基于DSP实现的无差拍控制逆变器

摘  要 介绍了一种通过状态的数字瞬时反馈，利用微处理器的高速数值计算功能实现逆变器的全数字化控制的无差拍算法以及利用 TI 的最新
      DSP(TMS320F240)实现无差拍控制的方法及控制流程。仿真和实验表明，它具有瞬时响应快、精度高、THD 小等特点。
      ?  关键词 无差拍控制  DSP  仿真
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          随着计算机以及各种精密自动化设备、电子设备被广泛应用于通信、工业自动化控制、办公自动化等领域,
      逆变器作为UPS的重要组成部分，近年来得到了迅速展。对逆变器的控制成为研究重点，即要求其输出波形稳态精度高、总谐波畸变率低和动态响应快。目前，瞬时PID控制、重复控制等技术都在应用中占有重要地位。但这两种技术都有难以克服的缺点，如瞬时PID控制难以实现数字化；重复控制的动态响应慢。美国著名控制理论专家卡尔曼于60年代初提出了数字控制的无差拍控制思想。随着电力电子技术的发展，80年代中期，无差拍控制被应用于逆变器控制，它具有瞬时响应快、精度高、THD小等特点，是一种优秀的控制策略。

      1 无差拍控制逆变器的控制原理。
         
      无差拍控制是一种通过状态的数字瞬时反馈，利用微处理器的高速数值计算功能实现的全数字化控制方式。图1为逆变器主电路，由逆变桥、LC滤波器和阻性负载组成。LCR可以由状态方程表示：
                                        
                               
         
      在逆变器系统中，Uin是逆变桥的输出，是一个中间变量；只有脉宽ΔT才是原始的控制量。并且，逆变器主电路可以认为是一种数模混合电路，因而利用离散变量状态方程可以更方便的分析。对于图1所示电路，Uin可以是单极性，也可以是双极性的
      。若Uin为图2所示双极性，则可将式(1)离散化［1］［2］：
                               
      ?  式(2.a)和(2.b)
      分别对应图2的(a)、(b)。分别取矩阵方程(2.a)和(2.b)的第一行，并令，U?C(K+1)=U?*?C(K+1)，U?*?C为参考正弦，则所需脉宽可相应计算
      。那么，在每个开关周期的开始，必须先检测U?C、I?C(母线电压E的变化较小，不必精确按时检测)，然后计算ΔT。因此，在实际系统中，通常需要三个传感器和A/D转换器检测直流母线电压、输出电压和滤波电容电流。由于A/D转换和计算都需要一定的时间，因此ΔT的最大值受到限制。从图2可知，若输出为正时，采用图2a，则ΔT≤0.5T。所以，存在足够的(T-ΔT)/2时间用于采样和计算。
                                     
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      普通PWM逆变器在空载和满载时，它的输出相位有较大的差异，这是因为逆变桥的输出相位虽与给定正弦同相，但是LC滤波器的相移与负载有关。无差拍控制逆变器的输出相位基本不变，它通过调节逆变桥的输出相位来弥补LC滤波器的相位延时。
      2 无差拍控制逆变器的实现
      ?  德州仪器公司(Texas Instrument)开发的第三代数字信号处理器(Digital Signal
      Processor)TMS320F240系列具有16位高速定点运算功能。这种型号的数字信号处理器芯片具有如下优点：
      ?  (1)
      很高的处理速度。单指令执行周期为50ns，即每秒可执行两千万条指令。芯片内有专用的16*16硬件乘法器，并设置有8级硬件堆栈和四级流水线处理结构，极大地提高了对数字信号的处理速度。544kB的高速片内双向存取RAM使得片内数据能够实现高速传送；
      ?  (2)
      特有的并行结构。传统的冯-诺依曼结构中程序代码和数据单元是统一编址的，而F240采用改进的Harvard结构，程序区与数据区存储单元是分开的，取指令和数据存取可同时进行。这样使得处理速度进一步提高；
      ?  (3) 丰富的指令集提供了灵活的编程能力。不仅能实现各种算术和逻辑运算功能 ，而且能很方便地完成程序区和数据区之间的信息传递；
      ?  (4) 高度集成的内部资源。芯片中嵌入了专用的事件管理器(Event
      Manager)，能很方便地捕获事件中断和输出各种PWM波形。片内还集成了A/D转换器、串行通讯、I/O接口等外围功能，因此十分容易构造控制系统，而且极大地减少了硬件开销。
      ?  由于具有上述优点，DSP F240系列尤其适合实现数字化控制所需的实时化、高速处理的要求。其内部资源包括:
      ?  (1)
      三个独立的16位硬件定时器，具有6种工作模式；输出共有12路PWM脉冲，便于实现单相半桥、全桥和三相全桥（可设置死区，以及实施空间矢量PWM控制）的电力电子变换器控制；
      ?  (2)
      具有三路外部硬件中断和4个外部事件捕获中断（Capture），系统中有RESET复位中断、掉电中断PDPINT、非屏蔽中断NMI等软件资源，为系统的安全工作提供了保障，同时可以对特殊事件进行及时处理；
      ?  (3)
      两个独立的10位精度A/D采样转换器，内部带PLL锁相环的时钟单元，看门狗监控单元Watchdog，串行同步口SPI和串行异步口SCI，28个可编程多路复用I/O口等
      。
      ?  从上述内部资源可见，TMS320F240系列的DSP在控制系统设计时不需要太多的硬件开销，从而也提高了系统的可靠性。
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      3 仿真与实验结果
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      在理想状态下，用MATLAB对无差拍控制半桥逆变器进行仿真。其电路参数为：L=1mH，C=20μF，开关频率为10kHz。直流母线电压E=300V，输出50Hz，100V峰值交流
      。其输出波形如图5所示。
                                        
                                        
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      实验充分利用了TMS320F240的事件管理器功能和中断，实现无差拍控制。图3、图7为控制主程序和中断服务子程序的流程图。主程序包括初始化(开放和设置相应中断)、启动检测和软启动；T1周期中断服务程序包括读正弦表、系数计算和启动母线电压的检测，如图4。T2下溢中断服务程序用来启动UC、IC的检测。A/D完毕中断服务则用来处理母线电压检测完毕后的数据存储和UC、IC检测完毕后ΔT的计算，如图6。图8是中断服务程序的时序分布图，1、3分别是T1周期中断服务程序和T2下溢中断服务程序；2、4是A/D完毕中断服务程序的两次响应。其中，1、3相差50μs
      (0.5T)，1、2和3、4相差7μs
      (A/D转换所需的时间)。图9和图10是逆变器的输出波形及其各次谐波所占的比例。根据图10可计算其谐波畸变率为0.8%。