|
基于雙DSP+FPGA的三相逆變器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)三相逆變器作為現(xiàn)在一種常用的電力電子設(shè)備，對(duì)輸出電壓控制系統(tǒng)需同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo):高動(dòng)態(tài)響應(yīng)和高穩(wěn)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(xiàn)高動(dòng)態(tài)特性，但是不能滿足高質(zhì)量的穩(wěn)態(tài)波形。本文利采用雙閉環(huán)PI和重復(fù)控制相結(jié)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)不能滿足高質(zhì)量的穩(wěn)態(tài)波形，因?yàn)橛秒妷嘿|(zhì)量要求比較高的非線性負(fù)載———鎮(zhèn)流器是電感式的鈉燈作為三相逆變器的負(fù)載時(shí)，鈉燈不能穩(wěn)定的工作(會(huì)高頻率地閃爍)，針對(duì)這一問(wèn)題，在雙閉環(huán)PI的基礎(chǔ)上加重復(fù)控制補(bǔ)償，建立MATLAB 仿真，并在雙DSP+FPGA 硬件架構(gòu)中高效精確的實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加上重復(fù)控制補(bǔ)償后，鈉燈能夠穩(wěn)定的工作，三相逆變器的穩(wěn)態(tài)性能得到了很大的改善。1 三相逆變器數(shù)學(xué)模型的建立三相LC逆變器的主電路拓?fù)淙鐖D1，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?fù)?br /> 定義三相逆變器負(fù)載側(cè)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(cè)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(biāo)系中的狀態(tài)空間表達(dá)式如下。狀態(tài)方程為: 輸出方程為: dk-調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)制信號(hào)。以上為三相逆變器的靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型，下面討論其解耦模型。引入如下三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)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(biāo)系下控制對(duì)象的傳遞函數(shù)表達(dá)式如下: 從上面的控制對(duì)象的傳遞函數(shù)表達(dá)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(biāo)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(shè)計(jì)方法可以借鑒單相逆變器。 2 雙閉環(huán)PI控制器的設(shè)計(jì) 2.1 電流環(huán)控制器的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)的控制對(duì)象是濾波電感，特點(diǎn)是頻帶寬、響應(yīng)速度快，比例調(diào)節(jié)P即可以滿足要求。另外，為了抵消結(jié)構(gòu)電壓負(fù)反饋的影加上輸出電壓正反饋: 在實(shí)踐應(yīng)用當(dāng)中RL和RC很小，對(duì)系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì)，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(tǒng)電流環(huán) 得到電流環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù): 電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù): (1)電流環(huán)比例調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)步驟1)看開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖是否滿足要求;2)看閉環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖是否滿足要求。 (2)設(shè)計(jì)電流環(huán)截止頻率時(shí)，有2條執(zhí)行準(zhǔn)則1)從控制系統(tǒng)內(nèi)外環(huán)分工考量，為了加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)，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(diào)節(jié);2)從控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)考量，電流內(nèi)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(shù): 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(shè)計(jì)三相逆變器的外環(huán)采用電壓負(fù)反饋，為了抵消結(jié)構(gòu)電流負(fù)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(tǒng)框圖如圖3。 圖3 三相逆變器控制系統(tǒng)電壓環(huán) 電壓環(huán)控制器的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為: ，按照振蕩指標(biāo)法設(shè)計(jì)控制器參數(shù)，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(duì)于該控制系統(tǒng)，在閉環(huán)諧振峰值M最小的情況下，各變量相應(yīng)的關(guān)系如下: 電壓環(huán)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)是定中頻寬h，根據(jù)在大量工程中的經(jīng)驗(yàn)表明，中頻區(qū)的寬度h通常在3到10這個(gè)范圍內(nèi)。