電氣自動(dòng)化--基于DSP的交流不間斷電源的應(yīng)用研究

1、摘要本文提出了一種基于兩個(gè)并聯(lián)控制器的新型控制方案，以提高UPS用PWM逆變器(pulse-width-modulated)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)?？刂破饔芍貜?fù)控制器和瞬時(shí)控制器組成。為了消除周期性干擾，設(shè)計(jì)了重復(fù)控制器，并對(duì)瞬時(shí)控制器進(jìn)行了綜合，以改善系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)。給出了重復(fù)控制器和瞬時(shí)控制器的綜合設(shè)計(jì)方法。采用德州儀器公司的TMS320F240單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了該控制方案。建造了一個(gè)7.5kVA的UPS，以驗(yàn)證擬議的控制方案。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于DSP的全數(shù)字控制UPS既能實(shí)現(xiàn)較低的總諧波失真，又能獲得良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。關(guān)鍵詞：不間斷電源，數(shù)字化控制，DSPABSTRACTThis paper p

2、roposes a new control scheme based on two parallel controllers to improve the steady-state and transient response of a PWM-pulse-width-modulated UPS. The controller consists of a repeating controller and a momentary controller. In order to eliminate periodic interference, a repeating controller is d

3、esigned and a transient controller is integrated to improve the transient response of the system. The comprehensive design method of repetitive controller and instantaneous controller is given. The TMS320F240 single-chip microcomputer of Texas Instruments was used to implement the control scheme. A

4、7.5kVA UPS was built to validate the proposed control scheme. Simulation and experimental results show that the DSP-based fully digitally controlled UPS can achieve both low total harmonic distortion and good dynamic response.Keywords：Uninterruptible power supply, digital control,DSP目錄摘要1ABSTRACT1第一

5、章 緒論41.1研究的背景及意義41.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀51.3 本課題主要研究?jī)?nèi)容6第二章 UPS分類(lèi)與工作原理62.1UPS概述62.2UPS的分類(lèi)72.2.1后備式 UPS72.2.2 在線互動(dòng)式72.2.3 雙變換在線式82.3基于DSP的UPS的整體結(jié)構(gòu)92.4總結(jié)10第三章 逆變電路及脈寬調(diào)制技術(shù)研究103.1方波逆變電路103.2無(wú)差拍控制逆變器的控制原理113.3脈寬調(diào)制控制技術(shù)123.4本章小結(jié)12第四章 基于DSP的UPS系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)134.1主電路圖和轉(zhuǎn)換器模型134.2控制方法分析144.3重復(fù)控制器設(shè)計(jì)144.4.1穩(wěn)定性分析154.4.2補(bǔ)償器設(shè)計(jì)164.4.

6、3帶限濾波器174.5瞬時(shí)控制器設(shè)計(jì)17第五章 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果19第六章 總結(jié)21致謝21參考文獻(xiàn)22第一章 緒論1.1研究的背景及意義隨著科學(xué)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，電力系統(tǒng)在我們的生活中起到了必不可少的作用，各個(gè)行業(yè)也都依賴于電力系統(tǒng)，例如醫(yī)療、航空、高鐵等產(chǎn)業(yè)設(shè)備，而這些產(chǎn)業(yè)對(duì)電力的要求越來(lái)越高。越來(lái)越多的重要數(shù)據(jù)信息（如銀行數(shù)據(jù)庫(kù)、證券交易系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等）要計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)掘存儲(chǔ)和處理，如果計(jì)算機(jī)在正常工作中突然斷電，則計(jì)群機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)和程序就會(huì)瞬間丟失或損壞，給國(guó)經(jīng)濟(jì)和國(guó)民生活帶來(lái)嚴(yán)重的影響1。而通訊行業(yè)甚至要求每分每秒都需要供電，對(duì)供電的壓力、頻率等方面有著很高的要求，而傳統(tǒng)的電源也

7、已經(jīng)不能再滿足人們對(duì)日常生活的需求。為了解決供電系統(tǒng)中的弊端，交流不間斷電源應(yīng)運(yùn)而生。交流不間斷電源即Uninterruptible Power Supply，簡(jiǎn)稱(chēng)UPS，它主要的目的是不間斷供電，提高輸出電能的質(zhì)量和穩(wěn)定的電壓。一開(kāi)始的UPS使用的是模擬控制電路系統(tǒng)，這種電路由大量的元器件組成，雖然由模擬控制系統(tǒng)組成的UPS已經(jīng)隨著技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越成熟，但是仍然存在著些許不足與缺點(diǎn)：（1）電路元器件較多；（2）線路過(guò)于復(fù)雜；（3）制作成本過(guò)高等。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的UPS基本上采用數(shù)字控制技術(shù)。DSP芯片解決了控制系統(tǒng)帶來(lái)的電路元件器件較多，線路復(fù)雜等缺陷，它性能可靠，外形簡(jiǎn)單，體積輕小，

