单DSP控制两级变换逆变器.pdf

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第26卷第4期
电工电能新技术
Vol 26, No4
2007年10月
Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy
Oct.2007
单DSP控制两级变换逆变器
王凤岩2,赵伟刚',许建平2
(1.电子科技集团公司第29研究所电子对抗国防科技重点实验室,四川成都610036;
2.西南交通大学电气工程学院,四川成都610031)
摘要;本文研究了一种单DSP控制“DC/DC直流变換器+DC/AC逆变器”两级变換器,介绍了电路
的基本原理,在建立数字控制DC/DC直流变換器和DC/AC逆变器精确模型的基础上设计了两种变
换器的控制传递函数,对数字控制的时间延迟对控制性能的影响进行了理论和仿真分祈研究。并
在500VA28VDC/I15V400Hz逆変器样机上进行了实验,对设计电路和控制传递函数设计的有效性
进行了验证。
关键词:逆变;变換器;数字控制;DSP
中图分类号:mM46
文献标识码
文章编号:1003-3076(2007)04-0060-05
分析了数字控制的时间延迟对控制性能的影响。
1引言
2硬件设计
两级变换是逆变电源常采用的一种实现方式
即先采用隔离的DC'DC变换电路升高直流电压,再
逆变电源的硬件框图如图1所示,根据电源的
采用非隔离的桥式DC/AC逆变电路产生正弦电压指标要求,DC/DC变换器采用推挽拓扑,整流器为全
输出。因此高频DC/DC部分和DCAC部分的控制桥整流,输出滤波电路:L=141H,C1=470pF;DC
相对独立,整个功率电路可以分为DC/DC变换器和AC变换器采用全桥逆变电路,输出滤波电路:L2=
DC/AC变换器两部分独立设计和调试り。
1.2MH, C,= Iufo
采用模拟控制的两级变换逆变电源中,DC/AC
__DC①C变搀_一
DC/ACRR
变换器往往是开环控制,这样虽然前级DC/DC变换
DC1开关电降FAC
I LFAC
对输入电压扰动具有较好的抑制能力,但是对于负
载扰动的响应速度很慢,并且难以得到高质量的静
高频变压器整流波器
被器交清负
态波形2。基于此本文研制了一种两级都是闭环控
制的逆变电源,并且两级采用同一片DSP进行反馈
控电路
控制。该设计不但简化了控制部分的硬件电路,而
且对输人和输出扰动都具有很好的抑制能力。电源
图1两级变换逆变电源
的主要指标为:功率500VA,输入电压28VDC;输出
Fig 1 Diagram of two level transform inverter
400Hz115V正弦电压
根据参考文献[3,4]可知,DC/DC变换器和DC/
此外逆变器在采用DSP反馈控制后,若仍然采AC变换器的的“控制-输出”连续域传递函数都可以
用传统的连续域的方法来设计校正传递函数,则难简化为
以将数字控制固有的时间延迟、采样保持等影响考
V。(sREC1+1)
虑进去,从而影响最终的控制效果。本文在介绍电
D
t sL C
路硬件设计的基础上,着重研究了数字控制变换器
在离散域的建模以及校正传递函数的设计,并详细其中:V。为变换器的输出电压;D为占空比;Ra为
收稿目期:2007-05-23
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50677056)
作者简介:王风岩(1975-),男,山东籍,博士后,研究方向为高频开关电源;
许建平(19%63-),男,贵州籍,教授/博导,从事电力电子与电力传动方向研究。
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第4期
王风岩,等:单DSP控制两级变换逆变器
滤波电容的寄生串联电阻(ESR);R为变换器的等
该建模方法与图2a)的最大区别在于,设计中
效负载;L1、C1分别为L1、C1或者2、C2
考虑了零阶采样保持Z0H和控制中的时间延迟H
由(1)式可知该传递函数是一个含有复极点和的影响,将它们与变换器的功率级模型C。(s)一并
个零点的系统,其中复极点是由滤波电容和滤波进行z变換,得到离散域模型G,(z)然后再在离散
电感的低通滤波产生的,而零点则是由滤波电容和域进行设计,求得控制器的传递函数C.(x)。这样
其ESR引起的。通常零点的频率高于极点的位得到的模型会更精准。
置
在连续域中采样保持的传递函数为:
数字控制电路采用德州仪器的TMS320F2812作
为控制部分的核心,该DSP具有两个事件管理器
SF(s)=1ーe
(2)
刚好可以分别对DC/DC变换器和DC/AC变換器分
图2b)中计算延迟模块H。包含了由AD转换
別进行控制。事件管理器可以将AD转换、定时计的转换时间引起的延迟,以及PWM占空比数据更
数器和PWM输出等模块组合到一起,最大限度地新的时间延迟,如果总的时间延迟为7,则:
节约了闭环控制的CPU时间,同时还可以方便地实
H ()=e
现电路保护和通信等功能。
在直接数字设计的方法中,连续时间的功率级
3数字控制器的建模与设计
模型首先Z0H采样离散化
3.1功率级的z域模型
H.(s)?G,(s)·K
开关电源模拟控制器的设计都是基于s域进行
的,数字控制也可沿用模拟控制的设计方法,如图2
设计中可以利用 matlab实现上式的变换。一旦
a)所示,仍然采用s域的设计方法,在得到s域的控得到了功率级的离散域模型Gn(z)就可以采用离散
制器传递函数之后再进行x变换得到数字控制器的域的设计方法对数字控制器G.(x)进行设计了。
参数?。图中:G,(s)为变换器功率级传递函数;32DC/DC开关电源控制器设计
K、为反馈检测比例系数;K。为PWM调制比例系
由式(1)可得DC/DC变换器的功率级传递函数
数;C.(s)为设计的控制传递函数。
794(s+1.6x10°)
s2+212.6s+4.4x107)
若不考虑控制引起的时间延迟,即7。=0,利用
式(4)可得
0.06(x+0.8241)
Gde
)(z-0.99)
a)s域设计
b)z域设计
则利用 Matlab的“ SISOTOOL”采用自动控制的滞后
a) design in s domain b) design in z domain
超前校正方法,经过零极点设计可得校正传递函数
图2数字控制的设计框图
Fig. 2 Diagrarn of digital control design
Cn(2)_3.12(x-0.96)(z-0.91)
该方法虽然设计简便,但是数字控制的时间延
z-1)(x-0.056
(7)
迟和采样保持等影响难以考虑进去,因此我们采用
对应的开环传递函数波特图如图3所示,由图
可知:相位裕量为46.9°,穿越频率为2.76x10rad/s
直接数字建模的方法建立系统的数学模型,变换器
(即4.4KHz)。经过仿真可知相应的阶跃响应主要
的系统模型框图可以表示为图2b)所示的形式,其
瞬态指标为:超调M。=24.9%;上