【文章內(nèi)容簡介】 為比例、積分、微分系數(shù)。其中增大 可以加快系統(tǒng)響i pK浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第一章　緒論　　　　　　　　　　　　　7應(yīng)時間，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但也會使系統(tǒng)相對穩(wěn)定性降低，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；積分的作用可以消除或減小控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但積分也有可能使系統(tǒng)的響應(yīng)變慢，并可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定。減小積分作用有利于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小超調(diào)量，但系統(tǒng)靜態(tài)誤差的消除會隨之變慢。微分的加入，可以在誤差出現(xiàn)或變化瞬間，按偏差變化的趨向進行控制，起到一個早期修正的作用，有利于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加速系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。但微分作用也可以放大系統(tǒng)的噪聲，降低系統(tǒng)抗干擾能力。滯環(huán)控制如圖 1－8 所示，其中 G(s)為被控對象，C(s) 為控制器。輸出電壓和參考正弦波電壓比較，誤差信號經(jīng)過控制器 C(s)，其輸出與滯環(huán)寬度相比較，輸出信號絕對值大于滯環(huán)寬度時，改變門極信號，這樣就可以使得輸出和參考給定在一定的誤差范圍內(nèi)。當滯環(huán)寬度越小，輸出和參考給定也就越接近，但是系統(tǒng)的開關(guān)頻率也就越高。滯環(huán)控制實現(xiàn)起來比較簡單，無需建立精確的主電路模型，穩(wěn)定性好，但是也有明顯的缺陷：開關(guān)頻率不固定，當主電路參數(shù)及負載參數(shù)變化時，開關(guān)頻率會隨之改變。針對這個缺點，出現(xiàn)了很多恒頻的滯環(huán)控制，但是實現(xiàn)起來較復(fù)雜。C ( s ) G ( s )V r m sdV0Kf正弦信號圖 1－8 滯環(huán)控制框圖瞬時值內(nèi)環(huán)反饋雙環(huán)控制框圖如圖 1－9 所示，內(nèi)環(huán)為瞬時值環(huán)，用來控制輸出電壓波形的正弦度，從而減小輸出電壓波形的畸變率。外環(huán)采用平均值環(huán)控制，以保證波形的幅值與參考值一致。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第一章　緒論　　　　　　　　　　　　　8P IP IV r m sV0整流 濾波正弦信號V r e fKf 2逆變橋G0( s )Kf 1圖 1－9 瞬時值內(nèi)環(huán)反饋雙環(huán)控制框圖電壓電流雙閉環(huán)控制最先用在直流調(diào)速系統(tǒng)中，采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器對轉(zhuǎn)速的擾動進行調(diào)節(jié)并使之穩(wěn)態(tài)無誤差，其輸出的限幅值決定允許的最大電流；電流調(diào)節(jié)器實現(xiàn)電流跟隨，過電流自動保護和及時抑制電壓擾動。這樣的系統(tǒng)具有很好的動靜態(tài)性能。逆變系統(tǒng)中通過采樣輸出電感電流（如圖 1－10 所示，C u(s)、C i(s)分別為外環(huán)和內(nèi)環(huán)控制器）或電容電流和輸出電容電壓，將外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為內(nèi)環(huán)電流環(huán)的給定，通過調(diào)節(jié)電流使得輸出電壓跟蹤參考電壓值，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。在設(shè)計上，認為電流內(nèi)環(huán)速度快于電壓外環(huán)，在設(shè)計電壓外環(huán)時，可將電流內(nèi)環(huán)看成一個比例環(huán)節(jié)，這樣電壓外環(huán)的設(shè)計可以大大簡化。實踐中，由于兩個環(huán)的互相影響，參數(shù)整定比較困難。