基于DSP和增量式PI電壓環控制的逆變器研究

2.2 增量式PI算法及其優化

PI環節的傳遞函數為式（9），其對應的時域方程式為

y（t）=k_p（13）

式中：y（t）為PI輸出；

e（t）為PI差動輸入；

T_i為積分時間常數；

k_p為比例系數。

對式（13）離散化得

y_k=k_p（14）

式中：T_s為采樣時間。

這即是位置式PI控制，而若采用增量式PI控制，可避免誤動作，同時運算不需要累加，對數字控制尤其方便。由式（14）可得

y_k－1=k_p（15）

由式（14）與（15）可得

y_k=y_k-1＋k_pe_k－k_p·e_k－1（16）

式（16）為一般的增量式PI算法，但實際控制中，很多不穩定因素易造成增量較大，甚至比輸出還大，進而造成輸出波形不穩定，因此，必須對增量式PI算法進行優化。本方案采用飽和區判斷法則，即對增量

Δy_k=kpe_k－k_p·e_k－1（17）

進行判斷，當其絕對值越過某一上限ΔY_lim，即進入飽和區時，將ΔY_lim賦予絕對值。但是，即使對增量進行飽和區判斷后，其輸出由于累加的結果，也可能很大，甚至超過載波幅值。因此，也必須對PI輸出進行限幅處理，此時，可以以調制波幅值作為限幅值，也可簡單地以載波幅值作為限幅值，等穩定后這個幅值將不會超過調制波幅值。

2.3 DSP控制算法的實現

TI公司的TMS320LF2407A的最高工作頻率可達40MHz，存儲結構為哈佛結構，數據、程序和I/O空間的尋址區域均可高達64k，且相互獨立，片內則有32k的flash空間。同時片上具有A/D模塊，其分辨率為10位，片上還具有PWM輸出口，能實現同相、反相輸出，還能添加死區控制，能較好地完成電壓環控制算法的實現[4]。

程序中采用最高工作頻率40MHz，開關頻率為20kHz，運用定時器的周期中斷，使用連續增或者減模式，產生對稱的三角載波。設置比較輸出使能，利用比較寄存器CMPR1和CMPR2的值控制PWM1～PWM4的輸出，產生兩路同相和反相的PWM信號，控制開關管的開通和關斷。同時為避免上下橋臂同時導通，程序中加入0.5μs的死區控制。而CMPR1與CMPR2的計算，則由每一個周期中斷給出。周期中斷時，通過采樣電壓反饋值，經過優化的PI增量式控制后，產生占空比D，由D與定時期周期即可得CMPR1和CMPR2的值。圖7為周期中斷的程序流程圖。

圖7 周期中斷流程圖

3 實驗結果

實驗主電路為單相全橋電路，如圖1所示，其中開關管采用20N60S的MOS管，濾波電感取1mH，濾波電容取10μF，負載R取40Ω，輸入直流電壓為250V，開關頻率取20kHz。PI算法中比例系數取39，積分時間常數取（1/3140）s。

圖8為輸出電壓波形，從圖8中可以看出，輸出電壓峰值為200V，頻率為50Hz，且THD很小，輸出波形穩定。

圖8 逆變器輸出波形

圖9為滿載切向半載時輸出波形的變化，從圖9中可以看出，輸出經過輕微擾動后，馬上恢復穩定，可見動態性能比較好。

圖9 滿載切半載時輸出電壓波形

4 結語

本文提出的逆變器方案，采用電壓瞬時值控制，反饋環采用增量式PI控制，并對PI增量和PI輸出進行限幅控制，確保了輸出的穩定性和精度，同時避免誤擾動，有較好的動態性能。控制器采用TI公司的TMS320LF2407A來實現，較好地完成了控制算法。