8、降低了成本?，F(xiàn)在，高性能的 DSP 芯片已經(jīng)開(kāi)始被人們應(yīng)用于 UPS 當(dāng)中，采用 DSP 作為數(shù)字式控制核心的 UPS 擁有下面的幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1） 器件老化和溫漂對(duì)系統(tǒng)的影響很小，系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)性能更加穩(wěn)定；（2） DSP 自身可同時(shí)生成用于斬波電路和逆變電路的控制 ，從而可以極大地減少外圍元器件的數(shù)量，方便新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)；（3） 僅通過(guò)控制程序的更新就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的改造或升級(jí)，應(yīng)用靈活性好；（4） DSP 擁有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，復(fù)雜的控制算法也可以通過(guò) DSP 實(shí)現(xiàn)；（5） DSP 芯片自帶有 SCI、SPI 和 e CAN 等多種通信接口，方面聯(lián)機(jī)通訊的實(shí)現(xiàn)，也方便多個(gè)設(shè)備的聯(lián)機(jī)監(jiān)控和調(diào)試 ，

9、方便 UPS 網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)2-5 。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀UPS自成立以來(lái)，受到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。 如果突然停電，它可以為電氣設(shè)備供電。 它的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用已成為當(dāng)今世界上非常有吸引力的新興產(chǎn)業(yè)。 隨著現(xiàn)代電力電子設(shè)備的飛速發(fā)展和其性能的不斷提高，以及電路控制器的不斷改進(jìn)，不間斷電源再次顯示出其強(qiáng)大的生命力，尤其是在集成度和成本性能方面。 由于簡(jiǎn)單的外圍控制電路和良好的性能指標(biāo)，國(guó)際同行日益尋求它。UPS是一種新型的電源系統(tǒng)。從1960年代初期到現(xiàn)在，盡管只有幾十年，但發(fā)展很快。在控制技術(shù)方面：最初的不間斷電源使用簡(jiǎn)單的模擬電路，而沒(méi)有復(fù)雜的控制邏輯。當(dāng)主電源被切斷時(shí)，發(fā)電機(jī)組被打開(kāi)以實(shí)現(xiàn)電

10、源開(kāi)關(guān)。后來(lái)，使用了低級(jí)位微控制器。作為控制裝置，電池被用作能量存儲(chǔ)元件。當(dāng)主電源斷開(kāi)時(shí)，微控制器通過(guò)軟件程序啟動(dòng)逆變器，以將電池的直流電流轉(zhuǎn)換為交流電壓并將其提供給負(fù)載。 UPS在中期使用高端16位微控制器。并以32位單片機(jī)為控制裝置，實(shí)現(xiàn)了UPS的快速便捷控制；目前，大多數(shù)使用數(shù)字信號(hào)處理器的DPS控制電路，可以實(shí)現(xiàn)智能控制，故障檢測(cè)和實(shí)時(shí)通訊的功能6。在功率設(shè)備方面，早期的UPS使用獨(dú)立的電子組件，效率相對(duì)較低。 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前大部分的UPS的使用晶閘管，高容量的功率晶體管IGBT，和絕緣柵雙極型管體的高功率開(kāi)關(guān)設(shè)備，大大提高了單個(gè)UPS的容量和可靠性。1982年，日本三菱公

11、司成功開(kāi)發(fā)了一種新型的功率器件，該器件具有場(chǎng)效應(yīng)頻特性，可控的柵極電壓，小的驅(qū)動(dòng)電流和大的電流處理能力，即絕緣柵雙極型晶體管IGBT， 山特是第一家應(yīng)用該器件的公司。從那時(shí)起，UPS電源經(jīng)歷了巨大的改革。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)UPS技術(shù)起步較晚。 目前，國(guó)內(nèi)主要的電源制造商和大學(xué)都在進(jìn)行相關(guān)的研究工作，但大多數(shù)仍處于試驗(yàn)階段，實(shí)際生產(chǎn)和民用之間還有長(zhǎng)的時(shí)間。 目前，國(guó)內(nèi)許多制造商只能生產(chǎn)中小型不間斷電源，但其性能和可靠性與國(guó)外產(chǎn)品仍有一定距離，大多數(shù)國(guó)內(nèi)大型電源市場(chǎng)都被外國(guó)公司占領(lǐng)。隨著新的UPS電源技術(shù)的出現(xiàn)及其在實(shí)踐中的逐步應(yīng)用，可以想象到，未來(lái)的電源將朝著智能，網(wǎng)絡(luò)，高頻，綠色和數(shù)字化的方