Kf 11RV r m sV fV oiLioic逆變橋V iCu( s ) Ci( s )1L s + rL1 / C s + rcKf 2正 弦 信 號圖 1－10　電壓電流雙閉環(huán)控制框圖近年隨著微機運算處理能力的提高，許多先進的現(xiàn)代控制理論和方法在逆變器中得到應(yīng)用，如無差拍控制、滑?？刂?、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等等。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第一章　緒論　　　　　　　　　　　　　9　逆變器數(shù)字控制技術(shù)傳統(tǒng)的電源都是采用模擬控制系統(tǒng)，模擬控制經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)非常成熟。然而，模擬控制有著固有的缺點：需要大量的分立元件和電路板，元器件數(shù)量很多，制造成本比較高；大量的模擬元器件使其之間的連接相當復(fù)雜，從而使系統(tǒng)的故障檢測與維修比較困難。模擬器件的老化問題和不可補償?shù)臏仄瘑栴}，以及易受環(huán)境（如電磁噪聲，工作環(huán)境溫度等）干擾等因素都會影響控制系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性 [17]。專用模擬控制集成芯片的使用大大簡化了控制系統(tǒng)，能方便實現(xiàn)一些電路控制，但是其控制環(huán)路中的反饋控制網(wǎng)絡(luò)仍需外接大量的電容電阻等模擬器件。除存在以上所述模擬控制的缺點外，專用芯片的控制不夠靈活，要實現(xiàn)復(fù)雜、先進的控制算法很困難。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字處理器的運算速度越來越快，集成度越來越高，功能更加強大，而成本也隨著大規(guī)模的生產(chǎn)而下降，數(shù)字控制己成為當今電源發(fā)展的方向。　數(shù)字控制的特點數(shù)字控制電源與傳統(tǒng)模擬控制相比，有如下特點：1. 數(shù)字控制可以簡化硬件電路，解決模擬控制元器件老化和溫漂帶來的問題，抗干擾能力也大大的增強。2. 易實現(xiàn)先進控制，改善電源系統(tǒng)的控制效果。3. 通用性強，可以在幾乎不改變硬件的情況下，通過修改軟件來實現(xiàn)不同的控制算法或提高系統(tǒng)的性能，易于實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)品生產(chǎn)。4. 采用數(shù)字控制可以更好地與信息化接軌，使電源系統(tǒng)的操作使用界面更加人性化，可以給用戶提供更完整的操作和歷史數(shù)據(jù)，還能實現(xiàn)故障自診斷等功能。另外，可以通過通訊口，把電源系統(tǒng)接入 PC 機，實現(xiàn)遠程監(jiān)控等功能。在數(shù)字控制系統(tǒng)中要注意以下幾個問題 [18]：AD 轉(zhuǎn)換的精度和速度，采樣頻率的選取、PWM 載波頻率，計算精度，控制算法的延時等。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第一章　緒論　　　　　　　　　　　　　10AD 轉(zhuǎn)換器不可避免存在量化誤差，而這種量化誤差對系統(tǒng)來說是一個不利影響。選擇高精度的 AD 無疑能提高系統(tǒng)的控制精度，但是也同時增加了系統(tǒng)的成本。根據(jù)采樣定理，信號的采樣頻率至少為被控電路系統(tǒng)帶寬的兩倍，才不會出現(xiàn)混疊效應(yīng)。提高采樣頻率能提高控制系統(tǒng)的實時性，但是這通常受到 AD 采樣芯片的速度及微處理器速度的限制。PWM 信號頻率與功率開關(guān)的性能、開關(guān)損耗、微處理器的運算能力等息息相關(guān)。PWM 信號頻率越高，開關(guān)損耗越大，留給微處理器的運算時間越少。所以在系統(tǒng)設(shè)計時要認真考慮所選用的 PWM 頻率。在運算過程中，數(shù)據(jù)最初來自 AD 轉(zhuǎn)換器，AD 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)即采樣的分辨率首先影響后面計算所能得到的最大精度。另外，在數(shù)據(jù)處理及計算中，不可避免地存在需要對數(shù)據(jù)進行截尾等處理，這也會影響最后的控制精度。字長效應(yīng)及計算精度也是影響系統(tǒng)控制精度指標一個重要因素。在數(shù)字系統(tǒng)中不可避免地存在采樣和計算延時問題。這些延時對系統(tǒng)影響很大，不但影響系統(tǒng)的控制精度和實時性，還可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。這將在后面具體分析。