引言
逆變電源通常采用雙環(huán)或多環(huán)反饋控制，例如采用輸出濾波電感電流滯環(huán)和輸出電壓反饋構(gòu)成的雙閉環(huán)控制、采用電容電流滯環(huán)反饋方式的閉環(huán)控制、采用固定開關頻率電感電流反饋控制和采用固定開關頻率電容電流反饋控制等控制策略。對上述的控制策略，采用電流滯環(huán)瞬時控制的控制電路比較簡單，但是功率管開關頻率不固定，輸出電壓中的諧波頻率不固定，而且頻帶比較寬，輸出濾波器的設計比較困難。采用固定開關頻率瞬時值控制方案，其載波頻率固定，輸出電壓諧波成分為固定頻率段的諧波，輸出濾波器的設計易于實現(xiàn)。其中，電容電流反饋控制的逆變器抑制負載擾動能力強，能夠適應非線性負載，但是難以實現(xiàn)過載和短路電流的限制。而采用電感電流反饋的逆變電源穩(wěn)定性好、抑制直流電壓擾動能力強，同時由于電感電流即為開關管電流，所以可以防止開關管過流。本文設計了一臺基于DSPTMS320F2806的電感電流內(nèi)環(huán)，輸出電壓瞬時值中環(huán)，輸出電壓平均值最外環(huán)反饋的5kVA逆變電源，取得了較好的控制效果。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖1為逆變器主電路結(jié)構(gòu)示意圖，主電路采用了半橋結(jié)構(gòu)(DC／AC)，逆變器輸出采用LC濾波。圖 2是本文提出的全數(shù)字控制逆變電源的結(jié)構(gòu)框圖，控制電路是以TI公司的電機控制專用DSP芯片TMS320F2806為核心的全數(shù)字控制器。模擬量的采集主要包括：直流側(cè)輸入電壓、直流側(cè)輸入電流、逆變輸出電壓、逆變輸出電流、散熱器溫度等。
采樣值經(jīng)調(diào)理電路處理后送入DSP的A／D接口，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后可作為系統(tǒng)過壓、欠壓、系統(tǒng)過流、過熱保護等的判斷依據(jù)。本系統(tǒng)采用軟件保護。當有故障發(fā)生時，系統(tǒng)會自動封鎖PWM輸出信號，關斷IGBT管，并斷開繼電器。采用LEM公司的LTS25-NP電流霍爾傳感器進行電流的采樣，其采樣值準確，溫漂很小。主電路開關管采用Epic的型號為F4-50R 12MS4的IGBT模塊。DSP的PWM模塊輸出的兩路PWM信號(PWM1A、PWM1B)，經(jīng)驅(qū)動電路之后驅(qū)動半橋的兩個IGBT管。
2 控制策略的選擇
1)雙閉環(huán)瞬時值反饋控制方案
基于輸出電感電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時值反饋策略是逆變電源常用的一種方法。在該控制策略中，濾波電感電流內(nèi)環(huán)對包含在環(huán)內(nèi)的擾動(△Ud)，如輸入電壓的波動、死區(qū)時間、電感參數(shù)的變化等影響能起到及時的調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)特性大大改善。該方案的控制框圖如圖3所示。
本系統(tǒng)采用SPWM的方法產(chǎn)生正弦輸出電壓，即PWM驅(qū)動脈沖通過三角波調(diào)制產(chǎn)生。對圖3所使示的電壓外環(huán)P調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為Kpv，電流內(nèi)環(huán)P調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為Kpi，Kpwm為脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)的等效增益，r為濾波電感的等效串聯(lián)電阻(可以忽略不計)。
其中Utri為三角載波峰值。
圖3系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：
設Uref=Asin(ωt)，那么誤差為：
3 仿真和實驗結(jié)果
下面列出本文實驗過程中數(shù)字控制逆變電源的主要控制參數(shù)：
采樣頻率：fs：12kHz
濾波電感：L：0．66mH
濾波電容：C：10μF
母線電壓：Ud:700V
輸出電壓有效值：Uo：220V
開關頻率：fc：12kHz
首先進行系統(tǒng)的仿真研究，運用MATLAB的SIMU LINK工具箱對逆變電源系統(tǒng)進行仿真試驗，圖5為雙閉環(huán)瞬時值反饋控制的逆變電源仿真實驗波形。設置系統(tǒng)仿真時間為1．2s，在0．4s時突加負載，在0．8s時突卸負載。
經(jīng)仿真實驗驗證：電壓瞬時值外環(huán)的P調(diào)節(jié)器比例系數(shù)的增加，可以進一步減少靜態(tài)誤差，但是隨著比例系數(shù)的增大，控制系統(tǒng)的相位裕度減小，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。當比例系數(shù)太小時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差又會增大。該仿真實驗中，輸出電壓幅值僅為278V，沒有達到指令電壓311V。
圖6為逆變電源含電感電流內(nèi)環(huán)的三環(huán)控制仿真實驗波形，設置系統(tǒng)仿真時間為1．2s，在0．4s時突加負載，在0．9s時突卸負載。與雙閉環(huán)控制方案的仿真結(jié)果對比可看出，系統(tǒng)在空載時輸出幅值為310V，具有很好的穩(wěn)態(tài)精度。輸出電壓有效值外環(huán)的加入明顯的提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。從阻性負載投載和卸載的仿真波形中可看到，在突加和突卸負載后，系統(tǒng)經(jīng)一個正弦波周期就可以達到穩(wěn)定，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出波形較好。
本系統(tǒng)控制芯片采用TI公司的TMS320F2806芯片，系統(tǒng)采用含電感電流內(nèi)環(huán)的三環(huán)控制方案。本系統(tǒng)在第K次采樣的數(shù)據(jù)在下一次(第K+1次)中斷中參與計算調(diào)節(jié)，即采樣值延遲一個中斷周期(83μs)，由于時間很短可以忽略不計。實際系統(tǒng)中，電感電流的采樣不能采用電流互感器，而應采用霍爾電流傳感器；因為電流互感器無法檢測到電感電流中的直流分量，無法利用電流環(huán)的快速性，來消除輸出電流中直流分量帶來的負面影響，所以電感電流的檢測應該采用霍爾電流傳感器。圖7為突加50°%額定負載的實驗波形圖。
從實驗結(jié)果可以看出，實驗波形與仿真波形比較吻合，逆變器具有較好的穩(wěn)態(tài)特性，說明了該控制方案取得了較好的效果。
4 結(jié)束語
本文總結(jié)了常用閉環(huán)瞬時控制方法的優(yōu)缺點，提出了基于TMS320F2806的數(shù)字三環(huán)控制逆變器的方案。輸出電壓有效值反饋環(huán)用來調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值，保證了穩(wěn)態(tài)精度；輸出電壓瞬時值反饋環(huán)使系統(tǒng)對擾動的響應時間大大減少，保證了輸出電壓具有良好的正弦性；電感電流瞬時值反饋環(huán)使濾波電感上的電流能快速準確地跟蹤電流指令，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性，改善了輸出電壓的品質(zhì)。
系統(tǒng)的控制方案的仿真和實驗結(jié)果表明，在空載和帶載的情況下，系統(tǒng)均可輸出穩(wěn)定優(yōu)良的正弦電壓波形。該數(shù)字化逆變電源設計實現(xiàn)更為簡便，精度較高，具有優(yōu)異的性能，可以達到甚至超過模擬雙環(huán)控制的效果。