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基于雙DSP+FPGA的三相逆變器的設計與實(shí)現三相逆變器作為現在一種常用的電力電子設備，對輸出電壓控制系統需同時(shí)實(shí)現兩個(gè)目標:高動(dòng)態(tài)響應和高穩態(tài)波形精度。諸如PID、雙閉環(huán)PID、狀態(tài)反饋等控制方案，雖然能實(shí)現高動(dòng)態(tài)特性，但是不能滿(mǎn)足高質(zhì)量的穩態(tài)波形。本文利采用雙閉環(huán)PI和重復控制相結合的控制方案，首先用雙閉環(huán)PI控制算法，得到高動(dòng)態(tài)特性的三相交流電，不過(guò)不能滿(mǎn)足高質(zhì)量的穩態(tài)波形，因為用電壓質(zhì)量要求比較高的非線(xiàn)性負載———鎮流器是電感式的鈉燈作為三相逆變器的負載時(shí)，鈉燈不能穩定的工作(會(huì )高頻率地閃爍)，針對這一問(wèn)題，在雙閉環(huán)PI的基礎上加重復控制補償，建立MATLAB 仿真，并在雙DSP+FPGA 硬件架構中高效精確的實(shí)現。實(shí)驗結果表明，加上重復控制補償后，鈉燈能夠穩定的工作，三相逆變器的穩態(tài)性能得到了很大的改善。1 三相逆變器數學(xué)模型的建立三相LC逆變器的主電路拓撲如圖1，組成部分主要有三相逆變橋、三相濾波電感L、三相濾波電容C 。 圖1 LC 三相逆變器的主電路拓撲 定義三相逆變器負載側輸出電壓為uoA、uoB、uoC，輸出電流為ioA、ioB、ioC，三相逆變器電感L 側輸入電壓為uA、uB、uC，輸出電壓為uoA、uoB、uoC，流過(guò)電感的電流為iaL、ibL、icL。以電感電流和輸出電壓為狀態(tài)變量，建立在三相靜止坐標系中的狀態(tài)空間表達式如下。狀態(tài)方程為: 輸出方程為: dk-調節器輸出的調制信號。以上為三相逆變器的靜止坐標系中的數學(xué)模型，下面討論其解耦模型。引入如下三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系的變換關(guān)系式: 將式(3)代入式(1)，即可得到在兩相靜止坐標系下控制對象的傳遞函數表達式如下: 從上面的控制對象的傳遞函數表達式可知，α軸和β軸已經(jīng)完全解耦，各自等效為單相半橋逆變器。從上面的分析可以看到:①在兩相靜止坐標系下，三相逆變器是完全解耦的，可等效為兩個(gè)單相半橋逆變器。②三相解耦后的模型與單相逆變器模型相同，所以三相逆變器的控制的分析與設計方法可以借鑒單相逆變器。 2 雙閉環(huán)PI控制器的設計 2.1 電流環(huán)控制器的設計 控制系統的內環(huán)的控制對象是濾波電感，特點(diǎn)是頻帶寬、響應速度快，比例調節P即可以滿(mǎn)足要求。另外，為了抵消結構電壓負反饋的影加上輸出電壓正反饋: 在實(shí)踐應用當中RL和RC很小，對系統的影響可以忽略不計，可得電流環(huán)控制框圖如圖2 所示: 圖2 三相逆變器控制系統電流環(huán) 得到電流環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數: 電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數: (1)電流環(huán)比例調節器的設計步驟1)看開(kāi)環(huán)傳遞函數的波特圖是否滿(mǎn)足要求;2)看閉環(huán)傳遞函數的波特圖是否滿(mǎn)足要求。 (2)設計電流環(huán)截止頻率時(shí)，有2條執行準則1)從控制系統內外環(huán)分工考量，為了加快動(dòng)態(tài)響應，電流環(huán)閉環(huán)截止頻率要比外環(huán)的截止頻率高且盡可能的高，并采用沒(méi)有延時(shí)的比例調節;2)從控制系統的執行機構考量，電流內環(huán)閉環(huán)截止頻率要比電力電子器件的開(kāi)關(guān)頻率低。三相逆變器的電感L=0.19mH，代入(8)式得到開(kāi)環(huán)的幅頻特性函數: 由上式可知0dB 時(shí)有ω=Gi/ L，由電流環(huán)截止住頻率fc=2400Hz，可得Gi=2.86。2.2 電壓環(huán)控制器的設計三相逆變器的外環(huán)采用電壓負反饋，為了抵消結構電流負反饋影響，加上輸出電流正反饋，可得: 三相逆變器的控制系統框圖如圖3。 圖3 三相逆變器控制系統電壓環(huán) 電壓環(huán)控制器的開(kāi)環(huán)傳遞函數為: ，按照振蕩指標法設計控制器參數，其中L=0.19mH，C=60μF，要求所得的開(kāi)環(huán)伯德圖如圖4 所示。對于該控制系統，在閉環(huán)諧振峰值M最小的情況下，各變量相應的關(guān)系如下: 電壓環(huán)設計的關(guān)鍵點(diǎn)是定中頻寬h，根據在大量工程中的經(jīng)驗表明，中頻區的寬度h通常在3到10這個(gè)范圍內。