（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的ups数字化控制技术研究.pdf

一 壹塞堕窒堕墨奎堂堡主堂垡笙皇 a b s t r a c t d i s t a lc o n t r o l ，i nw h i c h s o w a r e r e p l a c e sa n a l o ga n dd i g i t a li n s t r u m e n t s ，c a n i n c r e a s e t h e i n t e g r a t i o no ft h ep r o d u c t ；p r o m o t et h ef l e x i b i l i t y a n di n t e l l i g e n c eo ft h e s y s t e m t h e r e f o r e ，t h ed i g i t a lc o n t r o lt e n d st ob eo n eo f t h ep r o m i s i n gm e t h o d si nt h el i p sc o n t r o l t e c h n o l o g y t h j sa r t i c l ei n t r o d u c e sak i n do fd i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do nd s p n a m e d s i n g l e - p h a s ed o u b l ec o n v e r s i o nu p s ，a n dp u tf o r w a r d ad i g i t a lc o n t r o lp r o j e c tt h es o r w a r e a n dh a r d w a r e t h em a i nh a r d w a r eo f t h es y s t e mi n c l u d e si s o l a t i n ga n d d r i v i n g o ft h ep w v l s i g n a l ，s a m p l i n ga n dp r o c e s s i n go f t h es i g n a l so fc o n t r o l ，a sw e l la sh a r d w a r ep r o t e c t i o n c i r c u i t t h es y s t e ms o f t w a r ec a nr e a l i z ee a c hf u n c t i o n a lm o d u l ei nt h eu p s f i r s t l y ，d e s i g n t h es o f t w a r ep h a s e c l o s e dl o o p s ；s e c o n d l y , r e a l i z et h ed o u b l ec l o s e dl o o p sc o n t r o lo ft h e i n s t a n t a n e o u sv a l u ea n dt h ev i r t u a lv a l u e f u r t h e r m o r e t h ed y n a m i cf l u xi m b a l a n c eo ft h e o u t p u tt r a n s f o t i l l e rc a u s e db yo r d i n a r yp ia r i t h m e t i ci sa n a l y z e di nd e t a i l an e ws o l u t i o n f o rf l u xb a l a n c eb ys a m p l i n gt h ei n s t a n t a n e o u sp r i m a r yc u r r e n to ft h eo u t p u tt r a n s f o r m e r a n di n t r o d u c i n gt h eo n l i n ec a l c u l a t e db i a sc u r r e n tc o m p o n e n ti n t ot h ev o l t a g er e g u l a t i o n a r i t h m e t i ci sp r e s e n t e d t h ed i s s e r t a t i o n ，i