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功率设计

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基于DSP控制的全数字UPS逆变器设计

导读: 随着信息处理技术的不断发展,尤其是计算机的广泛应用和Internet的迅猛发展,供电系统的可靠性要求越来越高,因此对不间断电源(UPS)技术指标的要求也越来越高。本文主要提出了一种数字控制的UPS逆变器结构,详细论述了控制系统的参数设计。

  1 引言

  随着信息处理技术的不断发展,尤其是计算机的广泛应用和Internet的迅猛发展,供电系统的可靠性要求越来越高,因此对不间断电源(UPS)技术指标的要求也越来越高。UPS的核心部分是一个恒频恒压逆变器,由于传统模拟控制需要使用大量的分立元器件,老化和温漂严重影响了系统的长期稳定性。基于DSP的数字控制技术能大大改善产品的一致性,同时增加了控制的柔性,提高了整个系统的稳定性和可靠性[1]。本文主要提出了一种数字控制的UPS逆变器结构,详细论述了控制系统的参数设计。

  2 系统结构

  图1是本文提出的数字控制UPS逆变器的结构框图。主电路采用了全桥结构,控制电路是以TI公司的电机控制专用DSP芯片TMS320F240为核心的全数字控制器[2]。Lf和Cf为逆变器的输出滤波电感和滤波电容,rL和rC分别为滤波元件的串联寄生电阻。考虑到控制的精确性和产品的成本,控制系统采用了电阻取样,主功率电路与控制电路共地的系统控制方法。Rs1和Rs2为输出电压取样电阻,Rc为电感电流取样电阻。电压和电流取样信号通过采样网络,输入到DSP的A/D转换口。DSP的PWM模块输出4路PWM信号经过驱动电路之后驱动4个IGBT管。

  

  3 控制系统设计

  3.1 数字双环控制器结构

  逆变器的控制有许多方案[3],本文的UPS逆变器采用了电感电流模式的数字双环PI控制方法,具体的逆变器数字控制框图如图2所示。图中的虚线框内部分为逆变器的主电路,Vref为存储在DSP程序空间内的正弦波数据表,VAB为逆变桥两桥臂中点间的电压。为了抑制反馈量中的高频噪声,提高采样的精确性,反馈通道中增加了阻容低通滤波器。电压误差信号经过数字PI调节之后的输出作为电流环的指令,电流误差信号再经过比例调节得到电流环输出。电流环输出与定时器产生的三角波比较后得到四路门极脉冲。

  

  3.2 电流环和电压环参数设计

  图3为简化的电流内环框图,Zoh为零阶保持环节,它的s域传递函数为,其中Ts为采样周期。

  

  本文设计的电压和电流采样周期均为50μs。电流环的开环脉冲传递函数为:

  

  图4为简化的电压外环控制框图。其中为电压外环数字PI控制器脉冲传递函数的一般形式,K1-K2=KITs,KI为积分系数。

  

  由于上面设计的电流内环的跟踪速度远快于电压外环,在设计电压外环时,作如下合理的简化:设电感电流已经能够跟踪指令电流,这样可以假设电流内环为一个单位比例环节1,从而得到电压外环的开环脉冲传递函数为:(忽略了电容的串连电阻rC),其闭环传递函数的特征方程为:。同样根据无差拍控制原理,令特征根为0,得到K1可以为任意常数。根据K1和K2的关系并结合仿真的方法可以确定K1。

  在上面的控制参数设计过程中,均采用了单位反馈的简化方框图,实际线路的反馈通道上肯定会有比例环节,因此在上述设计的基础上,还要根据实际的反馈比例变换控制方框图,得到最终的控制环节参数。

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