12、向發(fā)展。1.3 本課題主要研究?jī)?nèi)容本文DSP的交流不間斷電源所做的研究如下：第一章：通過(guò)閱讀大量的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn),敘述課題研究的意義,同時(shí)分析了國(guó)內(nèi)外相關(guān)的現(xiàn)狀,在此基礎(chǔ)上提出本課題的研究設(shè)計(jì)工作。第二章：介紹了UPS的概念，再根據(jù)UPS的工作原理分為了三類(lèi)：后備式 UPS、在線互動(dòng)式、雙變換在線式；介紹了三種不間斷電源的系統(tǒng)框圖。最后給出了基于DSP控制的在線式UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。第三章：介紹兩個(gè)常見(jiàn)的方波逆變器電路的原理，研究數(shù)字無(wú)差拍控制逆變器的控制原理，闡述脈寬調(diào)制技術(shù)的原理和各種實(shí)用的PWM調(diào)制方法，為以后的UPS電源設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。第四章：講述了系統(tǒng)基于DSP的UPS系統(tǒng)的硬件和軟件

13、設(shè)計(jì)，分別介紹了主電路圖和轉(zhuǎn)換器模型、控制方法分析、重復(fù)控制器設(shè)計(jì)、瞬時(shí)控制器設(shè)計(jì)。第五章：為了驗(yàn)證該控制方法的有效性，進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)?；贒SP的全數(shù)字控制7.5KVA的UPS逆變器工作在10KHz的開(kāi)關(guān)頻率下，和10KH的采樣頻率下。利用MATLAB和SIMULINK實(shí)現(xiàn)了UPS逆變器控制系統(tǒng)的綜合和仿真，并得出仿真結(jié)果。第六章：對(duì)論文各章節(jié)進(jìn)行總結(jié),明確了后續(xù)研究。第二章 UPS分類(lèi)與工作原理2.1UPS概述UPS又稱(chēng)不間斷電源。這是一種含有儲(chǔ)能裝置，以逆變器為核心，能輸出穩(wěn)定、不間斷電壓的電源設(shè)備。在沒(méi)有市電或市電故障時(shí)，UPS將機(jī)內(nèi)蓄電池內(nèi)存儲(chǔ)的能量經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)化為工頻交流電，為負(fù)

14、載提供可靠地、優(yōu)質(zhì)的、穩(wěn)定的電源；當(dāng)市電正常時(shí)，UPS將市電處理后提供給設(shè)備使用，同時(shí)對(duì)機(jī)內(nèi)電池充電，把能量存儲(chǔ)在蓄電池中，為設(shè)備提供頻率穩(wěn)定、穩(wěn)壓的高品質(zhì)電源，同時(shí)能夠降低電網(wǎng)電源對(duì)設(shè)備的干擾與影響7。2.2UPS的分類(lèi)2.2.1后備式 UPS最早出現(xiàn)的 UPS 類(lèi)型：后備式 UPS 的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。逆變器在電網(wǎng)供電正常時(shí)并不工作 ,電網(wǎng)通過(guò)旁路線路直接向負(fù)載供電；在電網(wǎng)異常時(shí)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換至蓄電池供電模式，逆變器開(kāi)始工作，因此稱(chēng)為后備式 8。當(dāng)備用式UPS在電網(wǎng)中正常時(shí)，由于它是由電網(wǎng)直接供電而不進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，因此功率損耗小，輸出容量大。 另外，由于其電路簡(jiǎn)單，成本低廉，可靠性高等特

