【《某车载逆变电源系统的控制策略及软件的设计分析案例》4400字】

某车载逆变电源系统的控制策略及软件的设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u11127某车载逆变电源系统的控制策略及软件的设计分析案例 1226831.1SPWM技术 296981.1.1SPWM技术原理 2254481.1.2SPWM调制技术 242151.1.3SPWM生成方法 359701.2系统控制策略 4235171.2.1PI控制技术 4146821.2.2重复控制技术 6154131.2.3升压电路控制器设计 7193581.2.4逆变电路控制器设计 7224351.3软件设计 10159421.3.1系统主程序设计 10322501.3.2ePWM中断子程序设计 11268731.3.3SPWM子程序设计 12232601.3.4AD采样子程序设计 1264021.3.5复合控制子程序设计 13在前级升压电路和后级逆变电路中，需控制波形来驱动两级电路中的开关器件，为了实现闭环控制，采用控制器输出六路控制波形。根据设计需要，其中两路PWM驱动信号用于控制前级升压电路的开关器件，其余四路SPWM驱动信号用于控制后级逆变电路的开关器件。本系统的控制器使用的是型号为TMS320F28335的DSP控制器，该器件的外设丰富而且精度高、成本低，功耗小，CPU性能的优劣不只取决于主频，其整体结构的性能、计算能力等也是决定其性能优劣的因素，采用的DSP芯片集微处理器和高性能等优点，因此其信号处理能力和控制能力特别强大，并且可以完成各种复杂的控制算法。典型的DSP处理系统如图4-1所示。图4-1DSP信号处理过程1.1SPWM技术1.1.1SPWM技术原理SPWM调制技术是在PWM技术的基础上进行改进的一种技术，目前电力电子场合应用最多的是正弦交流电[58-59]。SPWM技术是基于面积等效原理实现的，如图4-2所示，先将半个周期的正弦波分成N份，然后把正弦曲线包围的每个部分的区域替换为一系列振幅相同但宽度不同的矩形波区域，最终使用矩形波代替半个正弦波。图4-2SPWM波形1.1.2SPWM调制技术SPWM调制技术分为单极性调制和双极性调制。单极性调制在正半周只有一系列幅度为正的电压脉冲，在负半周只有一系列幅度为负的电压脉冲，如图4-3所示为单极性调制方式。双极性调制整个周期的电压脉冲都有正负，双极性SPWM调制如图4-4所示。从图中可以看到，单极性SPWM调制时存在脉冲等于零的时刻，双极性SPWM调制中不存在脉冲为零的时刻。图4-3单极性SPWM调制图4-4双极性SPWM调制单极性SPWM调制的优点是输出波形的谐波含量低，缺点是其实现方式较复杂；而双极性SPWM调制的优点是实现方式相对简单，缺点是输出波形的谐波含量较高。综合考虑选择单极性SPWM调制，输出的脉冲波形再经过LC滤波器就能输出谐波含量相对较低的电压波形，符合设计要求。1.1.3SPWM生成方法SPWM的生成方法分别有面积法、硬件调制法和软件生成法。等面积方法计算量大，占用内存空间多。硬件调制法实现的方式比较简单，但是，硬件调制法的电路结构比较复杂，而且其控制方式也比较困难，所以一般不采用此方法。受益于当今微机技术的快速发展，软件生成法与其它两种方法相比是最易实现的方法，所以利用软件生SPWM已逐渐成为主流，系统采用软件生成法来输出控制波形。软件生成方法分为自然采样法和规则采样法。自然采样法和规则采样法的实现方式如图4-5、图4-6所示，自然采样法输出波形失真度小，因此输出波形效果比较好，但是这种方法的计算比较复杂，使用微机控制会耗费许多计算时间，不易实时控制。规则采样法是在一定时间间隔内进行采样计算，因此计算量比自然采样法少很多，所以系统采用规则采样法生成SPWM。图4-5自然采样法图4-6规则采样法1.2系统控制策略1.2.1PI控制技术(1)PI控制原理PI控制器是一种线性控制器，其由比例P控制和积分I控制构成，这两个环节主要由PI的两个参数来决定，PI控制器控制框图如图4-7所示[60-61]。