再增大h的話(huà)對于降低M效果不明顯。當中頻寬確定后我們就可以算出: 令h=5，可以算出kp=0.5089，ki=959。 圖4 電壓環(huán)波特圖 3 基于重復控制補償的高精度PID控制 3.1 重復控制原理重復控制是日本的lnoue 于1981 年首先提出來(lái)的，其原理來(lái)源于內模原理，加到被控對象的輸入信號除偏差信號外，還疊加了一個(gè)“過(guò)去的控制偏差”，該偏差時(shí)上一周期該時(shí)刻的控制偏差。把上一次運行時(shí)的偏差反映到現在，和“現在的偏差”一起加到被控對象進(jìn)行控制，這種控制方式，偏差重復被使用，稱(chēng)為重復控制。經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期的重復控制之后可以大大提高系統的跟蹤精度，改善系統品質(zhì)。重復控制中，一般期望重復控制作用在高頻段的增益減小。為此，在重復控制中經(jīng)常加入低通濾波器Q(s)。本控制方法取: 式中，Tq>0 為濾波器的時(shí)間常數。 3.2 重復控制補償的PID控制基于重復控制補償的PID控制系統框圖如圖5 所示，其中Q(s)為低通濾波器，urec為重復控制的輸出，upid為PID控制的輸出: L=0.19mH，C=60μF，LC 濾波器的截止頻率為1490Hz，設低通濾波器的截止頻率為1500Hz，有Tq=0.00066，控制對象: 圖5 重復控制補償的PID 控制系統框圖 3.3 重復控制補償的PID控制仿真及其結果分析重復控制+雙閉環(huán)PI在Simulink仿真中重復控制用的是Transport Delay模塊，比例系數K取10，低通濾波器截至頻率取1500Hz 即 。得到如圖6輸入輸出波形以及圖7跟蹤誤差波形。 圖6 重復控制+PID 位置跟蹤 圖7 跟蹤誤差 如圖6，加上重復控制后從第3個(gè)周期開(kāi)始輸出信號yout跟能精確地跟蹤輸入信號rin，如圖7，位置跟蹤誤差越來(lái)越小，在第4個(gè)周期誤差不再減小。 4 雙DSP+FPGA 三相逆變器的硬件設計雙DSP+FPGA 控制系統功能如圖8。 圖8 雙DSP+FPGA 控制系統功能 圖8 為三相光伏逆變器的控制結構框圖，逆變器的主控電路采用“雙DSP+FPGA”結構，DSP 即數字信號處理器，采用Tl公司的TMS320F2812 芯片。FPGA 即現場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列，采用XlLlNX公司的芯片。本設計采用的DSP芯片是一款定點(diǎn)型DSP，具有強大的數據運算能力，主頻最高達150MHz，廣泛應用于控制領(lǐng)域。FPGA具有強大的邏輯運算能力，能并行快速進(jìn)行多組邏輯判斷，根據DSP 和FPGA 的功能特點(diǎn)，作以下功能分配，兩片DSP芯片分別為DSPA、DSPB。FPGA主要有四方面功能:一是控制AD 轉換芯片，對外部CT/PT及調理電路后的電壓電流信號進(jìn)行模數轉換并讀取結果，同時(shí)把結果傳送給DSPA 和DSPB; 二是作為DSPA和DSPB之間的數據交換通道;三是PWM 信號輸出;四是進(jìn)行故障檢測及IO輸出。DSPA主要負責與人機界面通訊及數據管理。DSPA讀取FPGA 中的電壓電流數據和故障狀態(tài)等信息在人機界面中顯示，以及傳送人機界面中的命令。DSPB主要負責重復補償控制+雙閉環(huán)控制算法的實(shí)現，控制輸出電壓電流的穩定。5 實(shí)驗結果及其分析THD是檢驗逆變器性能的一個(gè)重要指標，本文用THD和帶電感式鎮流器的鈉燈能否正常工作來(lái)驗證三相逆變器的性能。5.1 THD 實(shí)驗結果 圖9 雙閉環(huán)PI 負載為鈉燈的電壓電流波形 圖10 雙閉環(huán)PI 負載為鈉燈的電壓THD 圖11 雙閉環(huán)PI+重復控制算法負載為鈉燈的電壓電流波形 如圖9 為雙閉環(huán)PI控制算法帶鈉燈的電壓電流波形，圖10 為雙閉環(huán)PI 控制算法的電壓THD。用雙閉環(huán)PI控制帶鈉燈，電壓的THD比較大，為3.57%，而且負載電流畸變比較嚴重。如圖11 為在雙閉環(huán)PI 基礎上加上重復控制帶鈉燈的電壓電流波形，如圖12 為在雙閉環(huán)PI基礎上加上重復控制的電壓THD。由圖11、圖12 可得結論:利用雙閉環(huán)PI控制+重復控制帶鈉燈， 電壓的THD比單純用雙閉環(huán)PI控制要小得多，為1.30%，而且負載電流畸變比較小。5.2 鈉燈實(shí)驗結果采用雙閉環(huán)PI控制算法實(shí)現的三相逆變器，帶鈉燈時(shí)會(huì )不停地閃，鈉燈不能穩定工作，當加上重復控制后，鈉燈不會(huì )閃爍，能夠穩定地工作。 圖12 雙閉環(huán)PI+重復控制算法負載為鈉燈的電壓THD |