15、點(diǎn)，在UPS開(kāi)發(fā)初期還具有廣泛的應(yīng)用范圍。但是，其輸出電能質(zhì)量較差，同時(shí)受限于轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換時(shí)間，功率難以做大，目前多以 2KVA以下的小功率設(shè)備為主，適于電能質(zhì)量要求不高的設(shè)備使用9。圖 2.1 后背式UPS結(jié)構(gòu)框圖2.2.2 在線互動(dòng)式在線互動(dòng)式UPS也稱(chēng)為并聯(lián)補(bǔ)償式不間斷電源。在線交互式UPS也稱(chēng)為并聯(lián)補(bǔ)償不間斷電源。與在線式UPS相比，在線交互式UPS省略了整流器電路和充電電路，并且由一個(gè)轉(zhuǎn)換器組成，該轉(zhuǎn)換器可以用作整流器電路和逆變器電路的巧妙方向轉(zhuǎn)換，并帶有一個(gè)電池組。市電正常時(shí)，雙向轉(zhuǎn)換器作為整流器為電池充電，即在整流狀態(tài)下工作，當(dāng)市電異常時(shí)，雙向轉(zhuǎn)換器以反相狀態(tài)工作，將電池電源轉(zhuǎn)

16、換為交流電以提供負(fù)載。交互式UPS效率高，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，輸出能力強(qiáng)。但是，在大多數(shù)情況下，市電用于為負(fù)載供電。 UPS僅在電網(wǎng)上執(zhí)行最簡(jiǎn)單的電壓穩(wěn)定，并且輸出功率質(zhì)量不高。當(dāng)市電關(guān)閉時(shí)，轉(zhuǎn)換會(huì)有一定的延遲，但是時(shí)間比備用UPS稍短，如圖2.2所示。圖2.2 在線互動(dòng)式UPS原理框圖2.2.3 雙變換在線式雙變換在線式是使用最廣泛的UPS類(lèi)型，其結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。 當(dāng)電網(wǎng)正常時(shí)，整流器對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行濾波后，首先將交流電網(wǎng)電壓整流為直流電，再通過(guò)逆變器將其轉(zhuǎn)換為交流電后為負(fù)載供電。關(guān)閉電源時(shí)，它由蓄電池組供電。逆變器逆變后，逆變器向負(fù)載提供能量?？梢?jiàn)，不管是電網(wǎng)正常還是電網(wǎng)斷電的情況下，

17、逆變器都處于工作狀態(tài)，這就是在線式UPS 名稱(chēng)的由來(lái)10。這種UPS可以隔離電網(wǎng)電壓波動(dòng)和諧波干擾，以免影響負(fù)載，從而確保為負(fù)載提供高質(zhì)量的電源。僅在逆變器出現(xiàn)問(wèn)題和電池組電源異常時(shí)，才切換到旁路為負(fù)載供電。圖2.3雙變換在線式UPS原理框圖2.3基于DSP的UPS的整體結(jié)構(gòu)基于DSP控制的在線式UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示.該在線式UPS系統(tǒng)有兩種工作模式。在通常情況下，市電是正常的，這時(shí)輸入功率因數(shù)校正部分和輸出逆變部分同時(shí)工作。但是當(dāng)市電故障時(shí)，蓄電池為負(fù)載提供電源。這時(shí)蓄電池電壓經(jīng)過(guò)DC/DC隔離后產(chǎn)生的電壓在提升得到逆變部分要求的直流電壓，該電壓再由逆變部分逆變成交流電給負(fù)載供電

18、。圖2.4 基于DSP控制的在線式UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.4總結(jié)本章首先介紹了UPS的概念，再根據(jù)UPS的工作原理分為了三類(lèi)：后備式 UPS、在線互動(dòng)式、雙變換在線式；介紹了三種不間斷電源的系統(tǒng)框圖。最后給出了基于DSP控制的在線式UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。第三章 逆變電路及脈寬調(diào)制技術(shù)研究3.1方波逆變電路在UPS中，逆變器是確保不間斷供電的核心設(shè)備。逆變器電路是將DC轉(zhuǎn)換成AC的轉(zhuǎn)換器裝置。根據(jù)直流電源的性質(zhì)，可以分為電流型逆變器電路和電壓型逆變器電路，但是電壓型逆變器電路是人們常用的。通常，根據(jù)逆變器電路的輸出波形，將其分為具有脈沖調(diào)制的方波逆變器電路和正弦波逆變器電路。方波逆變器電路通常用于不

