|
基于雙DSP+FPGA的三相逆變器的設計與實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實現兩個目標:高動態響應和高穩態波形精度。諸如PID、雙閉環PID、狀態反饋等控制方案，雖然能實現高動態特性，但是不能滿足高質量的穩態波形。本文利采用雙閉環PI和重復控制相結合的控制方案，首先用雙閉環PI控制算法，得到高動態特性的三相交流電，不過不能滿足高質量的穩態波形，因為用電壓質量要求比較高的非線性負載———鎮流器是電感式的鈉燈作為三相逆變器的負載時，鈉燈不能穩定的工作(會高頻率地閃爍)，針對這一問題，在雙閉環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現。實驗結果表明，加上重復控制補償后，鈉燈能夠穩定的工作，三相逆變器的穩態性能得到了很大的改善。1 三相逆變器數學模型的建立三相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，流過電感的電流為iaL、ibL、icL。以電感電流和輸出電壓為狀態變量，建立在三相靜止坐標系中的狀態空間表達式如下。狀態方程為: 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PI控制器的設計 2.1 電流環控制器的設計 控制系統的內環的控制對象是濾波電感，特點是頻帶寬、響應速度快，比例調節P即可以滿足要求。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，可得電流環控制框圖如圖2 所示: 圖2 三相逆變器控制系統電流環 得到電流環開環傳遞函數: 電流環的閉環傳遞函數: (1)電流環比例調節器的設計步驟1)看開環傳遞函數的波特圖是否滿足要求;2)看閉環傳遞函數的波特圖是否滿足要求。 (2)設計電流環截止頻率時，有2條執行準則1)從控制系統內外環分工考量，為了加快動態響應，電流環閉環截止頻率要比外環的截止頻率高且盡可能的高，并采用沒有延時的比例調節;2)從控制系統的執行機構考量，電流內環閉環截止頻率要比電力電子器件的開關頻率低。三相逆變器的電感L=0.19mH，代入(8)式得到開環的幅頻特性函數: 由上式可知0dB 時有ω=Gi/ L，由電流環截止住頻率fc=2400Hz，可得Gi=2.86。2.2 電壓環控制器的設計三相逆變器的外環采用電壓負反饋，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 電壓環控制器的開環傳遞函數為: ，按照振蕩指標法設計控制器參數，其中L=0.19mH，C=60μF，要求所得的開環伯德圖如圖4 所示。對于該控制系統，在閉環諧振峰值M最小的情況下，各變量相應的關系如下: 電壓環設計的關鍵點是定中頻寬h，根據在大量工程中的經驗表明，中頻區的寬度h通常在3到10這個范圍內。再增大h的話對于降低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 年首先提出來的，其原理來源于內模原理，加到被控對象的輸入信號除偏差信號外，還疊加了一個“過去的控制偏差”，該偏差時上一周期該時刻的控制偏差。把上一次運行時的偏差反映到現在，和“現在的偏差”一起加到被控對象進行控制，這種控制方式，偏差重復被使用，稱為重復控制。經過幾個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。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個周期開始輸出信號yout跟能精確地跟蹤輸入信號rin，如圖7，位置跟蹤誤差越來越小，在第4個周期誤差不再減小。 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 即現場可編程邏輯門陣列，采用XlLlNX公司的芯片。本設計采用的DSP芯片是一款定點型DSP，具有強大的數據運算能力，主頻最高達150MHz，廣泛應用于控制領域。FPGA具有強大的邏輯運算能力，能并行快速進行多組邏輯判斷，根據DSP 和FPGA 的功能特點，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行模數轉換并讀取結果，同時把結果傳送給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+雙閉環控制算法的實現，控制輸出電壓電流的穩定。5 實驗結果及其分析THD是檢驗逆變器性能的一個重要指標，本文用THD和帶電感式鎮流器的鈉燈能否正常工作來驗證三相逆變器的性能。5.1 THD 實驗結果 圖9 雙閉環PI 負載為鈉燈的電壓電流波形 圖10 雙閉環PI 負載為鈉燈的電壓THD 圖11 雙閉環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PI控制算法帶鈉燈的電壓電流波形，圖10 為雙閉環PI 控制算法的電壓THD。用雙閉環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PI控制+重復控制帶鈉燈， 電壓的THD比單純用雙閉環PI控制要小得多，為1.30%，而且負載電流畸變比較小。5.2 鈉燈實驗結果采用雙閉環PI控制算法實現的三相逆變器，帶鈉燈時會不停地閃，鈉燈不能穩定工作，當加上重復控制后，鈉燈不會閃爍，能夠穩定地工作。 圖12 雙閉環PI+重復控制算法負載為鈉燈的電壓THD |