图4-7PI控制框图在控制系统中，系统偏差err(t)为：(4-1)式中：r(t)为系统参考信号；x(t)为系统输出反馈信号。PI控制器的控制规律为：(4-2)式中：为比例调节系数；为时间积分常数；为系统控制量。因为微机控制是一种基于采样控制的控制方法，该控制方法一般采用中断实现，因此其采样过程是离散的，式(4-2)为PI控制的表达式，从式中可以看出，其是一个连续系统，因此需要对式(4-2)离散化处理，处理后的表达式为：(4-3)式中：为第次采样计算后输出的控制量；为第次采样时刻偏差量；为积分系数；为采样周期。P是PI控制中的最基本的控制，它在控制器中占据着最重要的地位，可以实时反应控制系统的偏差信号。I可以消除稳态误差，减小系统的误差度，提高系统稳定性。综上，通过比例系数KP和积分系数KI两者的协调处理，能提高系统的动态响应速度[62]。(2)增量式PI为减少控制器的计算量，减小因为计算对内存的占用量并且加快系统响应，对传统的PI算法进行了优化，式(4-3)在k-1时刻的表达式为：(4-4)将式(4-3)减去式(4-4)得：(4-5)因此PI调节器输出为：(4-6)得到的式(4-6)即为增量式PI控制算式，对比传统的PI控制算法的累加计算，增量式控制算法大大减少了控制单元的计算量。1.2.2重复控制技术重复控制是基于内膜技术进行的控制。原理为：波形畸变周期出现时，控制器会根据设定信号r与输出反馈信号uo之间的误差信号e来确定校正信号，然后在下一周期的同一时间将e叠加在原控制信号上，用来消除重复出现的波形畸变。负载产生的干扰信号是周期性的，因此重复控制器对其产生波形畸变具有抑制作用[63]。重复控制系统如图4-8所示。图4-8重复控制系统图中：为滤波器；为延时反馈环节；为干扰信号；为传递函数。重复控制器的内膜公式为：(4-7)重复控制器如果只依靠内膜结构，会导致系统不稳定，因此必须在控制系统中加入补偿器。其中：为控制增益；为超前环节；为滤波器。当加入补偿器后的重复控制系统如图4-9所示。图4-9加入补偿器后的重复控制系统由图4-9可知，该控制器输入e与输出ur之间关系为：(4-8)1.2.3升压电路控制器设计在本系统中，整流输出电压的设计为360V，前级电路为后级电路提供电压，因此后级电路的稳定性也受前级电路的影响，为使前级电路的输出电压快速稳定，必须对其采用闭环控制。由于升压电路输出的电压为直流电压，其采样值获取比较方便，其在DSP中可以比较容易的恢复到原始值，因此系统将采用PI控制器调节升压电路的输出电压。升压电路的电压闭环控制等效框图如图4-10所示。图4-10升压电路PI控制升压电路闭环控制的流程为：将经过整流输出的电压通过采集处理后送入DSP控制器，将uo与参考电压x进行比较，可以获得误差信号r，然后通过PI控制器调节PWM驱动信号的占空比，完成整流输出电压的闭环控制。1.2.4逆变电路控制器设计(1)逆变电路等效模型由于逆变电路是一个非线性系统，因此不能直接对其进行等效分析。本文采用空间状态平均法对逆变电路进行线性化处理，该方法可以用等效电路图4-11表示[64-65]。图4-11逆变器等效电路图中：为逆变桥输出电压；为滤波电感等效电阻；为电感电流；为电容电压；为电容电流；为负载电流。根据基尔霍夫电压和电流定理得：(4-9)将和设为状态变量，对应连续时间状态方程为：(4-10)由状态方程写出对应的状态空间模型为：(4-11)式中，,,y=VC,,。公式(4-10)经过拉普拉斯变换后得到传递函数为：(4-12)根据3.2.2节计算得到的LC滤波器的电感L=0.7mH，等效电阻为1Ω，电容C=6.7µF，于是有：采用零阶保持器在采样频率取25kHz时对应的z域函数为：等效框图如图4-12所示。图4-12逆变器等效框图(2)PI控制器的设计根据建立逆变电路的数学模型，可以得知逆变电路在开环状态下不能有效地抑制扰动，抗干扰能力比较差，因此，需对逆变电路采取闭环控制，设计的逆变电路的PI控制原理框图如图4-13所示。