耿后來(lái)，吳衛(wèi)民，陳建明，李春龍

（1.上海海事大學(xué)電力傳動(dòng)與控制研究所，上海200135 ；2.廣州國(guó)新電子科技有限公司，廣東 廣州510000）

0 引 言

模擬控制技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已趨成熟，然而模擬控制因其硬件固有的缺點(diǎn)以及不易實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制策略而制約了逆變器的發(fā)展。數(shù)字化控制能消除模擬系統(tǒng)中控制參數(shù)易漂移等缺點(diǎn)，因而能更好地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP 的問(wèn)世，數(shù)字控制系統(tǒng)以其高速性、通用性、控制靈活和可實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制算法等優(yōu)點(diǎn)，成為了現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展的主導(dǎo)思想。

本文基于TMS320LF2407 數(shù)字信號(hào)處理器，給出了產(chǎn)生SPWM波形的方法，數(shù)字PID 實(shí)現(xiàn)、電壓?jiǎn)伍]環(huán)控制策略以及PI 算法的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)搭建一逆變器，運(yùn)用DSP 實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)SPWM控制。

1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

圖1 所示為單相全橋逆變器數(shù)字控制系統(tǒng)框圖。逆變器以TI 公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407為控制核心，采用雙極性SPWM控制，選取IPM功率模塊作為開(kāi)關(guān)器件。

DSP 通過(guò)A／D 轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的采樣，經(jīng)過(guò)電壓閉環(huán)PI 控制，數(shù)字基準(zhǔn)給定與進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后的反饋信號(hào)相減，其差值進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)后，再與片內(nèi)定時(shí)器產(chǎn)生的三角載波交截，輸出帶有死區(qū)的控制信號(hào)，經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)模塊放大，驅(qū)動(dòng)單相逆變器開(kāi)關(guān)器件輸出正弦電壓，此外為了防止IPM模塊因過(guò)熱過(guò)流而損壞，對(duì)系統(tǒng)還加了過(guò)熱過(guò)流保護(hù)。

圖1 單相全橋逆變器數(shù)字控制框圖

2 軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 SPWM 控制的 基本原 理［1 ，4 ，6］

SPWM控制模式主要有自然采樣法和規(guī)則采樣法。自然取樣法的主要問(wèn)題是SPWM波形每一個(gè)脈沖的起始和結(jié)束時(shí)刻對(duì)于三角載波的中心線(xiàn)不對(duì)稱(chēng)，因而求解困難，同時(shí)這種方法還占用大量?jī)?nèi)存，因此通常采用規(guī)則采樣。如圖2 所示，使每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)為對(duì)稱(chēng)，這樣則使得計(jì)算大大簡(jiǎn)化。若以單位量1 代表三角載波的幅值Utri，則正弦波的幅值Um就是調(diào)制度m，m＝Um／Utri，再由圖2 的幾何關(guān)系可求出脈寬時(shí)間為：

對(duì)于DSP 采樣而言，若一個(gè)周期內(nèi)采樣n 個(gè)點(diǎn)，則第i 個(gè)脈沖的占空比D為：

圖2 SPWM調(diào)制示意圖

式中，N為載波比，為開(kāi)關(guān)頻率fk和工頻fg的比值即

2.2 SPWM 波形的 DSP 實(shí)現(xiàn)［1－5］

利用DSP 中的事件管理模塊（EVA／B）可以產(chǎn)生PWM脈沖。DSP 中的三角載波是通過(guò)將設(shè)置定時(shí)器為連續(xù)增／減計(jì)數(shù)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，將正弦波制成表格，設(shè)定好定時(shí)器之后，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期，程序從參考正弦波表中讀取相應(yīng)數(shù)字量作為給定，減去A／D 轉(zhuǎn)換后的反饋電壓，進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)后將輸出值賦給比較寄存器CMPRx。定時(shí)器從0開(kāi)始遞增計(jì)數(shù)到周期值TxPR，接著從TxPR 遞減計(jì)數(shù)到0，然后開(kāi)始下一個(gè)周期。定時(shí)周期計(jì)算如下式：

式中，fM為DSP 的時(shí)鐘頻率；fk為開(kāi)關(guān)管的頻率，即輸出PWM的頻率。

對(duì)于高有效PWM輸出端口，當(dāng)計(jì)數(shù)值上升到比較值CMPRx 時(shí)，輸出高電平；當(dāng)計(jì)數(shù)值下降到比較值CMPRx 時(shí)，則輸出為低電平。為了避免逆變橋的同一組橋臂的上下開(kāi)關(guān)器件直通，兩路互補(bǔ)的PWM信號(hào)必須設(shè)置死區(qū)時(shí)間。通過(guò)設(shè)定死區(qū)時(shí)間寄存器（DBTCONx），TMS320LF2407 可以實(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間的設(shè)置，本文取1 μs 。

2.3 增量式數(shù)字 PI 實(shí)現(xiàn)［2 ，7］

計(jì)算機(jī)只能處理離散的數(shù)字量，在采集輸入信號(hào)時(shí)，必須先將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量；輸出則是把離散的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬量。對(duì)于連續(xù)PID 控制表達(dá)式：

式中，TD為微分時(shí)間常數(shù)；TI為微分時(shí)間常數(shù)。

采樣控制系統(tǒng)用采樣時(shí)刻的偏差值來(lái)計(jì)算控制量，因此控制規(guī)律公式用數(shù)值計(jì)算的方法近似，并表示為遞推形式的增量算法：

對(duì)于增量式PI ，則KD為0，則增量式PI 中

通常的PID 為：

則當(dāng)TD為零時(shí)，

求出α、β，經(jīng)過(guò)定標(biāo)后即可。PI 的控制框圖如圖3所示。

圖3 PI 控制框圖

2.4 系統(tǒng)控制方案

系統(tǒng)分主程序和中斷服務(wù)程序兩部分，中斷服務(wù)流程框圖如圖4 所示。主程序主要為：對(duì)系統(tǒng)常量、變量、事件管理器、A／D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行定義，開(kāi)中斷后循環(huán)等待中斷到來(lái)，中斷到來(lái)則執(zhí)行中斷服務(wù)流程。

圖4 中斷服務(wù)流程框圖

圖5 系統(tǒng)閉環(huán)輸出波形

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

根據(jù)以上程序思路編寫(xiě)了電壓閉環(huán)程序，并且搭建了單相逆變器，實(shí)際測(cè)得輸出波形如圖5 所示?？梢?jiàn)，輸出電壓為正弦波形，并且由圖示波形可看出其周期為20 ms ，這樣的結(jié)果與程序中的設(shè)定完全相吻合，從而也驗(yàn)證了軟件設(shè)計(jì)思想的正確性。顯然這種方法還能夠應(yīng)用在具有相似要求的其他領(lǐng)域之中，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

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