由于采樣和計算所引起的數(shù)字延時，會使系統(tǒng)的帶寬變窄，動態(tài)響應(yīng)速度變慢 [13]。為了解決數(shù)字延時問題，一些設(shè)計者提出了帶觀測器的控制方法如無差拍控制（Deadbead control） 。這些方法雖然在一定程度上解決了數(shù)字延時問題，但功率電路微處理器( M C U )采樣網(wǎng)絡(luò)A D門極驅(qū)動電路P W M口外圍電路接口電 路D A 或I O 口外圍電路外設(shè)浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第一章　緒論　　　　　　　　　　　　　11圖 1－11　數(shù)字控制系統(tǒng)的一般框圖觀測器的建立需要有比較精確的被控對象模型，而且計算量也比較大，這在一些運算速度要求比較高的場合下無法實現(xiàn)。另外，由于被控對象模型的不確定性（如負載變化等） ，使這些控制方法在系統(tǒng)穩(wěn)定性與負載適應(yīng)性等方面存在一些問題。數(shù)字控制系統(tǒng)的一般框圖，如圖 1－11 所示。在設(shè)計數(shù)字控制系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的性能指標選擇合適的微處理器和 AD 轉(zhuǎn)換器及其外圍設(shè)備，以達到性價比最高?！?shù)字信號處理器（DSP）的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部資源（ TMS320LF2022） [18][19]目前，隨著計算機和信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，信號處理學(xué)科不但在理論上，而且在方法上都獲得了迅速發(fā)展。特別是信號處理器（DSP　Digital Signal Processor）的誕生與快速發(fā)展，使各種數(shù)字信號處理算法得以實時實現(xiàn)，為數(shù)字信號處理的研究和應(yīng)用打開了新局面。由于 DSP 具有豐富的硬件資源、改進的并行結(jié)構(gòu)、高速數(shù)據(jù)處理能力和強大的指令系統(tǒng)，已經(jīng)成為世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中緊隨微處理器與微控制器之后的又一個熱點，在通信、航空、航天、雷達、工業(yè)控制。網(wǎng)絡(luò)及家用電器等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第一章　緒論　　　　　　　　　　　　　12DSP 具有下列主要結(jié)構(gòu)特點：1. 采用改進型哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，可同時訪問指令和數(shù)據(jù)空間，允許數(shù)據(jù)在程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器之間進行傳輸。2. 高度的操作“ 并行性” ，在一個指令周期內(nèi)可以完成多重操作，一般能夠完成一次乘法和一次加法。3. 支持流水處理。TI 公司的 TMS320 系列支持四級流水線，如圖 1－12 所示。4. 片內(nèi)含有硬件乘法器和高性能的運算器及累加器。5. 片內(nèi)集成了 RAM，ROM，F(xiàn)LASH 及雙口 RAM 等存儲空間，并通過不同的片內(nèi)總線訪問這些空間，因此不存在總線競爭和速度匹配問題，大大提高了數(shù)據(jù)讀/寫文章的速度。6. 新型的 DSP 不但具有數(shù)據(jù)處理能力，而且集成了越來越多的其它部件，如 A/D,比較器，捕獲器，PWM，串行口及看門狗等，為將 DSP 應(yīng)用于智能測控，電機控制，電力電子技術(shù)等領(lǐng)域提供了資源條件。NN － 1N － 2N － 3N ＋ 1NN － 1N － 2N ＋ 2N ＋ 1NN － 1N ＋ 3N ＋ 2N ＋ 1N取指令譯碼取操作數(shù)執(zhí)行圖 1－12　TI 公司 TMS320 系列的四級流水線本課題中采用的控制芯片是 TI 公司專門為電機控制設(shè)計的TMS320LF2407A。這款 DSP 控制芯片有以下特點：◇　采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，使供電電壓降為 ，減小了控制器的功耗；40MIPS 的執(zhí)行速度，提高了控制器的實時控制能力。◇　片內(nèi)有 32K 字的 FLASH 程序存儲器和 字的數(shù)據(jù)/ 程序 RAM，544字雙口 RAM（DASRAM ）和 2K 字的單口 RAM（SARAM ） ?！