na d d i t i o n ，d i s c u s s e st h em a l f u n c t i o nm o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i n g ， s u c ha so v e r l o a d t h ed i s c u s s i o n so nt h e s p e e dc o n t r o lo ff a na c c o r d i n gt ot h eo u t p u t p o w e r ，a n ds o m em o n i t o r i n gf u n c t i o n s ，s u c ha st h ei s o l a t i o ns a m p l eo fb a t t e r y sv o l t a g e a n di t sm a n a g e m e n t ，w h i c hw i l li m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n d i n t e l l i g e n c eo f t h es y s t e m ，a r e a l s oi n c l u d e di nt h ed i s s e r t a t i o n ag r e a tl o to fa n a l y s i s ，s i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t sh a v e v e r i f i e dt h e s y s t e m s f e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g e t h er e s e a r c hi nt h ed i s s e r t a t i o n ，t os o m ee x t e n t ，h a sp a v e daw a y f o rt h ef u r t h e r r e s e a r c h ，i m p r o v e m e n ta n da p p l i c a t i o ni nt h ed i g i t a lc o n t r o lo f u p s k e y w o r d s ：c o n v e r t e r ，u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y ，i n v e r t e r ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r c o n t r o l 一 直室堕窒堕丞盔堂堡主堂焦迨塞一 第一章绪论 1 。1u p s 数字化控制技术概述 随着计算机应用的日益普及，不间断电源( u p s ，u n i n t e r r u p t i b l e p o w e rs y s t e m ) 的应 用越来越广泛，对u p s 的研究也日益深入。早期的u p s 只需要其输出不断电，稳压， 稳频即可，然而今天用电设备对供电质量的要求越来越高，除了上述要求外，还必须 环保无污染，即绿色环保电源。同时随着全球信息网络技术的迅速发展，对u p s 的 网络功能也提出了更高的要求。显然这些要求的实现离不开数字化控制技术，因此， u p s 的数字化控制已成为发展趋势之一。 1 1 1 数字化控制和监控的意义【l 3 1 传统的u p s 采用模拟电路控制，对于生产厂家和用户而言，无论是相控技术还是 s p w m 技术，模拟控制存在许多固有的缺点： ( 1 ) 模拟控制采用大量的分散元件和电路板，必然导致硬件成本偏高，系统的可靠 性下降； ( 2 ) 由于一些人工调试器件的存在，如可调电位器，导致生产效率降低及控制系统 的一致性下降； ( 3 ) 由于器件的老化问题及热漂移问题的存在，将导致l i p s 输出性能的下降甚至输 出失败； ( 4 ) 产品升级换代困难，对于模拟机要想升级换代必然要对控制系统做改动，则离 不开对硬件的改进； ( 5 ) 模拟控制的监控功能有限，一旦出现故障，一般限于声光报警等，只有技术人 员亲l 临现场方可排除，存在极大的不便。 随着信息技术的发展，高速数字信号处理芯片( d s p ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的 出现，使得数字化的控制在更广阔电气控制领域中应用有了可能性，也成为主要发展 趋势之一。