控制和重複控制的長處，克服了它們各自的不足，使系統得到了較為理想的穩態特性和動態特性。實驗結果證明，本文提出的基於重複控制的逆變器控制系統是一種實用的正弦波逆變電源控制方案，並能達到高效能的控制效果。