基于TMS320F2806三環(huán)電壓控制逆變電源

引言

逆變電源通常采用雙環(huán)或多環(huán)反饋控制，例如采用輸出濾波電感電流滯環(huán)和輸出電壓反饋構成的雙閉環(huán)控制、采用電容電流滯環(huán)反饋方式的閉環(huán)控制、采用固定開(kāi)關(guān)頻率電感電流反饋控制和采用固定開(kāi)關(guān)頻率電容電流反饋控制等控制策略。對上述的控制策略，采用電流滯環(huán)瞬時(shí)控制的控制電路比較簡(jiǎn)單，但是功率管開(kāi)關(guān)頻率不固定，輸出電壓中的諧波頻率不固定，而且頻帶比較寬，輸出濾波器的設計比較困難。采用固定開(kāi)關(guān)頻率瞬時(shí)值控制方案，其載波頻率固定，輸出電壓諧波成分為固定頻率段的諧波，輸出濾波器的設計易于實(shí)現。其中，電容電流反饋控制的逆變器抑制負載擾動(dòng)能力強，能夠適應非線(xiàn)性負載，但是難以實(shí)現過(guò)載和短路電流的限制。而采用電感電流反饋的逆變電源穩定性好、抑制直流電壓擾動(dòng)能力強，同時(shí)由于電感電流即為開(kāi)關(guān)管電流，所以可以防止開(kāi)關(guān)管過(guò)流。本文設計了一臺基于DSPTMS320F2806的電感電流內環(huán)，輸出電壓瞬時(shí)值中環(huán)，輸出電壓平均值最外環(huán)反饋的5kVA逆變電源，取得了較好的控制效果。

1 系統結構

圖1為逆變器主電路結構示意圖，主電路采用了半橋結構(DC／AC)，逆變器輸出采用LC濾波。圖 2是本文提出的全數字控制逆變電源的結構框圖，控制電路是以TI公司的電機控制專(zhuān)用DSP芯片TMS320F2806為核心的全數字控制器。模擬量的采集主要包括：直流側輸入電壓、直流側輸入電流、逆變輸出電壓、逆變輸出電流、散熱器溫度等。

采樣值經(jīng)調理電路處理后送入DSP的A／D接口，經(jīng)A／D轉換后可作為系統過(guò)壓、欠壓、系統過(guò)流、過(guò)熱保護等的判斷依據。本系統采用軟件保護。當有故障發(fā)生時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)封鎖PWM輸出信號，關(guān)斷IGBT管，并斷開(kāi)繼電器。采用LEM公司的LTS25-NP電流霍爾傳感器進(jìn)行電流的采樣，其采樣值準確，溫漂很小。主電路開(kāi)關(guān)管采用Epic的型號為F4-50R 12MS4的IGBT模塊。DSP的PWM模塊輸出的兩路PWM信號(PWM1A、PWM1B)，經(jīng)驅動(dòng)電路之后驅動(dòng)半橋的兩個(gè)IGBT管。

2 控制策略的選擇

1)雙閉環(huán)瞬時(shí)值反饋控制方案

基于輸出電感電流內環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋策略是逆變電源常用的一種方法。在該控制策略中，濾波電感電流內環(huán)對包含在環(huán)內的擾動(dòng)(△Ud)，如輸入電壓的波動(dòng)、死區時(shí)間、電感參數的變化等影響能起到及時(shí)的調節作用，系統特性大大改善。該方案的控制框圖如圖3所示。

本系統采用SPWM的方法產(chǎn)生正弦輸出電壓，即PWM驅動(dòng)脈沖通過(guò)三角波調制產(chǎn)生。對圖3所使示的電壓外環(huán)P調節器的比例系數為Kpv，電流內環(huán)P調節器的比例系數為Kpi，Kpwm為脈寬調制環(huán)節的等效增益，r為濾波電感的等效串聯(lián)電阻(可以忽略不計)。

