基于DSP實(shí)現(xiàn)的無(wú)差拍控制逆變器

隨著計(jì)算機(jī)以及各種精密自動(dòng)化設(shè)備、電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用于通信、工業(yè)自動(dòng)化控制、辦公自動(dòng)化等領(lǐng)域, 逆變器作為UPS的重要組成部分，近年來(lái)得到了迅速展。對(duì)逆變器的控制成為研究重點(diǎn)，即要求其輸出波形穩(wěn)態(tài)精度高、總諧波畸變率低和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。目前，瞬時(shí)PID控制、重復(fù)控制等技術(shù)都在應(yīng)用中占有重要地位。但這兩種技術(shù)都有難以克服的缺點(diǎn)，如瞬時(shí)PID控制難以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化；重復(fù)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。美國(guó)著名控制理論專家卡爾曼于60年代初提出了數(shù)字控制的無(wú)差拍控制思想。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，80年代中期，無(wú)差拍控制被應(yīng)用于逆變器控制，它具有瞬時(shí)響應(yīng)快、精度高、THD小等特點(diǎn)，是一種優(yōu)秀的控制策略。

　　1 無(wú)差拍控制逆變器的控制原理

　　無(wú)差拍控制是一種通過(guò)狀態(tài)的數(shù)字瞬時(shí)反饋，利用微處理器的高速數(shù)值計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)的全數(shù)字化控制方式。圖1為逆變器主電路，由逆變橋、LC濾波器和阻性負(fù)載組成。LCR可以由狀態(tài)方程表示：

　　2 無(wú)差拍控制逆變器的實(shí)現(xiàn)

　　德州儀器公司(Texas Instrument)開(kāi)發(fā)的第三代數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor)TMS320F240系列具有16位高速定點(diǎn)運(yùn)算功能。這種型號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理器芯片具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1) 很高的處理速度。單指令執(zhí)行周期為50ns，即每秒可執(zhí)行兩千萬(wàn)條指令。芯片內(nèi)有專用的16*16硬件乘法器，并設(shè)置有8級(jí)硬件堆棧和四級(jí)流水線處理結(jié)構(gòu)，極大地提高了對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理速度。544kB的高速片內(nèi)雙向存取RAM使得片內(nèi)數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)高速傳送；

　　(2) 特有的并行結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的馮-諾依曼結(jié)構(gòu)中程序代碼和數(shù)據(jù)單元是統(tǒng)一編址的，而F240采用改進(jìn)的Harvard結(jié)構(gòu)，程序區(qū)與數(shù)據(jù)區(qū)存儲(chǔ)單元是分開(kāi)的，取指令和數(shù)據(jù)存取可同時(shí)進(jìn)行。這樣使得處理速度進(jìn)一步提高；

　　(3) 豐富的指令集提供了靈活的編程能力。不僅能實(shí)現(xiàn)各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算功能 ，而且能很方便地完成程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)之間的信息傳遞；

　　(4) 高度集成的內(nèi)部資源。芯片中嵌入了專用的事件管理器(Event Manager)，能很方便地捕獲事件中斷和輸出各種PWM波形。片內(nèi)還集成了A/D轉(zhuǎn)換器、串行通訊、I/O接口等外圍功能，因此十分容易構(gòu)造控制系統(tǒng)，而且極大地減少了硬件開(kāi)銷(xiāo)。

　　由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，DSP F240系列尤其適合實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制所需的實(shí)時(shí)化、高速處理的要求。其內(nèi)部資源包括:

　　(1) 三個(gè)獨(dú)立的16位硬件定時(shí)器，具有6種工作模式；輸出共有12路PWM脈沖，便于實(shí)現(xiàn)單相半橋、全橋和三相全橋（可設(shè)置死區(qū)，以及實(shí)施空間矢量PWM控制）的電力電子變換器控制；

　　(2) 具有三路外部硬件中斷和4個(gè)外部事件捕獲中斷（Capture），系統(tǒng)中有RESET復(fù)位中斷、掉電中斷PDPINT、非屏蔽中斷NMI等軟件資源，為系統(tǒng)的安全工作提供了保障，同時(shí)可以對(duì)特殊事件進(jìn)行及時(shí)處理；

　　(3) 兩個(gè)獨(dú)立的10位精度A/D采樣轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部帶PLL鎖相環(huán)的時(shí)鐘單元，看門(mén)狗監(jiān)控單元Watchdog，串行同步口SPI和串行異步口SCI，28個(gè)可編程多路復(fù)用I/O口等 。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　在理想狀態(tài)下，用MATLAB對(duì)無(wú)差拍控制半橋逆變器進(jìn)行仿真。其電路參數(shù)為：L=1mH，C=20μF，開(kāi)關(guān)頻率為10kHz。直流母線電壓E=300V，輸出50Hz，100V峰值交流 。其輸出波形如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)充分利用了TMS320F240的事件管理器功能和中斷，實(shí)現(xiàn)無(wú)差拍控制。圖3、圖7為控制主程序和中斷服務(wù)子程序的流程圖。主程序包括初始化(開(kāi)放和設(shè)置相應(yīng)中斷)、啟動(dòng)檢測(cè)和軟啟動(dòng)；T1周期中斷服務(wù)程序包括讀正弦表、系數(shù)計(jì)算和啟動(dòng)母線電壓的檢測(cè)，如圖4。T2下溢中斷服務(wù)程序用來(lái)啟動(dòng)UC、IC的檢測(cè)。A/D完畢中斷服務(wù)則用來(lái)處理母線電壓檢測(cè)完畢后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和UC、IC檢測(cè)完畢后ΔT的計(jì)算，如圖6。圖8是中斷服務(wù)程序的時(shí)序分布圖，1、3分別是T1周期中斷服務(wù)程序和T2下溢中斷服務(wù)程序；2、4是A/D完畢中斷服務(wù)程序的兩次響應(yīng)。其中，1、3相差50μs (0.5T)，1、2和3、4相差7μs (A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間)。圖9和圖10是逆變器的輸出波形及其各次諧波所占的比例。根據(jù)圖10可計(jì)算其諧波畸變率為0.8%。