d s p 与一般微处理器的区别主要就在于指令处理速度极快、指令功能精简 强大，并且其中非常适合于控制领域的d s p 芯片有着丰富的外围模块，可以大大提 商系统的集成度。总之，有了高速数字信号处理芯片的支持，采用数字化的控制策略 不仅可以较好的解决模拟控制里的有关问题，而且还增加了模拟控制中很难实现的一 些控制功能，主要优点有： ( 1 ) 数字化控制可采用先进的控制方法和智能控制策略，使得u p s 的智能化程度更 高，性能更加完美。智能化控制代表了自动控制的最新发展阶段，继承了人脑的定性、 变结构、自适应等思维模式，也给电力电子控制带来了新的活力。在高频开关工作状 态下，逆变电源的模型更加复杂化，这是模拟控制或经典控制理论难以有良好控制效 果的，而采用先进、智能化的数字控制策略，就可以从根本上提高系统的性能指标： 】 一 薹王! 翌塑! 堕墼量些莛型堇查婴塞 ( 2 ) 控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必对硬件电路做 改动。数字控制系统的控制方案体现在控制程序上，一旦相关硬件资源得到合理的配 置，只需要通过修改控制软件，就可以提高原有系统的控制性能，或者根据不同的控 制对象实时、在线更换不同控制策略的控制软件； ( 3 ) 控制系统可靠性提高，易于标准化。由于数字控制的高可靠性，必然使得整个 控制系统可靠性的提高。而且可以针对不同的系统( 或不同型号的产品) ，采用统一 的控制板，而只需要对控制软件做一些修改即可，这对生产厂家而言是有着巨大的吸 引力的： ( 4 ) 系统维护方便，系统一旦出现故障，可以很方便地通过r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口或 u s b 接口进行调试，故障查询，历史记录查询，软件修复，甚至控制参数的在线修改、 调试。这样就可以以较低的成本完成自我校正及远程服务，给厂家的售后服务带来了 极大的方便： ( 5 ) 系统一致性好，成本低，生产制造方便。由于控制软件不会像模拟器件那样存 在差异，所以对于同一控制程序的控制板，其致性是很好的，也没有模拟系统中模 拟器件调试带来的差异问题，那么同一控制板的一致性就会比模拟系统高很多。采用 了软件控制，就实现了硬件软件化，使控制板的体积大大减小，生产成本下降； ( 6 ) 易于组成并联运行系统。由于单位u p s 系统均是数字控制，有相应的控制变量 代表系统中的状态量，那么就可以较方便地获得均流所需要的信息，利用相应的均流 算法实现u p s 的并联运行系统。 可见，采用数字化控制存在诸多优点，u p s 的数字化是其发展的主要方向，因此 加强本课题的研究具有巨大的社会和研究意义。 1 1 2 数字化控制的研究应用现状和发展趋势1 4 - 7 1 随着计算机网络技术和通信事业发展而带动起来的信息产业，对u p s 不断提出更 高的要求。u p s 发展到今天，几乎囊括了当代所有电力电子技术和信息技术，它不再 是电源的一个可有可无的后备装置，而成为了i n t e r n e t 上不可缺少的元件。 微电子集成技术的发展为电力电子控制技术提供了新的思路，由最初的分立元件 发展到集成电路、大规模集成电路再到后来的微处理器的出现，都为u p s 的控制技 术带来了极大的便利。但是，由于早期的微处理器的运算速度有限，通常只具有基准 正弦信号的生成，控制u p s 的静态开关以及实现保护和显示等功能，而u p s 的核心 一逆变器的控制仍然需要模拟电路的参与。近年来，t i 、m o t o r o l a 、a d i 等公司 相继推出了适用于u p s 控制的d s p 芯片，且功能越来越完善，性能也越来越优越， 这些芯片的出现，使得u p s 的控制技术朝着全数字化、智能化及网络化的方向发展， 对电力电子技术的发展起到了巨大的推动作用。在u p s 数字控制技术研究的如火如 荼之际，一些厂家已经推出了自己的数字控制的u p s 产品，如a p c 、三菱公司、 s e i m e n s 等。然而，目前市面上的u p s 大多数仍然采用模拟控制，可见数字化u p s 2 南京航空航天大学硕士学位论文 的产品化工作仍有很大的发展空间。 今后u p s 的主要发展趋势为：( 1 ) 大型化，目前世界上单机8 0 0 k v a 的u p s 已进 入商业化阶段，国内生产的采用i g b t 作为功率元件及s p w m 控制技术的u p s 也可 达到1 0 0 k v a ，大容量集中供电方案可提高系统可靠性。( 2 ) 智能化，要求在u p s 和 汁算机网络之间建立起双向通信调控管理功能，也就是u p s 能自动地定时关机、定 时开机，当供电发生故障后，u p s 能通知计算杌，对用户的数据进行自动存储和有序 地关机，u p s 智能化技术和网络化已成为研究热点。