19、需要高輸出波形的低功率逆變器應(yīng)用中。圖3.1所示為半橋方波逆變電路及其工作波形，圖3.2為全橋方波逆變技術(shù)。圖3.1半橋方波逆變電路及其工作波形圖3.2 全橋方波逆變技術(shù)3.2無(wú)差拍控制逆變器的控制原理無(wú)差拍控制是一種通過(guò)狀態(tài)的數(shù)字瞬時(shí)反饋而利用微處理器的高速計(jì)算功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的全數(shù)字化的控制方式，其主要是基于控制對(duì)象的離散數(shù)字模型，通過(guò)計(jì)算得出控制量，在下一個(gè)周期修正輸出誤差，這種控制策略用于逆變器的控制，具有響應(yīng)快，精度高的優(yōu)點(diǎn)11-12。逆變器無(wú)差拍控制原理圖如圖3.3所示。狀態(tài)反饋電路分析并比較輸出電壓信號(hào)和逆變器信號(hào)，并將參考電信號(hào)反饋到無(wú)差拍控制器。無(wú)差拍控制器通過(guò)相關(guān)性計(jì)算將在下一個(gè)

20、周期獲得逆變器的控制量，然后更正錯(cuò)誤。該控制方案需要一個(gè)周期來(lái)將輸出電壓跟蹤到給定值，即使開(kāi)關(guān)頻率不高，也可以獲得更好的輸出波形質(zhì)量，其缺點(diǎn)是無(wú)差拍控制方法是對(duì)模型高度依賴，需要有很精確的數(shù)學(xué)模型。圖3.3逆變器無(wú)差拍控制原理圖3.3脈寬調(diào)制控制技術(shù)PWM的全名是Pulse Width Modulation（脈沖寬度調(diào)制）。所謂的PWM控制技術(shù)就是在所需的頻率周期內(nèi)將直流電壓調(diào)制成一系列等幅的交流輸出電壓脈沖，以達(dá)到控制頻率、電流、電壓和抑制諧波的目的。所謂的SPWM是在特定的時(shí)間間隔內(nèi)使輸出電壓脈沖的能量等于基于PWM的正弦波中包含的能量。它改變了直調(diào)制脈沖模式，從而根據(jù)正弦率安排脈沖空占空

21、比，從而使輸出波形可以是經(jīng)過(guò)適當(dāng)濾波后的正弦波輸出。通常，在UPS電源中運(yùn)用PWM技術(shù)時(shí)，根據(jù)其形成PWM波形原理的不同，可以分為單脈沖PWM、多脈沖PWM、SPWM等多種形式13-14。單脈沖PWM波的特點(diǎn)是，在所需要的頻率周期內(nèi)，在正負(fù)半周內(nèi)各只有一個(gè)脈沖電壓，而且電壓脈沖的寬度可以調(diào)節(jié)。其產(chǎn)生的方法很多，下圖3.4為小型UPS中采用較多的單脈沖PWM產(chǎn)生電路原理框圖。其工作原理是：首先由據(jù)齒波發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波電壓u1，該信號(hào)與放大器的輸出信號(hào)u2輸入比較器產(chǎn)生受u2控制的脈沖u3，然后將u1經(jīng)過(guò)觸發(fā)器分頻產(chǎn)生的兩個(gè)選通信號(hào)u4和u5與脈沖波u3一起送入兩個(gè)與門(mén)電路，經(jīng)過(guò)與門(mén)后輸出的兩個(gè)電

22、壓波形u6和u7就是單脈沖PWM波形，其可用于對(duì)逆變主電路的控制。圖3.4 單脈沖PWM產(chǎn)生電路原理框圖3.4本章小結(jié)本章主要介紹兩個(gè)常見(jiàn)的方波逆變器電路的原理，研究數(shù)字無(wú)差拍控制逆變器的控制原理，闡述脈寬調(diào)制技術(shù)的原理和各種實(shí)用的PWM調(diào)制方法，為以后的UPS電源設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。第四章 基于DSP的UPS系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)4.1主電路圖和轉(zhuǎn)換器模型圖4.1為UPS主電路圖。在正常線路條件下，負(fù)載通過(guò)靜態(tài)旁路開(kāi)關(guān)從無(wú)條件線路直接供電，逆變器空載運(yùn)行，輸出電壓與相應(yīng)的輸入電壓幅值和相位保持恒定。所以需要一個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)。靜態(tài)開(kāi)關(guān)在失去輸入功率的情況下，將負(fù)載從線路轉(zhuǎn)移到相位同步逆變器。傳輸?shù)淖?/p>

