基于DSP控制的全數(shù)字UPS逆變器設(shè)計(jì)

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)的可靠性要求越來越高，因此對不間斷電源（UPS）技術(shù)指標(biāo)的要求也越來越高。UPS的核心部分是一個恒頻恒壓逆變器，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)的長期穩(wěn)定性。基于DSP的數(shù)字控制技術(shù)能大大改善產(chǎn)品的一致性，同時增加了控制的柔性，提高了整個系統(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]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通過采樣網(wǎng)絡(luò)，輸入到DSP的A/D轉(zhuǎn)換口。DSP的PWM模塊輸出4路PWM信號經(jīng)過驅(qū)動電路之后驅(qū)動4個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為存儲在DSP程序空間內(nèi)的正弦波數(shù)據(jù)表，VAB為逆變橋兩橋臂中點(diǎn)間的電壓。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。電壓誤差信號經(jīng)過數(shù)字PI調(diào)節(jié)之后的輸出作為電流環(huán)的指令，電流誤差信號再經(jīng)過比例調(diào)節(jié)得到電流環(huán)輸出。電流環(huán)輸出與定時器產(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，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)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：

    圖4為簡化的電壓外環(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=K_IT_s，K_I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，作如下合理的簡化：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)為一個單位比例環(huán)節(jié)1，從而得到電壓外環(huán)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：（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：。同樣根據(jù)無差拍控制原理，令特征根為0，得到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)過程中，均采用了單位反饋的簡化方框圖，實(shí)際線路的反饋通道上肯定會有比例環(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 采樣控制時序設(shè)計(jì)

    圖5是本文提出的一種采樣控制時序示意圖。t0－t4為一個開關(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頻率是開關(guān)頻率的兩倍，這樣可以縮小濾波元件的體積。在定時器周期中斷的t1時刻，同時啟動兩路A/D轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行電壓和電流反饋量的采樣，t2時刻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時刻。在定時器下溢中斷的t4時刻，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)相對于采樣點(diǎn)只延時了半個開關(guān)周期，比許多文獻(xiàn)^[4][5]報(bào)道的延時一個開關(guān)周期的采樣控制方法，控制的實(shí)時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)。

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主要參數(shù)。

    在進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)之前，先用MATLAB的SIMULINK工具箱對UPS逆變器系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，圖6為負(fù)載切換時的輸出電壓和負(fù)載電流的仿真波形。

    圖7(a)為滿載3kVA下輸出電壓和電感電流的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形，用LEM公司的鉗形表HEMEANALYST2060測得：THD=1.4％，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明控制系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)態(tài)特性。圖7(b)為半載到滿載切換時的負(fù)載電壓和負(fù)載電流實(shí)驗(yàn)波形，圖7(c)為滿載到半載的切換。實(shí)驗(yàn)波形與仿真波形吻合得比較好，顯示逆變器能夠很快將輸出電壓調(diào)整至穩(wěn)態(tài)，表明了控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性。

5 結(jié)語

    相對于模擬控制技術(shù)，基于DSP的全數(shù)字控制技術(shù)大大簡化了控制電路的設(shè)計(jì)，增加了控制的靈活性。同時采用了數(shù)字無差拍控制技術(shù)和延時半個開關(guān)周期的采樣控制方法，逆變器的動態(tài)特性大大改善。仿真和實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了這種基于DSP的全數(shù)字控制方案的先進(jìn)性和實(shí)用性。