再增大h的話對(duì)于降低M效果不明顯。當(dāng)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(fù)控制補(bǔ)償?shù)母呔萈ID控制 3.1 重復(fù)控制原理重復(fù)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(nèi)模原理，加到被控對(duì)象的輸入信號(hào)除偏差信號(hào)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(yùn)行時(shí)的偏差反映到現(xiàn)在，和“現(xiàn)在的偏差”一起加到被控對(duì)象進(jìn)行控制，這種控制方式，偏差重復(fù)被使用，稱為重復(fù)控制。經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期的重復(fù)控制之后可以大大提高系統(tǒng)的跟蹤精度，改善系統(tǒng)品質(zhì)。重復(fù)控制中，一般期望重復(fù)控制作用在高頻段的增益減小。為此，在重復(fù)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(shù)。 3.2 重復(fù)控制補(bǔ)償?shù)腜ID控制基于重復(fù)控制補(bǔ)償?shù)腜ID控制系統(tǒng)框圖如圖5 所示，其中Q(s)為低通濾波器，urec為重復(fù)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(shè)低通濾波器的截止頻率為1500Hz，有Tq=0.00066，控制對(duì)象: 圖5 重復(fù)控制補(bǔ)償?shù)腜ID 控制系統(tǒng)框圖 3.3 重復(fù)控制補(bǔ)償?shù)腜ID控制仿真及其結(jié)果分析重復(fù)控制+雙閉環(huán)PI在Simulink仿真中重復(fù)控制用的是Transport Delay模塊，比例系數(shù)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(fù)控制+PID 位置跟蹤 圖7 跟蹤誤差 如圖6，加上重復(fù)控制后從第3個(gè)周期開(kāi)始輸出信號(hào)yout跟能精確地跟蹤輸入信號(hào)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(shè)計(jì)雙DSP+FPGA 控制系統(tǒng)功能如圖8。 圖8 雙DSP+FPGA 控制系統(tǒng)功能 圖8 為三相光伏逆變器的控制結(jié)構(gòu)框圖，逆變器的主控電路采用“雙DSP+FPGA”結(jié)構(gòu)，DSP 即數(shù)字信號(hào)處理器，采用Tl公司的TMS320F2812 芯片。FPGA 即現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列，采用XlLlNX公司的芯片。本設(shè)計(jì)采用的DSP芯片是一款定點(diǎn)型DSP，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，主頻最高達(dá)150MHz，廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域。FPGA具有強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力，能并行快速進(jìn)行多組邏輯判斷，根據(jù)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(zhuǎn)換芯片，對(duì)外部CT/PT及調(diào)理電路后的電壓電流信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并讀取結(jié)果，同時(shí)把結(jié)果傳送給DSPA 和DSPB; 二是作為DSPA和DSPB之間的數(shù)據(jù)交換通道;三是PWM 信號(hào)輸出;四是進(jìn)行故障檢測(cè)及IO輸出。DSPA主要負(fù)責(zé)與人機(jī)界面通訊及數(shù)據(jù)管理。DSPA讀取FPGA 中的電壓電流數(shù)據(jù)和故障狀態(tài)等信息在人機(jī)界面中顯示，以及傳送人機(jī)界面中的命令。DSPB主要負(fù)責(zé)重復(fù)補(bǔ)償控制+雙閉環(huán)控制算法的實(shí)現(xiàn)，控制輸出電壓電流的穩(wěn)定。5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析THD是檢驗(yàn)?zāi)孀兤餍阅艿囊粋�(gè)重要指標(biāo)，本文用THD和帶電感式鎮(zhèn)流器的鈉燈能否正常工作來(lái)驗(yàn)證三相逆變器的性能。5.1 THD 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖9 雙閉環(huán)PI 負(fù)載為鈉燈的電壓電流波形 圖10 雙閉環(huán)PI 負(fù)載為鈉燈的電壓THD 圖11 雙閉環(huán)PI+重復(fù)控制算法負(fù)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(fù)載電流畸變比較嚴(yán)重。如圖11 為在雙閉環(huán)PI 基礎(chǔ)上加上重復(fù)控制帶鈉燈的電壓電流波形，如圖12 為在雙閉環(huán)PI基礎(chǔ)上加上重復(fù)控制的電壓THD。由圖11、圖12 可得結(jié)論:利用雙閉環(huán)PI控制+重復(fù)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(fù)載電流畸變比較小。5.2 鈉燈實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用雙閉環(huán)PI控制算法實(shí)現(xiàn)的三相逆變器，帶鈉燈時(shí)會(huì)不停地閃，鈉燈不能穩(wěn)定工作，當(dāng)加上重復(fù)控制后，鈉燈不會(huì)閃爍，能夠穩(wěn)定地工作。 圖12 雙閉環(huán)PI+重復(fù)控制算法負(fù)載為鈉燈的電壓THD |