蟆蓚€事件管理模塊 EVA 和 EVB，每個事件管理模塊包括兩個 16 位通浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第一章　緒論　　　　　　　　　　　　　13用定時器；8 個 16 位的脈寬調(diào)制（PWM）通道。可編程的 PWM 死區(qū)控制?！蟆】撮T狗定時模塊（WDT） ?！蟆?0 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時間為 500nS?？梢砸詢蓚€ 8 通道的雙排序方式采樣，或一個 16 通道排序方式采樣?！蟆∫粋€控制局域網(wǎng)絡(luò)（CAN） 模塊?！蟆〈型ㄐ沤涌冢⊿CI ） ?！蟆?6 位的串行外設(shè)接口模塊（SPI） ?！蟆?0 個可單獨編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳（ GPIO） ?！”疚倪x題意義與研究內(nèi)容本課題所要研究的 DSP 控制三相逆變系統(tǒng)主要用在中等功率等級（10KVA~30KVA）UPS 的逆變輸出級?？紤] UPS 的特殊情況，該三相逆變系統(tǒng)輸出電壓要與電網(wǎng)電壓實現(xiàn)同步跟蹤，以滿足 UPS 供電由逆變器與電網(wǎng)之間進行切換的要求。另外還要實現(xiàn) UPS 的各種復(fù)雜的邏輯關(guān)系。逆變器的主要技術(shù)指標列在表 1－1 中。表 1－1　三相逆變系統(tǒng)的主要技術(shù)指標項目 參數(shù) 項目 參數(shù)輸入直流電壓 177。380VDC 失真（線性負載） ≤2%直流電壓波動范圍 177。5% 失真（非線性負載） ≤5%額定容量 10KVA 電壓穩(wěn)定度（靜態(tài)） 177。1%功率 8KW 電壓穩(wěn)定度（動態(tài)） 177。4%額定輸出電壓 380V/220V 100%不平衡負載靜態(tài)電壓偏差 177。2%相電壓設(shè)置 200~240V 輸出頻率 50HZ/60HZ(自適應(yīng))峰值因素 ≥3：1 穩(wěn)定度 177。%（非同步）波形 正弦波 頻率同步窗口177。5%（177。2%，177。10%）面板控制平衡負載相位偏差 120186。177。1186。 100%不平衡負載相位偏差 120186。177。2186。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第一章　緒論　　　　　　　　　　　　　14過載能力100%/125%/150%維持時間 300S/10S/1S短路電流（）：200%本文的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：第一章介紹 UPS 的概況，逆變器控制的常用控制策略及采用數(shù)字控制的特點，并介紹了數(shù)字信號處理器 DSP 的特點。第二章根據(jù)本課題具體項目，介紹三相逆變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，與 UPS 相關(guān)的同步及切換邏輯，并探討如何用 DSP 實現(xiàn) SPWM 調(diào)制及實現(xiàn)數(shù)字鎖相。第三章分析逆變器的建模，并根據(jù)具體電路，設(shè)計電壓內(nèi)外環(huán)的控制參數(shù)。第四章介紹一些硬件電路的實現(xiàn)與 DSP 軟件編程，并給出逆變器的實驗波形。第五章是對本文的總結(jié)和展望。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文　　　　　　　　　　　第二章　三相逆變器系統(tǒng)設(shè)計15第二章 三相逆變器系統(tǒng)設(shè)計　三相逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三相逆變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如 圖 21 所示，主要包括三相逆變器、輸出濾波器、DSP 控制板（包括 RS485 和 CAN 接口） 、信號調(diào)理電路、雙向可控硅組成的旁路切換開關(guān)。SWMB 為維修旁路開關(guān)，TL1 為逆變輸出接觸器， SWS 為輸出開關(guān)，F(xiàn)BY 為旁路供電開關(guān)。三相逆變器采用三相半橋拓撲。DSP 控制板中的 RS485 接口是與上位機（ MCU 系統(tǒng)）進行通訊所用，上位機主要負責鍵盤操作，顯示及與微機（PC 機）通訊。CAN （現(xiàn)場控制總線）接口主要是為以后UPS 并機所留。信號調(diào)理電路主要是對反饋信號進行調(diào)理，以便于 DSP 對信號進行 AD 采樣。雙向可控硅組成的旁路切換開關(guān)