23、長(zhǎng)時(shí)間為1/2線周期。由于線路頻率為50赫茲，最大傳輸時(shí)間為10毫秒。由于開(kāi)關(guān)器件的存在，圖4.1所示的UPS逆變器本質(zhì)上是一個(gè)非線性系統(tǒng)。此外，機(jī)械維修旁路開(kāi)關(guān)允許在維修UPS時(shí)不間斷供電。 圖4.1 UPS主電路 圖4.2 UPS逆變器模型圖4.2 所示為UPS逆變器的模型，其中U和I分別為逆變器電橋的等效輸出電壓和負(fù)載電流。選擇V和i作為狀態(tài)變量，UPS逆變器的狀態(tài)方程可以描述為 （1）由于UPS逆變器可以連接多種類(lèi)型的負(fù)載，因此UPS逆變器的特性具有一定的不確定性。逆變器空載時(shí)，I=O，LC濾波器的傳遞函數(shù)為 （2）其中L和C是LC濾波器的電感和電容。該濾波器在截止頻率處具有很高的增益

24、特性。在采樣頻率為10KHz時(shí)使用雙線性變換的離散形式是 （3）4.2控制方法分析圖4.3解釋了用于UPS系統(tǒng)的DSP控制的PWM逆變器的框圖。輸出電壓y作為反饋?zhàn)兞勘桓袦y(cè)，基準(zhǔn)r從編程RAM中讀取，并且DSP計(jì)算所需的PWM逆變器脈沖寬度，以便電壓跟蹤編程基準(zhǔn)?？刂苹芈钒ㄖ貜?fù)控制器G1和瞬時(shí)控制器。功能重復(fù)控制器的作用是消除周期性干擾，而瞬時(shí)控制器的作用是改善系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)。為了加快UPS逆變器啟動(dòng)時(shí)的跟蹤速度，采用參考r作為前饋環(huán)。由于Owo控制器是并行的，當(dāng)兩個(gè)控制器保證各自的穩(wěn)定性時(shí)，控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的。圖4.3 提出的控制塊4.3重復(fù)控制器設(shè)計(jì)重復(fù)控制理論的基本概念來(lái)源于內(nèi)模原理。該

25、原理指出，如果產(chǎn)生這些參考的模型包含在穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)中，則控制輸出跟蹤一組參考輸入而不產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。例如，如果閉環(huán)控制系統(tǒng)要求階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為零，則階躍函數(shù)（即1/s）的模型應(yīng)包含在其回路傳遞函數(shù)中。類(lèi)似地，如果要求系統(tǒng)對(duì)正弦輸入具有零穩(wěn)態(tài)誤差，則正弦函數(shù)的模型即：，其中是振蕩頻率，應(yīng)包含在其穩(wěn)定回路傳遞函數(shù)中。在實(shí)際應(yīng)用中，周期性的輸入或擾動(dòng)可能包含許多高次諧波。在有限的系統(tǒng)帶寬下，完全消除控制系統(tǒng)中的周期性誤差幾乎是不可能的。這種約束成為綜合重復(fù)控制器以減小低階諧波失真的一個(gè)重要考慮因素。圖4.4重復(fù)控制系統(tǒng)框圖重復(fù)控制系統(tǒng)如圖4.4所示，其中是帶限濾波器。是帶LC濾波器和負(fù)載的PWM

26、逆變器。在周期延遲環(huán)中，N表示一個(gè)周期內(nèi)的采樣數(shù)，T為采樣周期，NT等于周期性參考或擾動(dòng)的周期。是用來(lái)穩(wěn)定重復(fù)控制回路，補(bǔ)償控制系統(tǒng)的相位。如下所示，一個(gè)實(shí)際的設(shè)計(jì)實(shí)例證明了設(shè)計(jì)過(guò)程的有效性。4.4.1穩(wěn)定性分析原閉環(huán)控制系統(tǒng)在沒(méi)有重復(fù)控制系統(tǒng)的情況下是漸近穩(wěn)定的。在重復(fù)控制理論中，和是用來(lái)穩(wěn)定假設(shè)系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的。從圖4.4可以得到基本方程，如方程(4)-(6)所示。 （4） （5） （6）通過(guò)對(duì)控制誤差e的代換和求解，得到方程（7）： （7）等式7用圖5中的等效誤差框圖描述。將小增益定理應(yīng)用于圖4.5中誤差系統(tǒng)的反饋回路，我們可以導(dǎo)出方程作為誤差系統(tǒng)穩(wěn)定的充分條件。也就是說(shuō)，當(dāng)回路增益不超