图4-13逆变电路PI控制(2)复合控制器的设计对于后级逆变电路，如果只采用单一的PI控制，逆变输出电压波形的谐波含量较高，为降低谐波含量，系统采用PI控制加重复控制相结合的重复控制策略，采用这种方法能提升系统的动态响应速度和降低输出波形谐波含量，提高系统的带载能力[66-67]。复合控制的设计框图如图4-14所示。图4-14逆变电路复合控制复合控制器控制过程为，当逆变电路输出稳定时，输出电压误差比较小，因此PI控制器的输出较小，此时重复控制器输出跟踪周期性正弦信号并消除周期性误差，通过重复控制作用可以降低输出电压的谐波含量；当逆变电路输出发生变化时，此时PI控制器在控制系统中起主要作用，能够快速调节电压波形。参考文献[63]和文献[66]提出的计算方法可以得到本文重复控制器的参数分别为：内膜滤波器的参数取0.95；控制增益Kr取1，一个基波周期内的采样次数N为25kHz/50Hz=500；延时反馈环节为z-500；超前环节为z5；补偿器Sz=z1.3软件设计1.3.1系统主程序设计系统主程序的功能主要是对各个模块进行初始化。当DSP控制器上电后，等待运行指令，接收到运行指令后，开始进行系统初始化。当所有初始化完成后，检测系统当前状态，若当前系统正常，则flag=1，然后结束，否则，继续检测当前状态。主程序流程图如图4-15所示。图4-15主程序流程图1.3.2ePWM中断子程序设计系统中一共需要六路驱动波形，其中两路PWM波作为前级升压电路的驱动波形，另外四路SPWM波作为后级逆变电路的驱动波形，PWM波和SPWM波的频率都为25kHz。关于SPWM波的生成方式将在1.3.3节讨论，本节只针对ePWM中断程序进行讲解。ePWM中断程序的运行取决于flag是否为1，当flag=1时，ePWM中断程序开始执行，否则就继续检测flag的值。ePWM中断子程序的作用主要是控制输出PWM驱动信号和SPWM驱动信号。其流程图如图4-16所示。图4-16ePWM中断子程序流程图ePWM中断程序的执行过程如下，首先是对输入状态进行检测，当输入状态检测不正常时，程序结束。当输入状态正常时，PWM驱动信号开始输出，然后对整流电压采样，通过采样得到的整流电压值调整PWM驱动信号的占空比。当整流电压有输出时，SPWM驱动信号开始输出，SPWM驱动信号的调制度随采集的输出电压进行调节。当逆变输出状态检测正常时，则返回继续检测当前的输入状态，若逆变输出状态检测不正常时，程序结束。1.3.3SPWM子程序设计SPWM子程序的设计流程为：首先采用增减计数的方法对PWM模块的寄存器进行初始化，然后采用规则采样法生成SPWM波所对应的正弦表，利用查表法更新计较寄存器的值来调节SPWM的调制度，最终输出与算法所对应的SPWM波形[68-69]。程序流程图如图4-17所示。图4-17SPWM生成程序流程图1.3.4AD采样子程序设计经过采样电路得到的信号属于模拟量，数字信号处理器可以处理的是数字量，一般情况下，需要对采集量进行转换，由于本文选择的DSP自带ADC转换单元，所以采样数据能直接接入DSP的ADC引脚对采集的数据实时处理。ADC模块一共需要采集5路模拟量，即输入直流电压、整流电压、输出交流电压、输出交流电流和温度。采集到的电压和电流应控制在一个范围内，若超出此范围，则DSP控制器停止输出驱动信号。整流后的电压和逆变输出交流电压作为采样值还需与设定的基准值进行比较，来完成系统的闭环控制。AD采样程序的工作流程如图4-18所示。图4-18AD采样流程图1.3.5复合控制子程序设计逆变电路中控制算法采用的是PI控制加重复控制算法进行程序设计，复合控制器设计流程如图4-19所示。程序流程为将逆变电路中的输出电压采样处理后送入DSP中，在DSP中，采样电压与参考信号比较后得到误差值，然后通过复合控制后得到控制量，再对两个控制器中的控制量叠加并限幅，最后计算输