基于DSP的逆變器重復控制器的設計
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開(kāi)關(guān)電源正朝著(zhù)高效率、高穩定度、高功率密度、低污染、模塊化發(fā)展。各種新型的拓撲電路和技術(shù)也得到了應用。諧振和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)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(dòng)電路、保護電路采用集成組件減小了電源的設計難度。高速微處理器DSP (Digital Signal Processing數字信號處理器)的出現，使得數字控制技術(shù)實(shí)時(shí)性障礙得以克服，控制采用全數字化，簡(jiǎn)化了硬件電路，提高了控制精度，也使得先進(jìn)的控制方式成為可能。
比例積分控制、滑?？刂坪湍：刂频榷际峭ㄟ^(guò)提高系統的動(dòng)態(tài)控制特性的方法抑制干擾、改善輸出波形的。這些方法對負載突變時(shí)的波形控制效果顯著(zhù)，但是對于周期性擾動(dòng)，比如整流型負載，它們的控制效果并不理想。然而重復控制是通過(guò)對前一周期或多個(gè)周期的波形處理，利用所得到的結果對當前的控制進(jìn)行校正，并且能夠獲得很好的波形控制效果。因此重復控制現在越來(lái)越受到人們的重視。
本文提出一種重復控制的控制方案，利用重復控制器來(lái)跟蹤周期性參考指令信號，減小輸出電壓諧波，同時(shí)電流環(huán)控制改善系統的動(dòng)態(tài)性能。并根據該控制方案，設計和調試了一臺基于DSPTMS320I~F2407A控制的單相1kW逆變器，仿真和實(shí)驗結果均驗證了該方案的良好性能。
1 重復控制的基本理論
重復控制是基于內模原理的一種控制思想。它的內模數學(xué)模型描述的是周期性的信號，因而使得閉環(huán)控制系統能夠無(wú)靜差地跟蹤周期信號。單一頻率的正弦波是典型的周期信號，它的數學(xué)模型為
那么只要在控制器前向通道串聯(lián)上與輸入同頻率的正弦信號，就可以實(shí)現系統的無(wú)靜差跟蹤。重復控制也多用數字控制方式。離散后的重復控制內模為：
式中：N為一個(gè)周期的采樣次數
基于內模原理的理想重復控制系統的前向通道上含有一個(gè)周期性延時(shí)環(huán)節，不可避免它會(huì )導致動(dòng)態(tài)性能較差。到目前為止，要實(shí)現高性能的控制效果，最為有效的方法有如下兩種：一是直接重復控制，引入前饋，通過(guò)前饋提高動(dòng)態(tài)響應，其系統結構如圖1所示；二是嵌入式重復控制，它在重復控制器側加入PI調節器，通過(guò)PI調節來(lái)提高動(dòng)態(tài)性能，其系統結構如圖2所示。
理想重復控制器Q(z)=l，當擾動(dòng)的角頻率ωd是輸入信號角頻率ωr的整數倍，即ωd=nωr時(shí)，可以得到z-N=1，就是說(shuō)，理想的重復控制器可以消除任意次諧波，可以對小于采樣頻率的1／2下的任意次諧波進(jìn)行無(wú)差跟蹤。所以本文中提出的控制器通過(guò)重復內模來(lái)抑制周期性干擾，實(shí)現穩態(tài)特性，PI控制提供動(dòng)態(tài)補償，該控制器兼顧了PI經(jīng)典控制設計簡(jiǎn)單，實(shí)現方便的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)彌補了重復控制單周期延時(shí)的缺點(diǎn)。
2 逆變器控制系統設計
圖3為基于DSP的逆變器系統控制方案的示意圖，如果系統引入電感電流內環(huán)，不僅可以增加系統的穩定性，還能適當降低諧振峰值。因此，在重復控制電壓外環(huán)的內部加入電流內環(huán)，構成重復控制雙環(huán)，可以增加重復控制系統的穩定性，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。系統模擬部分主要是功率電路和接口電路，數字部分。接口電路是設計時(shí)需要特別考慮的，它需要實(shí)現數據的轉換(A／D，D／A)，針對不同的A／D，還需要特別設置電平轉換電路。而門(mén)極驅動(dòng)電路不僅要提供足夠的能量以驅動(dòng)功率模塊，還需要隔離，以保護數字芯片。最后通過(guò)數字部分的編程，實(shí)現數字控制。
根據內模原理，重復控制設計的基礎是受控系統穩定，然后加入重復內模，以獲得周期性輸入或干擾的無(wú)靜差特性。設計重復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(mǎn)足穩定域關(guān)系的補償器。加入重復控制器后的系統如圖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(jiǎn)化分析，忽略濾波電感等效串聯(lián)電阻rL和濾波電容等效串聯(lián)電阻rc，將Kvf，Utr、Ud恒定增益環(huán)節視為單位增益，可以得到簡(jiǎn)化為單位反饋的逆變器平均模型，即
由圖3可以獲得重復控制系統的開(kāi)環(huán)傳遞函數為
由于純延時(shí)環(huán)節e-Ts的存在，模擬上難于實(shí)現，需要將其離散化，從而采用離散系統的分析方式。其中e-Ts=z-N，N為一個(gè)基波內的采樣次數。Q是用于改善重復控制器內模臨界穩定特性的，可以是一個(gè)略小于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(tài)特性將更加理想，不過(guò)也能看出它會(huì )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(jiǎn)化設計。
3 實(shí)驗結果
基于前面的理論分析，設計了一臺基于DSPTMS320LF2407A控制的單相1kW逆變器，控制算法均由DSP編程實(shí)現，逆變器由單相全橋電路構成，開(kāi)關(guān)管工作頻率為20kHz，并通過(guò)LC濾波器輸出交流電壓。逆變器控制系統根據前述的瞬時(shí)控制結構結合重復控制策略進(jìn)行設計。
從實(shí)驗結果可以看出，逆變器采用本文的控制系統，穩態(tài)輸出波形質(zhì)量好，總諧波畸變率小。在線(xiàn)性和非線(xiàn)性負載條件下均保持了高性能的輸出效果，系統同時(shí)得到了滿(mǎn)意的穩態(tài)輸出波形和動(dòng)態(tài)效果。
4 結語(yǔ)
本文分析了基于DSP的重復控制策略在數字化正弦波逆變電源系統中的應用，提出了一種基于電感電流反饋控制和電壓重復控制的復合控制策略。該策略吸取了電流環(huán)瞬時(shí)控制和重復控制的長(cháng)處，克服了它們各自的不足，使系統得到了較為理想的穩態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。實(shí)驗結果證明，本文提出的基于重復控制的逆變器控制系統是一種實(shí)用的正弦波逆變電源控制方案，并能達到高性能的控制效果。
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