基于DSP实现的无差拍控制逆变器
发布时间:2008/5/27 0:00:00 访问次数:376
随着计算机以及各种精密自动化设备、电子设备被广泛应用于通信、工业自动化控制、办公自动化等领域, 逆变器作为ups的重要组成部分，近年来得到了迅速展。对逆变器的控制成为研究重点，即要求其输出波形稳态精度高、总谐波畸变率低和动态响应快。目前，瞬时pid控制、重复控制等技术都在应用中占有重要地位。但这两种技术都有难以克服的缺点，如瞬时pid控制难以实现数字化；重复控制的动态响应慢。美国著名控制理论专家卡尔曼于60年代初提出了数字控制的无差拍控制思想。随着电力电子技术的发展，80年代中期，无差拍控制被应用于逆变器控制，它具有瞬时响应快、精度高、thd小等特点，是一种优秀的控制策略。
1 无差拍控制逆变器的控制原理
无差拍控制是一种通过状态的数字瞬时反馈，利用微处理器的高速数值计算功能实现的全数字化控制方式。图1为逆变器主电路，由逆变桥、lc滤波器和阻性负载组成。lcr可以由状态方程表示：
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于图1所示电路，uin可以是单极性，也可以是双极性的 。若uin为图2所示双极性，则可将式(1)离散化［1］［2］：
2 无差拍控制逆变器的实现
德州仪器公司(texas instrument)开发的第三代数字信号处理器(digital signal processor)tms320f240系列具有16位高速定点运算功能。这种型号的数字信号处理器芯片具有如下优点：
(1) 很高的处理速度。单指令执行周期为50ns，即每秒可执行两千万条指令。芯片内有专用的16*16硬件乘法器，并设置有8级硬件堆栈和四级流水线处理结构，极大地提高了对数字信号的处理速度。544kb的高速片内双向存取ram使得片内数据能够实现高速传送；
(2) 特有的并行结构。传统的冯-诺依曼结构中程序代码和数据单元是统一编址的，而f240采用改进的harvard结构，程序区与数据区存储单元是分开的，取指令和数据存取可同时进行。这样使得处理速度进一步提高；
(3) 丰富的指令集提供了灵活的编程能力。不仅能实现各种算术和逻辑运算功能 ，而且能很方便地完成程序区和数据区之间的信息传递；
(4) 高度集成的内部资源。芯片中嵌入了专用的事件管理器(event manager)，能很方便地捕获事件中断和输出各种pwm波形。片内还集成了a/d转换器、串行通讯、i/o接口等外围功能，因此十分容易构造控制系统，而且极大地减少了硬件开销。
由于具有上述优点，dsp f240系列尤其适合实现数字化控制所需的实时化、高速处理的要求。其内部资源包括:
(1) 三个独立的16位硬件定时器，具有6种工作模式；输出共有12路pwm脉冲，便于实现单相半桥、全桥和三相全桥（可设置死区，以及实施空间矢量pwm控制）的电力电子变换器控制；
(2) 具有三路外部硬件中断和4个外部事件捕获中断（capture），系统中有reset复位中断、掉电中断pdpint、非屏蔽中断nmi等软件资源，为系统的安全工作提供了保障，同时可以对特殊事件进行及时处理；
(3) 两个独立的10位精度a/d采样转换器，内部带pll锁相环的时钟单元
随着计算机以及各种精密自动化设备、电子设备被广泛应用于通信、工业自动化控制、办公自动化等领域, 逆变器作为ups的重要组成部分，近年来得到了迅速展。对逆变器的控制成为研究重点，即要求其输出波形稳态精度高、总谐波畸变率低和动态响应快。目前，瞬时pid控制、重复控制等技术都在应用中占有重要地位。但这两种技术都有难以克服的缺点，如瞬时pid控制难以实现数字化；重复控制的动态响应慢。美国著名控制理论专家卡尔曼于60年代初提出了数字控制的无差拍控制思想。随着电力电子技术的发展，80年代中期，无差拍控制被应用于逆变器控制，它具有瞬时响应快、精度高、thd小等特点，是一种优秀的控制策略。
1 无差拍控制逆变器的控制原理
无差拍控制是一种通过状态的数字瞬时反馈，利用微处理器的高速数值计算功能实现的全数字化控制方式。图1为逆变器主电路，由逆变桥、lc滤波器和阻性负载组成。lcr可以由状态方程表示：
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于图1所示电路，uin可以是单极性，也可以是双极性的 。若uin为图2所示双极性，则可将式(1)离散化［1］［2］：
2 无差拍控制逆变器的实现
德州仪器公司(texas instrument)开发的第三代数字信号处理器(digital signal processor)tms320f240系列具有16位高速定点运算功能。这种型号的数字信号处理器芯片具有如下优点：
(1) 很高的处理速度。单指令执行周期为50ns，即每秒可执行两千万条指令。芯片内有专用的16*16硬件乘法器，并设置有8级硬件堆栈和四级流水线处理结构，极大地提高了对数字信号的处理速度。544kb的高速片内双向存取ram使得片内数据能够实现高速传送；
(2) 特有的并行结构。传统的冯-诺依曼结构中程序代码和数据单元是统一编址的，而f240采用改进的harvard结构，程序区与数据区存储单元是分开的，取指令和数据存取可同时进行。这样使得处理速度进一步提高；
(3) 丰富的指令集提供了灵活的编程能力。不仅能实现各种算术和逻辑运算功能 ，而且能很方便地完成程序区和数据区之间的信息传递；
(4) 高度集成的内部资源。芯片中嵌入了专用的事件管理器(event manager)，能很方便地捕获事件中断和输出各种pwm波形。片内还集成了a/d转换器、串行通讯、i/o接口等外围功能，因此十分容易构造控制系统，而且极大地减少了硬件开销。
由于具有上述优点，dsp f240系列尤其适合实现数字化控制所需的实时化、高速处理的要求。其内部资源包括:
(1) 三个独立的16位硬件定时器，具有6种工作模式；输出共有12路pwm脉冲，便于实现单相半桥、全桥和三相全桥（可设置死区，以及实施空间矢量pwm控制）的电力电子变换器控制；
(2) 具有三路外部硬件中断和4个外部事件捕获中断（capture），系统中有reset复位中断、掉电中断pdpint、非屏蔽中断nmi等软件资源，为系统的安全工作提供了保障，同时可以对特殊事件进行及时处理；
(3) 两个独立的10位精度a/d采样转换器，内部带pll锁相环的时钟单元
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