基于DSP和增量式PI電壓環控制的逆變器研究

摘要：研究了一種基于數字控制的逆變器，該方案采用電壓瞬時值環控制，以提高輸出穩定性，同時兼顧輸出動態性能。反饋電路中采用增量式PI法則，并對PI增量及PI輸出進行限幅控制,避免因誤擾動造成輸出的不穩定，進一步確保系統的穩定性與動態性能。采用TMS320LF2407A來實現算法，并進行了一個輸出最大值為200V，輸出功率為500W的逆變器實驗。

關鍵詞：逆變器；電壓環控制；增量式PI；DSP控制

0 引言

目前，逆變器應用最為廣泛的PWM技術中，SPWM控制具有很多優點。其控制技術主要有電壓瞬時值單環反饋、電流瞬時值單環反饋、電壓電流雙環反饋環控制及電壓空間矢量控制。電壓環使系統有較好的穩定性，瞬時值反饋則增強系統的動態性能[1]。電壓環采用PI控制，其中比例環節及時反映控制系統的偏差信號，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差；積分環節主要用于消除靜差，提高系統的無差度。相對于位置式控制，增量式控制誤動作影響小，必要時可以用邏輯判斷的方法去掉；且手動/自動切換時沖擊小，便于實現無擾動切換；同時其算式中不需要累加，比較容易通過加權處理而獲得比較好的控制效果[2]。

相對于數字控制，傳統的模擬控制已暴露諸多缺點：需要大量的分立元器件和電路板，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雜；模擬器件的老化問題和不可補償的溫漂問題，以及易受環境干擾等因素都會影響控制系統的長期穩定性。隨著微處理器的可靠性與質量的不斷提高，數字控制已經在逆變控制中占據著主導地位[3]，本文提出了一種基于DSP控制的方案。

1 逆變器建模

單相全橋逆變器如圖1所示，E為輸入直流電壓，S₁～S₄為開關管，L為濾波電感，r為電感等效內阻，C為濾波電容，R為負載。

圖1 單相全橋逆變器

將電感用L_s表示，電容用1/C_s表示，可推導出輸出電壓V_o（s）與AB兩點間電壓V_i（s）之間的傳遞函數G（s）如式（1）所示。

G（s）==（1）

忽略電感等效內阻，則式（1）可簡化為

G（s）=（2）

在一個開關周期中，當S₁及S₄導通時，v_i為－E；當S₂及S₃導通時，v_i為E。由于開關頻率與輸出頻率相比為400，故一個開關周期中可以用平均值代替瞬時值。

v_i=ED＋(－E)(1－D)=(2D－1)E（3）

本方案采用雙極性SPWM，故

D=（4）

式中：v_m為正弦波信號，v_m=V_msinωt；

V_tri為三角載波峰值。

則調制比M為

M=（5）

將式（5）代入式（3）可得

v_i≈（6）

轉化為頻域有

（7）

由式（7）與式（1）可得式（8）

（8）

此即逆變器輸出傳遞函數，由此可得逆變器的等效框圖如圖2所示。

圖2 逆變器等效框圖