( 3 ) 高频化，高性能磁性材料的出 现，变压器、电感器制造工艺的提高，开关元件及模块制造技术的研究，利用“软开 关”的特性以减少开关损耗的谐振、准谐振及限幅式变换拓扑理论的出现，使高频高 功率密度小型化的u p s 大量出现在市场上。这是一种技术含量较高的新型产品，同 时兼顾e m i 、效率、体积和重量，将是未来市场的主要竞争力量。( 4 ) 高可靠性，这是 衡量u p s 的首要因数。高可靠性由u p s 本身可靠性，电池使用寿命，串并联冗余技 术等实现。u p s 长期运行的可靠性指标由平均无故障时间和平均维护时间决定。( 5 ) 功 率因数校正，传统的u p s 输入端整流电路都是二极管或晶闸管组成的非线性电路， 存在很多不足：整流器效率低，输入电流谐波含量高，从电网吸收无功功率，输入功 率因数低，交流侧电网电压产生畸变等。现在采用s p w m 高频整流电路，其主电路 由i g b t 组成，控制电路由电源功率因数控制芯片组成，可使输入功率因数接近l 。 总之，随着用户要求的日益提高，高速数字信号处理器( d s p ) 的进一步发展，以 及其它高新技术的进一步推动，u p s 会逐渐走向完善。 1 2 逆变器的数字化控制策略 随着控制芯片性能的日益增强，电力电子装置的控制系统逐渐实现了数字化。在 现代控制理论和智能控制策略应用方面，一些新的控制方法如重复控制、无差拍控制、 模糊控制、神经网络控制等也逐渐进入了电力电子控制领域。正是有了高性能的d s p ， 才有可能将一些智能控制思想应用到逆变电源的控制系统之中，也就有了今天的逆变 电源控制策略的众多成果，使得逆变电源的性能、可靠性不断提高，维护更加方便。 1 2 1p i d 控制1 8 9 j p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r ( t ) 与实际输出量c ( t ) 构成控制偏 差量e ( t ) ，如式( 1 1 ) 所示： e ( t ) = r ( t ) 一e ( t )( 1 - 1 ) 将偏差量e ( t ) 的比例( p ) 、积分( i ) 、微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对 象进行控制，p i d 控制系统的原理框图如图1 1 所示。 p i d 控制器的控制规律为： 3 薹王! 翌箜! 堕墼兰丝量型堇莶堕塑 一心础， c ( t ) + 寺f e ( t ) 巩百d e ( t ) m ：， 式( 1 。2 ) e e ，k 。一比例系数，i 一积分时间常数，t d 一微分时间常数。 图1 - 1p i d 控制系统原理框图 p i d 控制具有以下优越性： ( 1 ) 算法蕴含了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息。其中，比例( p ) 代表 了当前的信息，起校正偏差的作用，使过程反应迅速。积分( i ) 代表了过去积累的信息， 它能消除静差，改善系统的静态特性。微分( d ) 在信号变化时有超前控制作用，代表 了将来的信息。在过程开始时强迫过程加速进行，过程结束时减小超调，克服振荡， 提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。此三个作用配合得当，可使动态过程快速、 平稳、准确，收到良好的效果。 ( 2 ) p i d 控制算法在设计过程中不过分依赖系统参数，因此系统参数的变化对控制 效果的影响很小，控制的适应性好，有较强鲁棒性。 ( 3 ) p i d 算法简单明了，已经形成了一套完整的设计和参数调整方法。 因此，p i d 控制以其简单、参数易于整定等特点，被广泛应用于工程实践中。但 是早期的逆变电源多为模拟p i d 控制，单纯采用输出电压的瞬时值反馈，其性能特别 是动态性能及负载为非线性时，控制效果不令人满意。为此进行了大量的研究，并把 输出电感电流及输出滤波电容电流的瞬时值引入了控制系统，使得逆变电源的输出特 性得到了较大的改进。然而，庞大的模拟控制电路使得控制系统的可靠性下降，调试 复杂，不易于整定。d s p 的出现，这个问题就得到了迅速解决，如今各种补偿措施已 经方便地应用于逆变电源的数字p i d 控制之中，电压、电流控制的引入，使得逆变电 源的数字p i d 控制效果得以改善。 