[讨论] 基于DSP控制的全数字UPS逆变器设计

songrisi 2008-8-11 09:32 楼主

1 引言

随着信息处理技术的不断发展，尤其是计算机的广泛应用和Internet的迅猛发展，供电系统的可靠性要求越来越高，因此对不间断电源（UPS）技术指标的要求也越来越高。UPS的核心部分是一个恒频恒压逆变器，由于传统模拟控制需要使用大量的分立元器件，老化和温漂严重影响了系统的长期稳定性。基于DSP的数字控制技术能大大改善产品的一致性，同时增加了控制的柔性，提高了整个系统的稳定性和可靠性[1]。本文主要提出了一种数字控制的UPS逆变器结构，详细论述了控制系统的参数设计。
2 系统结构

图1是本文提出的数字控制UPS逆变器的结构框图。主电路采用了全桥结构，控制电路是以TI公司的电机控制专用DSP芯片TMS320F240为核心的全数字控制器[2]。Lf和Cf为逆变器的输出滤波电感和滤波电容，rL和rC分别为滤波元件的串联寄生电阻。考虑到控制的精确性和产品的成本，控制系统采用了电阻取样，主功率电路与控制电路共地的系统控制方法。Rs1和Rs2为输出电压取样电阻，Rc为电感电流取样电阻。电压和电流取样信号通过采样网络，输入到DSP的A/D转换口。DSP的PWM模块输出4路PWM信号经过驱动电路之后驱动4个IGBT管。

3 控制系统设计
3．1 数字双环控制器结构
逆变器的控制有许多方案[3]，本文的UPS逆变器采用了电感电流模式的数字双环PI控制方法，具体的逆变器数字控制框图如图2所示。图中的虚线框内部分为逆变器的主电路，Vref为存储在DSP程序空间内的正弦波数据表，VAB为逆变桥两桥臂中点间的电压。为了抑制反馈量中的高频噪声，提高采样的精确性，反馈通道中增加了阻容低通滤波器。电压误差信号经过数字PI调节之后的输出作为电流环的指令，电流误差信号再经过比例调节得到电流环输出。电流环输出与定时器产生的三角波比较后得到四路门极脉冲。

3．2 电流环和电压环参数设计
图3为简化的电流内环框图，Zoh为零阶保持环节，它的s域传递函数为

，其中Ts为采样周期。

本文设计的电压和电流采样周期均为50μs。电流环的开环脉冲传递函数为：

图4为简化的电压外环控制框图。其中

为电压外环数字PI控制器脉冲传递函数的一般形式，K1－K2=KITs，KI为积分系数。

由于上面设计的电流内环的跟踪速度远快于电压外环，在设计电压外环时，作如下合理的简化：设电感电流已经能够跟踪指令电流，这样可以假设电流内环为一个单位比例环节1，从而得到电压外环的开环脉冲传递函数为：

（忽略了电容的串连电阻rC），其闭环传递函数的特征方程为：

。同样根据无差拍控制原理，令特征根为0，得到K1可以为任意常数。根据K1和K2的关系并结合仿真的方法可以确定K1。

在上面的控制参数设计过程中，均采用了单位反馈的简化方框图，实际线路的反馈通道上肯定会有比例环节，因此在上述设计的基础上，还要根据实际的反馈比例变换控制方框图，得到

最终的控制环节参数。
3 采样控制时序设计
图5是本文提出的一种采样控制时序示意图。t0－t4为一个开关周期，由于采用了倍频单极性的正弦波脉宽调制方法，输出滤波电感的脉动频率是开关频率的两倍，这样可以缩小滤波元件的体积。在定时器周期中断的t1时刻，同时启动两路A/D转换器，进行电压和电流反馈量的采样，t2时刻A/D转换结束，立即进行双环控制算法的执行直至t3时刻。在定时器下溢中断的t4时刻，将计算所得的比较值CMPRx载入。显然，在这种采样控制方法中，控制点相对于采样点只延时了半个开关周期，比许多文献[4][5]报道的延时一个开关周期的采样控制方法，控制的实时性得到的很大的提高，仿真和实验都验证了这一点。

4 仿真和实验结果

表1列出了本文提出的数字控制逆变器的一些主要参数。

在进行实际的实验之前，先用MATLAB的SIMULINK工具箱对UPS逆变器系统进行了仿真研究，图6为负载切换时的输出电压和负载电流的仿真波形。

图7(a)为满载3kVA下输出电压和电感电流的稳态实验波形，用LEM公司的钳形表HEMEANALYST2060测得：THD=1.4％，实验数据表明控制系统具有很好的稳态特性。图7(b)为半载到满载切换时的负载电压和负载电流实验波形，图7(c)为满载到半载的切换。实验波形与仿真波形吻合得比较好，显示逆变器能够很快将输出电压调整至稳态，表明了控制系统具有良好的动态特性。