基于dsp和增量式pi电压环控制的逆变器研究原创论文

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1、基于DSP和增量式PI电压环控制的逆变器研究摘要：研究了一种基于数字控制的逆变器，该方案采用电压瞬时值环控制，以提高输出稳定性，同时兼顾输出动态性能。反馈电路中采用增量式PI法则，并对PI增量及PI输出进行限幅控制,避免因误扰动造成输出的不稳定，进一步确保系统的稳定性与动态性能。采用TMS320LF2407A来实现算法，并进行了一个输出最大值为200V，输出功率为500W的逆变器实验。关键词：逆变器；电压环控制；增量式PI；DSP控制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

2、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

3、：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。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A

4、B两点间电压Vi（s）之间的传递函数G（s）如式（1）所示。   G（s）==（1）忽略电感等效内阻，则式（1）可简化为   G（s）=（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=（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=（5）将式（5）代入式（3）可得   v

5、i≈（6）转化为频域有   （7）   由式（7）与式（1）可得式（8）   （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。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。图3   电压环等效框图图中：Kpw

6、m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。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＋（9）则系统的开环传递函数为   G（s）=K（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   =

7、2π×500（11）   =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。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。图6   逆变输出波形2.2   增量式PI算法及其优化   PI环节的传递函数为式（9），其对应的时域方程式为   y（t）=kp（13）式中：y（t）为PI输出；    

8、 e（t）为PI差动输入；     Ti为积分时间常数；     kp为比例系数。   对式（13）离散化得    yk=kp（14）式中：Ts为采样时间。   这即是位置式PI控制，而若采用增量式PI控制