1 2 2 重复控制( r e p e t i t i v ec o n t r 0 1 ) 1 1 0 i 重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理，内模原理是把作用于系统外部 信号的动力学模型植入控制器以构成高精度反馈控制系统的一种设计原理。逆变电源 重复控制的主要目的是为了克服整流性负载引起的输出波形周期性的畸变。重复控制 一般和其它p w m 控制方式相结合，用来改善输出电压波形。重复控制的思想是假定 前一周期出现的基波波形畸变将在下一个基波周期的同一时间重复出现，控制器根据 给定信号和反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后在下一个基波周期的同一时 4 塑室堕窒堕丕盔堂堡主堂垡堡塞 间将此信号叠加到原控制信号上，以消除后面各周期中出现的重复性畸变。 为了消除整流性负载对逆变器输出的影响，在逆变器的控制中引入重复控制技 术。图1 - 2 给出了一种重复控制系统框图。 图1 2 重复控制系统框图 图1 2 中，p b ( z ) 一有瞬时值反馈控制的逆变器系统 s ( z ) 、q ( z ) 一重复控制器的补偿环节 r ( k ) 一参考信号y ( k ) 一系统输出电压e ( k ) 一跟踪误差 r ( k ) 一重复控制器补偿后的参考指令 扰动输x d ( k ) 到跟踪误差e ( k ) 的传递函数可表示为： h ( z ) 2 器2 磊1 ( 1 3 ) 式( 1 3 ) 中，n 为一个基波周期内的采样次数。 对应s 域中的频率响应为： h ( j ) = h ( z ) i z = e 扣7 ( 1 - 4 ) 式( 1 4 ) 中，t 为采样周期。 。 如果d ( k ) 的频率是基波频率的整数倍，并假定q ( z ) = l 且p b ( z ) 稳定，则有： j h ( j 0 ) ) l = 0 ( 1 - 5 ) 这表明重复控制器消除了频率为基波频率整数倍干扰产生的跟踪误差，跟踪效果 非常好。为了保证系统稳定，一般取q ( z ) l 4 7 h z 或t h 1 5 2 h z 则取t h = i 5 0 h z 上 电网电压频率跟踪： 若i n t * 。l 6 ，则令1 0 = n 若6 x 则令t 一= t - t x i令t 。= t ， l + l t 一= t 一1 9 2 t ，作为下一个p 硼周期值 上 7 电网电压相位跟踪： 若c s = 0 则不改变c s 的值 若o c s n 2 。则令c s = c s i 若n 2 c s n i ，则令c s = c s + i 图4 7 软件锁相环程序流程图 一 茎王! 翌塑! 堕塑圭丝塑型垫查堑塞一 离散化的增量式p i 算法由式( 4 1 0 ) 所示： u ( n ) = u ( n 一1 ) + k p 【e ( n ) 一e ( n 1 ) 】+ k e ( n ) ( 4 l o ) 式( 4 9 ) 、( 4 1 0 ) q b ，k ，为比例系数，k ；- k t 。为积分系数，t 为采样时间，t i 为 积分时间常数，u ( n ) 为调节器第n 次输出值，e ( n ) 为第n 次给定与反馈的偏差。 对于数字化逆变控制系统而言，增量式p i 算法计算简便，易于软件实现，所以 广为采用。 j 中心值的确定 电压调节器中的误差信号e ( n ) 的表达式为： e ( n ) = v 佗f ( n ) 一v ，( n )( 4 - 1 1 ) 式( 4 一1 1 ) 中，、0 ( n ) 为基准正弦信号，v r ( n ) 为采样正弦信号。由前面分析可知， 基准正弦信号v 。( n ) 的中心值为5 2 0 ，而采样正弦信号v r ( n ) 的中心值为5 1 2 ，两者 的中心值不统一。为了便于软件的实现，将两者的中心值均定为5 1 2 。 矧2 + a s i n ( 急k ) v ，堋2 3 。掣 ) ( 4 - 1 2 ) ( 4 1 3 ) 那么，误差信号e ( n 1 是中心值为零的正弦信号。也就是，进入电压调节器的是中 心值为零的正弦信号。但是由于三角载波的中心值为5 2 0 ，所以电压调节器的输出， 即与三角载波进行s p w m 控制的正弦信号的中心值必须是5 2 0 。因此，电压调节器 的输出必须加上5 2 0 的直流偏置，才能与三角载波进行s p w m 控制。电压调节器数 字p i 控制示意图如图4 8 所示。 图4 - 8 电压调节器数字p l 控制示意图 2 截断误差的解决 本系统采用的d s p 为1 6 位定点型，而用定点d s p 处理浮点数，都会涉及到数字 定标的问题。所谓数字定标就是通过小数点的移位，用定点数来表示浮点数。在采用 式( 4 - 1 0 ) 所示的增量式p i 算法时，比例系数k 。