其中Utri為三角載波峰值。

圖3系統的閉環(huán)傳遞函數為：

設Uref=Asin(ωt)，那么誤差為：

3 仿真和實(shí)驗結果

下面列出本文實(shí)驗過(guò)程中數字控制逆變電源的主要控制參數：

采樣頻率：fs：12kHz

濾波電感：L：0．66mH

濾波電容：C：10μF

母線(xiàn)電壓：Ud:700V

輸出電壓有效值：Uo：220V

開(kāi)關(guān)頻率：fc：12kHz

首先進(jìn)行系統的仿真研究，運用MATLAB的SIMU LINK工具箱對逆變電源系統進(jìn)行仿真試驗，圖5為雙閉環(huán)瞬時(shí)值反饋控制的逆變電源仿真實(shí)驗波形。設置系統仿真時(shí)間為1．2s，在0．4s時(shí)突加負載，在0．8s時(shí)突卸負載。

經(jīng)仿真實(shí)驗驗證：電壓瞬時(shí)值外環(huán)的P調節器比例系數的增加，可以進(jìn)一步減少靜態(tài)誤差，但是隨著(zhù)比例系數的增大，控制系統的相位裕度減小，系統變得不穩定。當比例系數太小時(shí)，系統的穩態(tài)誤差又會(huì )增大。該仿真實(shí)驗中，輸出電壓幅值僅為278V，沒(méi)有達到指令電壓311V。

圖6為逆變電源含電感電流內環(huán)的三環(huán)控制仿真實(shí)驗波形，設置系統仿真時(shí)間為1．2s，在0．4s時(shí)突加負載，在0．9s時(shí)突卸負載。與雙閉環(huán)控制方案的仿真結果對比可看出，系統在空載時(shí)輸出幅值為310V，具有很好的穩態(tài)精度。輸出電壓有效值外環(huán)的加入明顯的提高了控制系統的穩態(tài)性能。從阻性負載投載和卸載的仿真波形中可看到，在突加和突卸負載后，系統經(jīng)一個(gè)正弦波周期就可以達到穩定，系統穩態(tài)輸出波形較好。

本系統控制芯片采用TI公司的TMS320F2806芯片，系統采用含電感電流內環(huán)的三環(huán)控制方案。本系統在第K次采樣的數據在下一次(第K+1次)中斷中參與計算調節，即采樣值延遲一個(gè)中斷周期(83μs)，由于時(shí)間很短可以忽略不計。實(shí)際系統中，電感電流的采樣不能采用電流互感器，而應采用霍爾電流傳感器；因為電流互感器無(wú)法檢測到電感電流中的直流分量，無(wú)法利用電流環(huán)的快速性，來(lái)消除輸出電流中直流分量帶來(lái)的負面影響，所以電感電流的檢測應該采用霍爾電流傳感器。圖7為突加50°%額定負載的實(shí)驗波形圖。

從實(shí)驗結果可以看出，實(shí)驗波形與仿真波形比較吻合，逆變器具有較好的穩態(tài)特性，說(shuō)明了該控制方案取得了較好的效果。

4 結束語(yǔ)

本文總結了常用閉環(huán)瞬時(shí)控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了基于TMS320F2806的數字三環(huán)控制逆變器的方案。輸出電壓有效值反饋環(huán)用來(lái)調節輸出電壓的幅值，保證了穩態(tài)精度；輸出電壓瞬時(shí)值反饋環(huán)使系統對擾動(dòng)的響應時(shí)間大大減少，保證了輸出電壓具有良好的正弦性；電感電流瞬時(shí)值反饋環(huán)使濾波電感上的電流能快速準確地跟蹤電流指令，提高了控制系統的穩定性、快速性，改善了輸出電壓的品質(zhì)。

系統的控制方案的仿真和實(shí)驗結果表明，在空載和帶載的情況下，系統均可輸出穩定優(yōu)良的正弦電壓波形。該數字化逆變電源設計實(shí)現更為簡(jiǎn)便，精度較高，具有優(yōu)異的性能，可以達到甚至超過(guò)模擬雙環(huán)控制的效果。