基于DSP控制的全數字UPS逆變器設計(一)

1 引言

隨著(zhù)信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是計算機的廣泛應用和Internet的迅猛發(fā)展，供電系統的可靠性要求越來(lái)越高，因此對不間斷電源（UPS）技術(shù)指標的要求也越來(lái)越高。UPS的核心部分是一個(gè)恒頻恒壓逆變器，由于傳統模擬控制需要使用大量的分立元器件，老化和溫漂嚴重影響了系統的長(cháng)期穩定性?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/DSP">DSP的數字控制技術(shù)能大大改善產(chǎn)品的一致性，同時(shí)增加了控制的柔性，提高了整個(gè)系統的穩定性和可靠性^[1]。本文主要提出了一種數字控制的UPS逆變器結構，詳細論述了控制系統的參數設計。

2 系統結構

圖1是本文提出的數字控制UPS逆變器的結構框圖。主電路采用了全橋結構，控制電路是以TI公司的電機控制專(zhuān)用DSP芯片TMS320F240為核心的全數字控制器^[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，控制系統采用了電阻取樣，主功率電路與控制電路共地的系統控制方法。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(guò)采樣網(wǎng)絡(luò )，輸入到DSP的A/D轉換口。DSP的PWM模塊輸出4路PWM信號經(jīng)過(guò)驅動(dòng)電路之后驅動(dòng)4個(gè)IGBT管。

3 控制系統設計

3．1 數字雙環(huán)控制器結構

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字雙環(huán)PI控制方法，具體的逆變器數字控制框圖如圖2所示。圖中的虛線(xiàn)框內部分為逆變器的主電路，Vref為存儲在DSP程序空間內的正弦波數據表，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(guò)數字PI調節之后的輸出作為電流環(huán)的指令，電流誤差信號再經(jīng)過(guò)比例調節得到電流環(huán)輸出。電流環(huán)輸出與定時(shí)器產(chǎn)生的三角波比較后得到四路門(mén)極脈沖。

3．2 電流環(huán)和電壓環(huán)參數設計

圖3為簡(jiǎn)化的電流內環(huán)框圖，Zoh為零階保持環(huán)節，它的s域傳遞函數為，其中Ts為采樣周期。

本文設計的電壓和電流采樣周期均為50μs。電流環(huán)的開(kāi)環(huán)脈沖傳遞函數為：

圖4為簡(jiǎn)化的電壓外環(huán)控制框圖。其中為電壓外環(huán)數字PI控制器脈沖傳遞函數的一般形式，K₁－K₂=K_IT_s，K_I為積分系數。

3 采樣控制時(shí)序設計

圖5是本文提出的一種采樣控制時(shí)序示意圖。t0－t4為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，由于采用了倍頻單極性的正弦波脈寬調制方法，輸出濾波電感的脈動(dòng)頻率是開(kāi)關(guān)頻率的兩倍，這樣可以縮小濾波元件的體積。在定時(shí)器周期中斷的t1時(shí)刻，同時(shí)啟動(dòng)兩路A/D轉換器，進(jìn)行電壓和電流反饋量的采樣，t2時(shí)刻A/D轉換結束，立即進(jìn)行雙環(huán)控制算法的執行直至t3時(shí)刻。在定時(shí)器下溢中斷的t4時(shí)刻，將計算所得的比較值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(shí)了半個(gè)開(kāi)關(guān)周期，比許多文獻^[4][5]報道的延時(shí)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的采樣控制方法，控制的實(shí)時(shí)性得到的很大的提高，仿真和實(shí)驗都驗證了這一點(diǎn)。

4 仿真和實(shí)驗結果

表1列出了本文提出的數字控制逆變器的一些主要參數。

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

圖7(a)為滿(mǎn)載3kVA下輸出電壓和電感電流的穩態(tài)實(shí)驗波形，用LEM公司的鉗形表HEMEANALYST2060測得：THD=1.4％，實(shí)驗數據表明控制系統具有很好的穩態(tài)特性。圖7(b)為半載到滿(mǎn)載切換時(shí)的負載電壓和負載電流實(shí)驗波形，圖7(c)為滿(mǎn)載到半載的切換。實(shí)驗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整至穩態(tài)，表明了控制系統具有良好的動(dòng)態(tài)特性。

5 結語(yǔ)

相對于模擬控制技術(shù)，基于DSP的全數字控制技術(shù)大大簡(jiǎn)化了控制電路的設計，增加了控制的靈活性。同時(shí)采用了數字無(wú)差拍控制技術(shù)和延時(shí)半個(gè)開(kāi)關(guān)周期的采樣控制方法，逆變器的動(dòng)態(tài)特性大大改善。仿真和實(shí)驗均驗證了這種基于DSP的全數字控制方案的先進(jìn)性和實(shí)用性。

(綜合電子論壇)