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(多图) 基于DSP和增量式PI电压环控制的逆变器研究

21ic 浙江大学 付好名 马皓?? 2011年04月20日 ?? 收藏0

  0 引言

  目前,逆变器应用最为广泛的PWM技术中,SPWM控制具有很多优点。其控制技术主要有电压瞬时值单环反馈、电流瞬时值单环反馈、电压电流双环反馈环控制及电压空间矢量控制。电压环使系统有较好的稳定性,瞬时值反馈则增强系统的动态性能[1]。电压环采用PI控制,其中比例环节及时反映控制系统的偏差信号,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差;积分环节主要用于消除静差,提高系统的无差度。相对于位置式控制,增量式控制误动作影响小,必要时可以用逻辑判断的方法去掉;且手动/自动切换时冲击小,便于实现无扰动切换;同时其算式中不需要累加,比较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果[2]。

  相对于数字控制,传统的模拟控制已暴露诸多缺点:需要大量的分立元器件和电路板,制造成本比较高;大量的模拟元器件使其之间的连接相当复杂;模拟器件的老化问题和不可补偿的温漂问题,以及易受环境干扰等因素都会影响控制系统的长期稳定性。随着微处理器的可靠性与质量的不断提高,数字控制已经在逆变控制中占据着主导地位[3],本文提出了一种基于DSP控制的方案。

  1 逆变器建模

  单相全桥逆变器如图1所示,E为输入直流电压,S1~S4为开关管,L为滤波电感,r为电感等效内阻,C为滤波电容,R为负载。

单相全桥逆变器

图1 单相全桥逆变器

  将电感用Ls表示,电容用1/Cs表示,可推导出输出电压Vo(s)与AB两点间电压Vi(s)之间的传递函数G(s)如式(1)所示。

G(s)=公式=公式(1)

  忽略电感等效内阻,则式(1)可简化为

G(s)=公式(2)

  在一个开关周期中,当S1及S4导通时,vi为-E;当S2及S3导通时,vi为E。由于开关频率与输出频率相比为400,故一个开关周期中可以用平均值代替瞬时值。

vi=ED+(-E)(1-D)=(2D-1)E(3)

  本方案采用双极性SPWM,故

D=公式(4)

  式中:vm为正弦波信号,vm=Vmsinωt;Vtri为三角载波峰值。

  则调制比M为

M=公式(5)

  将式(5)代入式(3)可得

vi≈公式(6)

  转化为频域有

公式(7)

  由式(7)与式(1)可得式(8)

公式公式(8)

  此即逆变器输出传递函数,由此可得逆变器的等效框图如图2所示。

逆变器等效框图

图2 逆变器等效框图

  2 控制方案设计

  本系统采用电压环反馈,为提高动态性能,采用瞬时值控制。电压环控制中,采用增量式PI控制,同时对其算法进行了优化,确保输出具有较好的稳定性。控制器采用TI公司的TMS320LF2407A,其最高工作频率可达40MHz,能够较好地实现以上算法。

  2.1 电压环设计

  忽略电感等效内阻,电压环等效框图如图3所示。

电压环等效框图

图3 电压环等效框图

  图中:Kpwm为PWM环节等效增益,其大小为调制波到逆变器AB两端输出的增益;K为反馈回路中的电压采样系数。

  图3可简化为图4。

电压环简化框图

图4 电压环简化框图

  图中Kpwm系数已归于PI模块中。逆变器开关频率取为20kHz,输出为工频,则取LC滤波器的转折频率fn为1kHz,综合考虑电感电流纹波与压降,取L=1mH,C=10μF。本实验取满载时R=40Ω。

  设PI环节传递函数为

G(s)=Kp+公式(9)

  则系统的开环传递函数为

G(s)=K公式公式(10)

  取PI补偿频率为500Hz,而系统的穿越频率为1kHz。则由式(10)可得

公式=2π×500(11)

公式=1(12)

  式中:K为采样系数,实验中设计为0.014。

  联立式(11)及式(12)可得

kp=39??? ki="124416"

  其波特图如图5所示。

电压环波特图

图5 电压环波特图

  从图5中可以看出,系统相角裕度为60°,满足稳定性要求。图6为仿真所得的输出波形。

  从图6中可看出,输出波形为正弦波,幅值为200V,频率为50Hz,与设计值相符。

逆变输出波形

图6 逆变输出波形


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DSP? 逆变器? SPWM? PI控制?

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