基于高性能AD變換器和DSP的電源設(shè)計(jì)

  1  概述

    在傳統(tǒng)的逆變電源采用模擬控制無法克服其固有缺點(diǎn)的情況下，人們越來越多地求助于數(shù)字化方案來減小控制電路的復(fù)雜程度、提高電源設(shè)計(jì)和制造的靈活性，同時采用更先進(jìn)的控制方法來提高逆變電源系統(tǒng)的輸出波形質(zhì)量和可靠性。因此，由模擬控制向數(shù)字控制的轉(zhuǎn)變是逆變電源發(fā)展的必然趨勢。

    隨著工業(yè)用高速數(shù)字信號處理器(DSP)的發(fā)展和應(yīng)用，逆變電源控制由模擬控制向數(shù)字化控制的轉(zhuǎn)變成為了可能。由于具有超強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和很快的處理速度，配合高性能的AD變換器，DSP能夠瞬時地讀取逆變電源的輸出，并實(shí)時地計(jì)算出輸出PWM值。正是DSP的采用，使得在模擬控制中存在的許多問題得到了很好的解決，并且一些先進(jìn)的控制策略也逐漸應(yīng)用于逆變電源的控制之中。這樣對于逆變電源負(fù)載的不確定性，數(shù)字化系統(tǒng)可以對負(fù)載動態(tài)變化產(chǎn)生的諧波進(jìn)行動態(tài)的補(bǔ)償，而不需人為地干預(yù)，從而使逆變電源的輸出波形質(zhì)量達(dá)到可接受的水平。

     本文從SPWM逆變電源的結(jié)構(gòu)出發(fā)，利用古老。的PID控制，提出了一種基于電壓瞬時值的數(shù)字方案通過了仿真。

    2 逆變電源物理模型

    在逆變系統(tǒng)中，多采用全橋或半橋結(jié)構(gòu)。圖1為一個帶有LC濾波器的單相全橋逆變器的主電路結(jié)構(gòu)圖。
  

    以Vc和iL為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程為：

  
    那么Vi對輸出電壓V0的傳遞函數(shù)為：

    由此可以得到逆變器的原理框圖，如圖2所示。
  

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    3 數(shù)字控制方案

    本系統(tǒng)采用雙環(huán)控制的PID調(diào)節(jié)。PID控制以其簡單、參數(shù)易于整定、發(fā)展成熟之特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐之中，逆變電源的控制也不例外。雙環(huán)控制既保證了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，又可以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。

    3．1 數(shù)字PID算法

    PID控制是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律，PID表示比例(proportional)一積分(intergral)一微分(differentia)。設(shè)PID調(diào)節(jié)器如圖3所示。

    調(diào)節(jié)器的輸出與輸人之間為比例積分一微分的關(guān)系，即：

  
    若以傳遞函數(shù)的形式表示：

  
    其中：Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)；Kp為比例系數(shù)；Kd=Kp/Ti為積分系數(shù)；Kd=KpTd為微分系數(shù)。

    在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中使用的是數(shù)值PID調(diào)節(jié)器，就是對式(1)的離散化，離散化時，令：

    
    其中：丁是采樣周期。

    顯然，上述離散化過程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。由式(4)和式(7)可得到：

    
    式(8)即數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的輸出輸入關(guān)系式。

    PID算法蘊(yùn)含了動態(tài)過程中過去、現(xiàn)在和將來的主要信息。其中比例(P)代表了目前的信息，起校正偏差的作用，使過程反應(yīng)迅速。微分(D)在信號變化時有超前控制作用，代表了將來的信息。積分(1)代表了過去的信息，他能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。因此，設(shè)計(jì)好的PID控制器有動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)精度高、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛的一類控制器。對于逆變電源，由于空載的SPWM逆變器近似于臨界振蕩環(huán)節(jié)，積分作用會增加相位的滯后，這樣會對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能產(chǎn)生負(fù)面的影響，所以在設(shè)計(jì)瞬時值反饋的PID控制器時總是采用比例控制(P)或者比例微分(PD)控制。

    3．2 數(shù)字控制方案

    控制系統(tǒng)的框圖如圖4所示。
  

    該系統(tǒng)包括2個控制環(huán)：外環(huán)為電壓有效值控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為輸出電壓瞬時值反饋環(huán)。外環(huán)進(jìn)行數(shù)字濾波，得到輸出電壓的有效值；和輸出有效值給定Vrms,進(jìn)行比較，其誤差信號再經(jīng)由PI控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號的給定值的幅值。逆變電源通過有效值外環(huán)控制，理論上可以做到輸出電壓有效值穩(wěn)態(tài)無差，該控制環(huán)的目的是為了保證當(dāng)負(fù)載變化、系統(tǒng)受干擾后維持輸出電壓有效值的穩(wěn)態(tài)不變，即保證系統(tǒng)的輸出電壓穩(wěn)態(tài)精度。內(nèi)環(huán)為輸出電壓瞬時值反饋控制環(huán)，該環(huán)對輸出電壓的瞬時值進(jìn)行控制，使得輸出電壓跟蹤給定的正弦波，維持輸出的良好正弦性，為了保證系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定裕度，該環(huán)的控制器多采用比例(P)控制器，或者比例微分(PD)控制器。該環(huán)的主要作用是為了保證輸出電壓的正弦性，克服干擾對輸出電壓波形的影響，改善控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。[!--empirenews.page--]

    4 仿真結(jié)果

    下面在Matlab的圖形仿真環(huán)境Simulink中對圖1所示的瞬時值反饋數(shù)字PID控制的逆變電源的各種特性進(jìn)行分析。電路參數(shù)為：額定功率：P= 6kVA；濾波電感：L＝1 mH；濾波電容：C=25μF；等效串聯(lián)電阻rL=0．6Ω，rc=0．1Ω；直流母線電壓：E＝360V；開關(guān)頻率：fc=20kHz；輸出電壓： 220V／50Hz；系統(tǒng)在空載及不同的負(fù)載時仿真波形如圖5所示。
  

    5 結(jié) 論

    詳細(xì)分析了SPWM的物理結(jié)構(gòu)和數(shù)字PID算法，并在此基礎(chǔ)上提出了基于輸出電壓瞬時值反饋的雙環(huán)逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)。他能很好地減小輸出波形總諧波畸變(THD)，改善了逆變電源系統(tǒng)的輸出波形質(zhì)量。數(shù)字PID控制算法的合理運(yùn)用保證了系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定精度及良好的動態(tài)性能和靜態(tài)性能。