和积分系数k ；均为浮点数，软件中采 用q 。定标来表示浮点变量。 增量式p i 如式( 4 1o ) 亦可以表示为： u ( n ) = u ( n 1 ) + u ( n )( 4 - 1 4 ) 2 6 南京航空航天大学硕士学位论文 上式中，a u ( n ) = k p 【e ( n ) 一e ( n 一1 ) 】+ k i e ( n ) ( 4 - 1 5 ) 由前可知，k 。、k 为q 。定标的浮点数，中f 蟓a u ( n ) 也是q 。定标的浮点数。 但是，p i 算法的最终输出结果应为定点数，所以存在一个将q 。定标的浮点数转换为 定点数的过程。实际上，这个转换过程，就是截掉小数部分，保留整数部分，这样就 会出现截断误差。若截断误差产生于a u ( n ) ，那么该误差就会被带入u ( n ) 中。 将截断误差代入au ( n ) 中，可表示为： a u ( n ) = a u ( n ) 一d + a u ( n ) 一f ( 4 - 1 6 ) 式( 4 一1 6 ) 中，a u ( n ) 一d 为u ( n ) 的整数部分：a u ( n ) 一f 为a u ( n ) 的小数部分，也就 是a u ( n ) 的截断误差。 那么，增量式的p i 算法，可表示为： u ( n ) = u ( n 一1 ) + u ( n ) 一d = u ( n 一1 ) + u ( n ) - a u ( n ) 一f ( 4 - 1 7 ) 由式( 4 1 7 ) 可知，截断误差的累加过程为： u o ) = u ( 0 ) + u ( 1 ) - a u ( 1 ) 一f u ( 2 ) = u ( 1 ) + u ( 2 ) 一a u ( 2 ) 一f = u ( o ) + a u ( 1 ) + u ( 2 ) 一砼u ( 1 ) 一f + u ( 2 ) 一f j u ( 3 ) = u ( 2 ) + u ( 3 ) - a u ( 3 ) 一f = u ( o ) + u ( 1 ) + u ( 2 ) + u ( 3 ) 一b u ( 1 ) f + a u ( 2 ) 一f + a u ( 3 ) 一f j 依此类推，u ( n ) = u ( o ) + a u ( j ) - a u ( j ) 一f ( 4 1 8 ) j - o严o 式( 4 - 1 8 ) 中，a u ( j ) 一f 为截断误差的累加和。 ) - o 所以若采用以上的计算过程，截断误差就会不停地进行累加，p w m 脉冲及变压 器原边电压、电流的直流分量会越来越大、直至饱和。因此，必须对p i 算法的计算 过程进行修改，避免截断误差的累加。若截断误差不产生于a u ( n ) 中，那么在递推的 过程中，所有的变量均为精确值，只是在p i 输出时将当次的结果转换为定点数。如 式( 4 1 9 ) 所示： u ( n ) = u ( n 1 ) + a u ( n ) = u i ( n ) 一d + u t ( n ) 一f ( 4 - 1 9 ) 式( 4 一1 9 ) 中，u t ( n ) 为第n 次p i 计算结果的精确值，u ( n ) d 为u ( n ) 的整数部分， u ( n ) 一f 为u ( n ) 的小数部分。那么，p i 调节器当次的输出值为u ( n ) d ，这样截断误 差为u ( n ) 一f 。该截断误差在u ( n ) 中所占的比例甚小，不会对当次p i 输出结果产生 影响，而且采用这样的计算过程，不会产生截断误差的累加，因此不会对逆变器的输 出电压造成过大的影响。 4 4 改进的数字电压调节器 在对电压调节器进行进一步完善的过程中，出现了逆变器输出电压正负波形不对 称，以及电压调节器模块与软件锁相环模块之间相互影响等现象。针对这些问题，进 2 7 基于d s p 的u p s 数字化控制技术研究 行了具体的分析，在此基础上对数字p i 调节器进行了相应地的改进，使逆变器的输 出恢复正常并且各功能模块之间能够协调稳定的工作。 4 4 1 偏磁产生的原因【3 0 l 在s p w m 全桥逆变器中，为实现输入输出之间的电气隔离和得到合适的输出电 压幅值，一般在输出端接有工频变压器。采用模拟电路实现的电压调节器的系统中， 由于s p w m 信号的不完全对称性，开关管参数的不一致性等等，往往造成变压器的 直流偏磁，容易引起铁心饱和，输出波形失真，严重影响了逆变器的正常工作。而在 数字控制的逆变系统中，由于数字运算造成的量化误差，还将引起偏磁量的不断积累， 导致变压器饱和。因此，消除偏磁是实现逆变器数字化控制的首要任务之一。 