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(gòu)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(duì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn),。其中，電容電流反饋控制的逆變器抑制負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng),，能夠適應(yīng)非線性負(fù)載,，但是難以實(shí)現(xiàn)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(wěn)定性好,、抑制直流電壓擾動(dòng)能力強(qiáng)，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(shè)計(jì)了一臺(tái)基于DSPTMS320F2806的電感電流內(nèi)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(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖1為逆變器主電路結(jié)構(gòu)示意圖,，主電路采用了半橋結(jié)構(gòu)(DC／AC),，逆變器輸出采用LC濾波。圖 2是本文提出的全數(shù)字控制逆變電源的結(jié)構(gòu)框圖,，控制電路是以TI公司的電機(jī)控制專(zhuān)用DSP芯片TMS320F2806為核心的全數(shù)字控制器,。模擬量的采集主要包括：直流側(cè)輸入電壓、直流側(cè)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(diào)理電路處理后送入DSP的A／D接口,，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后可作為系統(tǒng)過(guò)壓、欠壓,、系統(tǒng)過(guò)流,、過(guò)熱保護(hù)等的判斷依據(jù)。本系統(tǒng)采用軟件保護(hù)。當(dāng)有故障發(fā)生時(shí),，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)封鎖PWM輸出信號(hào),，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(zhǔn)確，溫漂很小,。主電路開(kāi)關(guān)管采用Epic的型號(hào)為F4-50R 12MS4的IGBT模塊,。DSP的PWM模塊輸出的兩路PWM信號(hào)(PWM1A、PWM1B),，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路之后驅(qū)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(nèi)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(nèi)環(huán)對(duì)包含在環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)(△Ud),，如輸入電壓的波動(dòng)、死區(qū)時(shí)間,、電感參數(shù)的變化等影響能起到及時(shí)的調(diào)節(jié)作用,，系統(tǒng)特性大大改善。該方案的控制框圖如圖3所示,。
本系統(tǒng)采用SPWM的方法產(chǎn)生正弦輸出電壓,，即PWM驅(qū)動(dòng)脈沖通過(guò)三角波調(diào)制產(chǎn)生。對(duì)圖3所使示的電壓外環(huán)P調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為Kpv,，電流內(nèi)環(huán)P調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為Kpi,，Kpwm為脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)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(jì)),。
其中Utri為三角載波峰值,。
圖3系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：
設(shè)Uref=Asin(ωt)，那么誤差為：
3 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
下面列出本文實(shí)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)字控制逆變電源的主要控制參數(shù)：
采樣頻率：fs：12kHz
濾波電感：L：0．66mH
濾波電容：C：10μF
母線電壓：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(tǒng)的仿真研究,，運(yùn)用MATLAB的SIMU LINK工具箱對(duì)逆變電源系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn),，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(yàn)波形。設(shè)置系統(tǒng)仿真時(shí)間為1．2s,，在0．4s時(shí)突加負(fù)載,，在0．8s時(shí)突卸負(fù)載。
經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：電壓瞬時(shí)值外環(huán)的P調(diào)節(jié)器比例系數(shù)的增加,，可以進(jìn)一步減少靜態(tài)誤差,，但是隨著比例系數(shù)的增大，控制系統(tǒng)的相位裕度減小,，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定,。當(dāng)比例系數(shù)太小時(shí),，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差又會(huì)增大。該仿真實(shí)驗(yàn)中,，輸出電壓幅值僅為278V,，沒(méi)有達(dá)到指令電壓311V。
圖6為逆變電源含電感電流內(nèi)環(huán)的三環(huán)控制仿真實(shí)驗(yàn)波形,，設(shè)置系統(tǒng)仿真時(shí)間為1．2s,，在0．4s時(shí)突加負(fù)載，在0．9s時(shí)突卸負(fù)載,。與雙閉環(huán)控制方案的仿真結(jié)果對(duì)比可看出,，系統(tǒng)在空載時(shí)輸出幅值為310V，具有很好的穩(wěn)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(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能,。從阻性負(fù)載投載和卸載的仿真波形中可看到，在突加和突卸負(fù)載后,，系統(tǒng)經(jīng)一個(gè)正弦波周期就可以達(dá)到穩(wěn)定,，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出波形較好。
本系統(tǒng)控制芯片采用TI公司的TMS320F2806芯片,，系統(tǒng)采用含電感電流內(nèi)環(huán)的三環(huán)控制方案,。本系統(tǒng)在第K次采樣的數(shù)據(jù)在下一次(第K+1次)中斷中參與計(jì)算調(diào)節(jié)，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(jì),。實(shí)際系統(tǒng)中，電感電流的采樣不能采用電流互感器,，而應(yīng)采用霍爾電流傳感器；因?yàn)殡娏骰ジ衅鳠o(wú)法檢測(cè)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(fù)面影響，所以電感電流的檢測(cè)應(yīng)該采用霍爾電流傳感器,。圖7為突加50°%額定負(fù)載的實(shí)驗(yàn)波形圖,。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)波形與仿真波形比較吻合,，逆變器具有較好的穩(wěn)態(tài)特性,，說(shuō)明了該控制方案取得了較好的效果。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文總結(jié)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(shù)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(diào)節(jié)輸出電壓的幅值，保證了穩(wěn)態(tài)精度,；輸出電壓瞬時(shí)值反饋環(huán)使系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)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(zhǔn)確地跟蹤電流指令，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,、快速性,，改善了輸出電壓的品質(zhì)。
系統(tǒng)的控制方案的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，在空載和帶載的情況下,，系統(tǒng)均可輸出穩(wěn)定優(yōu)良的正弦電壓波形。該數(shù)字化逆變電源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)便,，精度較高,，具有優(yōu)異的性能，可以達(dá)到甚至超過(guò)模擬雙環(huán)控制的效果,。