基于 DSP 实现的无差拍控制逆变器

liyf · 发表于 2012-1-27 20:15:21

摘  要介绍了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逆变器的全数字化控制的无差拍算法以及利用 TI 的最新 DSP(TMS320F240)实现无差拍控制的方法及控制流程。仿真和实验表明，它具有瞬时响应快、精度高、THD 小等特点。
关键词无差拍控制  DSP  仿真
随着计算机以及各种精密自动化设备、电子设备被广泛应用于通信、工业自动化控制、办公自动化等领域, 逆变器作为UPS的重要组成部分，近年来得到了迅速展。对逆变器的控制成为研究重点，即要求其输出波形稳态精度高、总谐波畸变率低和动态响应快。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，80年代中期，无差拍控制被应用于逆变器控制，它具有瞬时响应快、精度高、THD小等特点，是一种优秀的控制策略。

1 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1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：



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   (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(Event Manager)，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，因此十分容易构造控制系统，而且极大地减少了硬件开销。

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3 仿真与实验结果
  在理想状态下，用MATLAB对无差拍控制半桥逆变器进行仿真。其电路参数为：L=1mH，C=20μF，开关频率为10kHz。直流母线电压E=300V，输出50Hz，100V峰值交流。其输出波形如图5所示。





实验充分利用了TMS320F240的事件管理器功能和中断，实现无差拍控制。图3、图7为控制主程序和中断服务子程序的流程图。主程序包括初始化(开放和设置相应中断)、启动检测和软启动；T1周期中断服务程序包括读正弦表、系数计算和启动母线电压的检测，如图4。T2下溢中断服务程序用来启动UC、IC的检测。A/D完毕中断服务则用来处理母线电压检测完毕后的数据存储和UC、IC检测完毕后ΔT的计算，如图6。图8是中断服务程序的时序分布图，1、3分别是T1周期中断服务程序和T2下溢中断服务程序；2、4是A/D完毕中断服务程序的两次响应。其中，1、3相差50μs (0.5T)，1、2和3、4相差7μs (A/D转换所需的时间)。图9和图10是逆变器的输出波形及其各次谐波所占的比例。根据图10可计算其谐波畸变率为0.8%。



参考文献
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


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