1 模拟控制系统中的直流偏磁问题 在模拟控制的s p w m 全桥逆变器系统中，造成逆变器输出电压不对称的原因有 如下几个因素：1 正弦调制波或三角载波存在直流分量；功率开关管关断时的存储时间 不一致；调制脉冲中死区时间的加入等。逆变器的输出电压中存在直流分量，会导致 逆变器输出变压器存在直流偏磁，严重的会使输出变压器饱和。 为解决s p w m 全桥逆变器中直流偏磁的问题，一般可采取如下措施：( 1 ) 变压器 铁心加气隙，增加铁心的磁阻，提高变压器抗直流偏磁能力；( 2 ) 在变压器原边绕组串 联一个无极性隔直电容：( 3 ) 选择饱和压降和存储时间特性一致的功率开关管：( 4 ) 死区 时间的补偿等。但是以上这些方法只能减小输出电压的直流分量，并不能完全消除输 出电压的直流分量。在模拟控制的逆变系统中，输出电压波形中的直流分量基本上为 固定值，因此在对输出电压质量要求不是很严格的情况下，可以采样静态直流分量补 偿的方法，如图4 9 。静态补偿必须要手工进行调节，一旦参数发生漂移，还需要再 次进行调节。因此若对输出电压的质量要求比较严格，就必须采样动态直流分量补偿 的方法，如图4 1 0 。采样输出变压器的原边电流，通过低通滤波器提取直流分量，进 入电压调节器进行直流分量的动态补偿。 秘 图4 - 9 静态调节偏磁示意图图4 一1 0 动态调节偏磁示意图 2 数字p i 控制系统中的偏磁问题 由全量式的p i 算法式( 4 9 ) 可知，加入积分作用实际上就是对所有的误差求累加 2 8 焉 鳖 南京航空航天大学硕士学位论文 和。在数字化控制过程中，由于采样电路和调理电路的误差，以及a d 转换基准的 误差等因素，很可能导致一个正弦周期的误差和不等于零。这样，就会在调节器输出 波形上叠加一个直流分量，同时输出变压器会产生偏磁现象。由于逆变器输出电压的 瞬时值采样为变压器采样，所以即使在没有输出变压器的情况下，对输出电压波形中 出现的直流分量，也无法检测出来。因此，p i 调节器无法进行调节消除这种直流分 量，误差的累加和会越来越大，那么输出电压的直流分量也会越来越大，直至输出电 压波形达到饱和。 4 4 2 硬件电路的改进【3 1 。3 3 l 如果能将输出电压中的直流分量迅速检测出来，并加以控制使之减小甚至消除， 就可以解决变压器的偏磁问题，使s p w m 全桥逆变器正常运行。考虑用电流霍尔元 件采样逆变器输出变压器的原边电流，该电流信号中包含有直流信息。虽然在不同负 载情况下，输出变压器的原边电流波形与输出电压波形不是完全一致的。但是，原边 电流波形的中心值可以反映输出电压波形中的直流分量。这样，就可以通过计算原边 电流的中心值，来调节输出电压的直流分量。引入变压器原边电流中心值校正的方法， 既解决了积分作用对输出电压中心值的影响，又同时消除了输出变压器的偏磁现象。 逆变器输出电流瞬时值采样的电路原理图如图4 1 1 所示。电流信号的处理与电压 信号的处理有所不同，电流信号首先要转换成电压信号才能对其进行处理。本系统采 用电流互感器将电流信号转换成和其成比例的电压信号，然后再经过调理电路，最后 送到d s p 的a d 转换输入通道。具体的采样原理在电压采样部分已经分析过，这里 不再重复。 调理e 路 l 一j 图4 - 1l 输出电流瞬时值采样电路原理图 4 4 3 软件功能的改进3 7 - 3 s l 改进的逆变控制系统的实现框图如图4 - 1 2 所示，在电压调节器的前端引入个中 心值调节器实时消除偏磁。即，计算原边电流的中心值， 一 一一 每次计算中心值是以当前点为终点的 前n 点的平均值( n 为一个正弦周期采样的点数，本系统算法中取值1 9 2 ) ，原边电流 2 9 基于d s p 的u p s 数字化控制技术研究 中心值的计算公式为： ( ( i 。) ，一5 1 2 ) ir ( i ) = 趔、；厂一 ” 式( 4 2 0 ) 中，i 。为原边电流的数字量。 分量，也就是要求原边电流的中心值为零 ( 4 2 0 ) 对于控制系统而言，要求输出电压无直流 所以进入中心值调节器的基准信号为零。 图4 - 1 2 改进的逆变控制系统实现框图 如图4 1 2 ，中心值调节器的输出为： v d ( n ) = k d t o i ，( n ) j 中心值调节器采用比例调节，上式中，k 。为比例系数。 那么，进入输出电压瞬时值p i 控制器的误差信号e ( n ) 为： e ( n ) = v , a ( n ) 一v f ( n ) + v , l ( n ) 如式( 4 2 2 ) 所示，e ( n ) 是经过原边电流中i i , 值校正后的误差量。 电压调节器进行p i 运算，能够较好地补偿输出电压的直流分量。 改进的数字p i 调节器的程序流程图，如图4 1 3 所示。 圈4 - 1 3 改进的p i 控制程