27、過(guò)單位時(shí)，重復(fù)系統(tǒng)是穩(wěn)定的： （8）如果滿足方程（8），則由干擾引起的控制誤差e將漸近為零，換句話說(shuō)，角頻率為的所有波紋在穩(wěn)定狀態(tài)下可以完全消除。圖4.5等效誤差系統(tǒng)框圖4.4.2補(bǔ)償器設(shè)計(jì)重復(fù)控制回路的補(bǔ)償器被指定為低通濾波器，其作用是衰減諧振，峰值低于一個(gè)單位，頻率響應(yīng)特性如圖4所示，如果回路控制器設(shè)計(jì)充分，的大小可以保持等于或小于單位。在綜合重復(fù)控制系統(tǒng)時(shí)，必須在重復(fù)控制系統(tǒng)的收斂速度和相對(duì)穩(wěn)定性之間作出折中。的正常形式是 （9）其中，為重復(fù)控制增益，為補(bǔ)償系統(tǒng)相位的超前回路。滿足穩(wěn)定性條件時(shí)，是一個(gè)低通濾波器，其功能是將的共振峰衰減到單位以下。在給定的例子中，一個(gè)二階低通濾波器被合成為

28、S(s)： （10）低通濾波器的阻尼比為1.0，截止頻率為400rad/s，其離散形式為： （11）前導(dǎo)環(huán)的k為16，增益k為1。的頻率響應(yīng)如圖4.6所示。圖4.6 的頻率響應(yīng)4.4.3帶限濾波器穩(wěn)態(tài)分析表明，當(dāng)帶限濾波器為單位時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。不幸的是奈奎斯特定律準(zhǔn)則揭示了當(dāng)具有這個(gè)約束時(shí)，不可能建立一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)選擇比單位小的，例如0.95，或低通濾波器。低通濾波器的截止頻率必須能夠通過(guò)周期輸入的所有預(yù)期干擾諧波增益為1且相移為零的信號(hào)。為了便于設(shè)計(jì)，我們選擇為為0.95。4.5瞬時(shí)控制器設(shè)計(jì)由于重復(fù)控制器每隔一個(gè)參考周期對(duì)輸出電壓波形進(jìn)行校正，使得重復(fù)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能很差。瞬時(shí)反饋

29、控制器是為了提高負(fù)載從0增加到100%時(shí)的暫態(tài)響應(yīng)，或在電源故障時(shí)從線路轉(zhuǎn)移到UPS逆變器。圖4.7為重復(fù)和瞬時(shí)控制器的框圖。穩(wěn)定瞬時(shí)反饋控制器抑制高次諧波超前滯后補(bǔ)償器必須使用。超前滯后補(bǔ)償器的形式是： （12）圖4.7重復(fù)性框圖控制器和瞬時(shí)控制器仔細(xì)選擇時(shí)間常數(shù)T1、T2、T3，然后是是T（s）的離散形式。開(kāi)環(huán)傳輸在不考慮采樣和計(jì)算延遲的情況下，瞬時(shí)反饋系統(tǒng)的函數(shù)可以表示為： （13）和的波特圖如圖4.8所示。實(shí)線是的波特圖，b虛線是的波特圖，圖中顯示瞬時(shí)控制器的相位角度約為45°，很明顯，瞬時(shí)控制回路是穩(wěn)定的。圖4.8 和的波特圖，T1=0.001，T2=0.00025，T3=

30、0.0001第五章 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了驗(yàn)證所提出的數(shù)字控制方案，設(shè)計(jì)了一種由DSP控制的UPS。選用德州儀器公司的高速數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2808作為數(shù)字控制系統(tǒng)的主處理器。TMS320F2808是一個(gè)16位微處理器，采用哈佛體系結(jié)構(gòu)：程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器位于兩個(gè)獨(dú)立的空間。幾乎所有的TMS320F240指令都可以在50ns的周期內(nèi)執(zhí)行。因此，TMS320F2808非常適合于動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的電力電子系統(tǒng)的閉環(huán)控制。采樣動(dòng)作通過(guò)內(nèi)置可編程定時(shí)器產(chǎn)生的軟件中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了驗(yàn)證該控制方法的有效性，進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)?；贒SP的全數(shù)字控制7.5KVA的UPS逆變器工作在10KHz的開(kāi)關(guān)頻率下，和

31、10KH的采樣頻率下。利用MATLAB和SIMULINK實(shí)現(xiàn)了UPS逆變器控制系統(tǒng)的綜合和仿真。表一列出了一些關(guān)鍵參數(shù)。表1 UPS逆變系統(tǒng)的參數(shù)參數(shù)符號(hào)值單位采樣頻率10KHz濾波電感器4.12濾波電容器140電感器ESR0.5額定負(fù)載7直流電壓175-320V輸出電壓230V開(kāi)關(guān)頻率10KhzHz圖5.1所示的瞬時(shí)反饋控制的脈寬調(diào)制逆變器顯示了自適應(yīng)滯后時(shí)的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這個(gè)數(shù)字表明，在整流器RC負(fù)載下，輸出電壓波形仍然可以保持正弦輸出。輸出電壓總諧波失真（THD）小于2%。圖5.1 RC整流器負(fù)載下的輸出電壓和電流波形：（a）仿真和（b）實(shí)驗(yàn)圖5.2總結(jié)了數(shù)字控制UPS逆變器從空載到4

32、Kw電阻負(fù)載的的輸出電壓和電流波形的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。數(shù)字控制UPS逆變器的穩(wěn)定時(shí)間約為2ms。圖5.2從空載到電阻負(fù)載的輸出電壓和電流波形：（a）仿真和（b）實(shí)驗(yàn)圖5.3 描繪了線路突然故障時(shí)從線路到UPS逆變器的過(guò)渡過(guò)程。傳輸時(shí)間小于10ms，結(jié)果表明，所提出的控制方案在較低的負(fù)載條件下仍能很好地工作，且傳輸速度足夠快，不影響負(fù)載。圖5.3 線路向UPS逆變器過(guò)渡第6章 總結(jié)目前，UPS的模擬控制技術(shù)仍是主流，模擬控制電路中存在的大量分立元件造成了模擬控制系統(tǒng)的一些固有弊端，采用數(shù)字化控制技術(shù)的UPS優(yōu)勢(shì)顯著。當(dāng)前高性能的控制芯片快速發(fā)展，成本也在不斷降低，數(shù)字化的UPS是一個(gè)必然的發(fā)展。如

33、何采用數(shù)字控制技術(shù)使得UPS系統(tǒng)獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度是當(dāng)今研究的重點(diǎn)。本文討論了UPS的控制方法，重點(diǎn)討論了采用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）控制UPS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。介紹了一種由DSP控制的UPS逆變電源。DSP控制的UPS系統(tǒng)采用軟件控制，具有適應(yīng)負(fù)載變化和非線性負(fù)載的能力，在7.5KVA系統(tǒng)上驗(yàn)證了全數(shù)字控制系統(tǒng)的性能。逆變模塊部分是UPS系統(tǒng)的核心部分，本文選用了單向全橋逆變電路作為逆變器的主電路，建立了逆變器的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)逆變器的工作過(guò)程進(jìn)行了仿真研究，驗(yàn)證了輸出LC濾波器設(shè)計(jì)和選擇雙極性控制方式的可行性；本文選用 DSP TMS320F2808作為系統(tǒng)控制芯片，對(duì)相關(guān)電路進(jìn)行了硬

34、件參數(shù)設(shè)計(jì)，給出了軟件控制流程。因?yàn)楸救藢?zhuān)業(yè)水平有限，同時(shí)因?yàn)闀r(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件的限制，數(shù)字化 UPS 的研究工作還有待進(jìn)一步深入研究，以后的工作可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：1、制作實(shí)際電路，檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)電路的有效性，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)電路做進(jìn)一步的改進(jìn)；2、將改進(jìn)的復(fù)合控制方案應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中去，檢驗(yàn)其實(shí)際控制效果，并根據(jù)運(yùn)行情況對(duì)其作出進(jìn)一步的改進(jìn)；3、UPS 通信和蓄電池部分的研究本文暫未涉及，這兩個(gè)部分有待進(jìn)一步的研究 。致謝從立題到寫(xiě)論文經(jīng)歷了約莫5個(gè)月的時(shí)間，在這5個(gè)月中，充分熟悉了基于DSP的交流不間斷電源的的流程及原理。首先，十分感謝我的指導(dǎo)老師在本次課題設(shè)計(jì)中的指導(dǎo)與教誨，從選定設(shè)計(jì)課題、查閱相關(guān)資料，到對(duì)硬件的調(diào)試、對(duì)軟件的編寫(xiě)，設(shè)計(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié)郭老師都嚴(yán)格把關(guān)，提出了最精準(zhǔn)的修改意見(jiàn)，在此對(duì)老師致以最誠(chéng)摯的感謝與濃濃的崇拜之情。其次，十分感謝幫助過(guò)我的每位同學(xué)，感謝同學(xué)們對(duì)我抱以